并聯(lián)式混合動力城市客車驅(qū)動系統(tǒng)研究

陳　勇，俞劍斌，2，姜　濤，孫秋林

（1.福工動力技術(shù)有限公司，福建廈門361100；2.廈門理工學(xué)院，福建廈門361024）

并聯(lián)式混合動力城市客車驅(qū)動系統(tǒng)研究

陳勇1，俞劍斌1，2，姜濤1，孫秋林1

（1.福工動力技術(shù)有限公司，福建廈門361100；2.廈門理工學(xué)院，福建廈門361024）

針對城市公交運(yùn)行工況的特點，以混合動力系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計集中變速電驅(qū)動的單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，對動力系統(tǒng)主要部件進(jìn)行匹配與設(shè)計，并進(jìn)行實車道路試驗。試驗表明，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性目標(biāo)，并且成本控制合理。

并聯(lián)式混合動力；城市客車；匹配設(shè)計；實車試驗

隨著社會的發(fā)展，城市交通變得擁堵且紅綠燈較多，因此，城市客車在城市工況運(yùn)行時，會頻繁地制動、停車而造成燃料消耗。研究表明，城市客車運(yùn)行過程中，一半以上的能量消耗于發(fā)動機(jī)怠速和行車制動。因此，設(shè)計出一套適合于城市客車運(yùn)行的混合動力系統(tǒng)是亟需解決的問題［1］?；旌蟿恿ζ嚨年P(guān)鍵是動力系統(tǒng)總成，該性能的好壞直接決定混合動力整車燃料經(jīng)濟(jì)性以及動力性的優(yōu)劣。通過ISG啟停功能、制動能量回收和提高傳動效率來降低汽車的排放以及能耗等，是現(xiàn)階段提高城市客車節(jié)能和環(huán)保的重要方案［2］。

1　整車設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)構(gòu)型及性能指標(biāo)

本文整車構(gòu)型設(shè)計如圖1所示。動力系統(tǒng)采用單軸并聯(lián)方案，包括發(fā)動機(jī)、集中變速電驅(qū)動裝置和傳動系統(tǒng)，其中集中變速電驅(qū)動裝置包括主離合器、ISG電機(jī)和行星齒輪變速器。相比傳統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ISG電機(jī)，去掉了發(fā)電機(jī)和電池，增加了超級電容。不僅節(jié)約了成本、減輕了整車質(zhì)量，而且擴(kuò)大了底盤的可布置空間；同時，采用具有連續(xù)速比變化的行星齒輪變速器，在行車過程中能夠使電機(jī)和發(fā)動機(jī)更多地處于高效區(qū)間，并且能夠提高制動能量回收效率。通過控制主離合器的分離與結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式的切換，以滿足不同運(yùn)行工況的需求，提高能量的利用效率，從而提高燃料經(jīng)濟(jì)性。

混合動力原型城市客車參數(shù)如表1所示；具體性能指標(biāo)如表2所示。

表1　傳統(tǒng)原型車參數(shù)

表2　混合動力城市客車開發(fā)目標(biāo)

1.2整體控制方案

一般情況下，汽車由ISG電機(jī)啟動并低速運(yùn)行。當(dāng)車速超過低速標(biāo)準(zhǔn)或超級電容SOC值低于下限值時，主離合器閉合，帶動發(fā)動機(jī)到一定轉(zhuǎn)速時起動發(fā)動機(jī)，由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。此時控制器可根據(jù)超級電容的SOC值，決定ISG電機(jī)是否進(jìn)入發(fā)電模式給超級電容充電［3］。

當(dāng)整車處于加速、爬坡時，通過啟動ISG電機(jī)輔助驅(qū)動和檔位的切換，以保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)間。當(dāng)整車處于制動回電時，根據(jù)制動工況，結(jié)合切換檔位和電機(jī)的特性，合理分配電制動與機(jī)械制動扭矩，同時盡可能使電機(jī)處于高效發(fā)電區(qū)間，從而提高制動能量回收效率［4］。

2　系統(tǒng)主要部件設(shè)計及選型

2.1集中變速電驅(qū)動裝置設(shè)計

為使集中變速電驅(qū)動裝置體積比傳統(tǒng)混合動力電機(jī)設(shè)計更加緊湊，更具成本優(yōu)勢，本文設(shè)計兩檔變速器采用行星齒輪式結(jié)構(gòu)。在電機(jī)運(yùn)行時，采用電動雙連泵提供兩檔變速器的液力源動力，同時提供方向助力。通過高速電磁閥控制兩檔變速器實現(xiàn)兩檔切換及主離合器分合狀態(tài)切換，設(shè)計的集中變速電驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，行星變速器結(jié)構(gòu)：制動器+減速行星排+離合器組成；電機(jī)動力由太陽輪輸入，行星架進(jìn)行動力輸出。

2.1.1變速器速比確定

兩檔變速器速比選擇主要考慮以下幾個方面：一是低速檔在滿足純電爬坡前提下，兼顧電機(jī)運(yùn)行于純電低速段高效區(qū)，若低速發(fā)動機(jī)介入驅(qū)動或發(fā)電時，發(fā)動機(jī)也運(yùn)行于高效區(qū)；二是直接檔在滿足最高速度的前提下，也需要兼顧電機(jī)在混合驅(qū)動或制動回電時盡量處于電機(jī)高效區(qū)間；三是考慮兩檔切換時的切換時間及切換的平順性，保證總功率輸出平衡［5］。

綜合以上分析并結(jié)合行星變速器結(jié)構(gòu)特點，設(shè)定二檔速比為1，根據(jù)公式確定一檔速比Ig1：

Ig1≥mg（f×cos a+sin a）/（Tm×I0×ηt）

式中：m為整車滿載質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；a為最大爬坡度；Tm為發(fā)動機(jī)額定扭矩；I0為主減速比；ηt為機(jī)械傳動效率。綜合分析整車整體性能及成本合理化等要求，最終確定變速器一檔速比為3.21。

2.1.2 ISG電機(jī)選型

根據(jù)整車最大車速要求，確定整車最大需求功率Pmax1：

根據(jù)最大爬坡度，確定整車最大需求功率Pmax2：

得到整車需求功率Pmax1=88kW，Pmax2=169kW。其中，Vmax1為最大車速；Vmax2為行駛在最大爬坡度時的最大車速。

整車需要滿足平路與爬坡兩種情況，保留20%的余量留與空調(diào)及附屬設(shè)備消耗功率［6］，因此，整車總功率Pmax=Max（Pmax1，Pmax2）×1.2=203 kW。結(jié)合目前混合動力原型城市客車采用的147 kW發(fā)動機(jī)，電動機(jī)峰值功率Pm至少為56 kW。

再分析電機(jī)，其主要工作在啟動、低速（低于20 km/h）、加速助力、爬坡助力和制動能量回收幾種情況。當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時，電機(jī)處于高效區(qū)間；當(dāng)加速和爬坡助力時，其為發(fā)動機(jī)“削峰平谷”使發(fā)動機(jī)運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)區(qū)間［7］；同時考慮低速檔發(fā)電時電機(jī)的工作效率，發(fā)電區(qū)間為1 000～1 800 r/min。初步選取電機(jī)參數(shù)要求：額定功率45kW，峰值功率85 kW；額定轉(zhuǎn)矩365N·m，峰值轉(zhuǎn)矩850N·m；額定轉(zhuǎn)速1000 r/min，峰值轉(zhuǎn)速2500 r/min；額定電壓220V。

2.2超級電容選型

超級電容參數(shù)匹配的一般做法是：首先確定電機(jī)的最大工作電流、工作電壓范圍和電機(jī)的最大功率，考慮電壓對超級電容壽命的影響，確定超級電容的額定電壓和電壓范圍；然后根據(jù)純電動行駛的能量要求來決定超級電容的能量，從而計算超級電容的容量及重量等［8］。

現(xiàn)選定電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的最大工作電流為400 A，則超級電容的額定電壓可計算如下：

式中：U0_bat為超級電容最低電壓；Pm_max為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的峰值功率；Im_max為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的最大工作電流。

本文設(shè)定目標(biāo)：在超級電容單獨(dú)供電下，汽車以平均車速為20 km/h的速度純電行駛，續(xù)駛里程為1 km，由以下公式可計算得到超級電容需求能量Emc1。

Emc1=Pmc1×t=Pmc1×（S/Vele）=0.54 kW·h

初步選定的超級電容電壓工作范圍：180～370 V。超級電容中共有16個單體電容，每個單體電容量為165 F，8個單體電容串聯(lián)后再并聯(lián)，并聯(lián)后電容量為165/8× 2=41.25 F。

（3702-1802）=0.59 kW·h

式中：E為超級電容能量；C為電容量；Umax為超級電容最高工作電壓；Umin為超級電容最低工作電壓。因此，本文最終選定電容：超級電容型號BMOD0165P048，生產(chǎn)企業(yè)Maxwell，額定電壓48 V，16個，單體重量7.1 kg。

3　整車試驗及分析

3.1燃油經(jīng)濟(jì)性試驗及分析

根據(jù)以上分析設(shè)計，裝車并調(diào)試好，選擇中國標(biāo)準(zhǔn)城市工況［9］，分別選擇有換檔的新型混動車、無變速器的混動車以及傳統(tǒng)燃油客車進(jìn)行油耗試驗［10-11］。由于各試驗車構(gòu)型差異導(dǎo)致質(zhì)量不同，為了保證一致性，分別對傳統(tǒng)燃油車和無變速器混動車加水箱進(jìn)行配重。同時試驗中選用上海某油耗測試儀對油耗進(jìn)行測試。試驗結(jié)果如表3所示。

表3　經(jīng)濟(jì)型測試結(jié)果

通過試驗可以看出，新型混合驅(qū)動方案相比無變速器的混合驅(qū)動方案，在增加變速器后節(jié)油率提升了9.362%；而相對傳統(tǒng)燃油車，增加ISG電機(jī)和超級電容后，節(jié)油率提升了17.93%；節(jié)油效果明顯。另外，該試驗中沒有考慮超級電容充電狀態(tài)對總能耗的影響。為了保證試驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，在后續(xù)試驗中應(yīng)該加入對其的監(jiān)測與分析。

3.2動力性結(jié)果分析

整車動力性試驗結(jié)果：最高車速為69 km/h；在10 km/h的車速下，其爬坡度為15.5%；0～50 km/h的加速時間為24.3 s；因此，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

4　結(jié)論

以基于兩檔自動變速器的單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)為研究對象，對系統(tǒng)的超級電容、發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計匹配。匹配完成后進(jìn)行裝車調(diào)試，并進(jìn)行實車試驗。通過3組經(jīng)濟(jì)性試驗的對比，表明該系統(tǒng)方案節(jié)油效果明顯；通過動力性試驗，表明該方案實現(xiàn)了動力性目標(biāo)。綜上所述，該方案能夠保證整車的經(jīng)濟(jì)性和動力性，并且成本控制合理。

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修改稿日期：2015-04-25

Research on Parallel Hybrid Electric City Bus Powertrain System

Chen Yong1，Yu Jianbin1，2，Jiang Tao1，Sun Qiulin1
（1.Xiamen Fugong EV Tech Co.，Ltd，Xiamen 361100，China；2.Xiamen University ofTechnology，Xiamen 361024，China）

According to the characteristics of city bus operating condition，the authors take a hybrid system as the research object，design the single shaft parallel hybrid system with integrated variable speed of electric drive，design and match the main components of the power system，and make the real vehicle road test.The test show that the scheme can realize the vehicle's fuel economy，dynamic target and reasonable cost control.

parallel hybrid；citybus；match and design；real vehicle test

U469.7

B

1006-3331（2015）03-0025-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2012AA111105）。

陳勇（1985-），男，工程師；硬件室主任；研究方向：新能源客車。