新型混聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略設(shè)計(jì)

丁傳記

新型混聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略設(shè)計(jì)

丁傳記

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

簡要介紹一種新型混聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；重點(diǎn)介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略方面的設(shè)計(jì)；詳細(xì)分析系統(tǒng)在多種控制策略下的運(yùn)行模式及主要技術(shù)特點(diǎn)。

動(dòng)力系統(tǒng)；混聯(lián)；控制策略；工作模式

1　問題的提出

目前，我國受霧霾天氣影響的區(qū)域現(xiàn)已由北部地區(qū)向中部地區(qū)擴(kuò)展，污染日益嚴(yán)重［1］。城市有毒顆粒物來源首先是汽車尾氣，使用柴油的客車是排放細(xì)顆粒物的“重犯”。因此，現(xiàn)階段開發(fā)可降低油耗、減少污染物排放的客車的混合動(dòng)力系統(tǒng)顯得尤為迫切［2-3］。

目前，普通的混合動(dòng)力在國內(nèi)研究應(yīng)用較多，但總體來講，國內(nèi)外設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力大客車主要存在以下兩個(gè)問題：

1）城市內(nèi)部工況下，針對(duì)大客車需要頻繁起停的問題，設(shè)計(jì)無需充電的并聯(lián)混合動(dòng)力或串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，可降低油耗，減小污染排放［4］。但是，這兩種結(jié)構(gòu)在市內(nèi)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然需要參與驅(qū)動(dòng)，增加了市內(nèi)排放污染。

2）目前國內(nèi)的混合動(dòng)力系統(tǒng)均為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)。城市內(nèi)部和市際工況下，高效率區(qū)轉(zhuǎn)速亦過低，特別在市際間運(yùn)行，效率低，這導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)時(shí)整車爬坡能力以及最高車速受限，難以運(yùn)行于山區(qū)城市或市際高速路段工況。

目前，還沒有針對(duì)山區(qū)城市和風(fēng)景區(qū)的插電式深度混合動(dòng)力客車問世；而山區(qū)城市，尤其是風(fēng)景區(qū)同樣需要零污染排放的高速高效大客車。因此，針對(duì)混合動(dòng)力客車應(yīng)用環(huán)境和動(dòng)力系統(tǒng)的新需求，設(shè)計(jì)一種能夠適用于城市、高速、旅游山區(qū)等多種路況的插電式高速高效混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)更具有市場前景。該系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)與大功率雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙離合器結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有插電式的充電能力。保證零排放的同時(shí)，可提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力；在平穩(wěn)高速路況下，還可以對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充電，以保障到達(dá)目的城市時(shí)，車輛仍可以在純電模式下運(yùn)行。

2　動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略設(shè)計(jì)

本文以13.7 m公路客車為原型，研發(fā)混聯(lián)式插電式混合動(dòng)力客車，整車主要參數(shù)如下：長/寬/高為13 700/2 550/3 850 mm；軸距為6 600/1 500 mm；前/后懸為2 620/2 980 mm；接近角/離去角為8°/8°；一級(jí)踏步高度為350 mm；最小轉(zhuǎn)彎直徑為23 m；廠定最大總質(zhì)量為23.4 t；整備質(zhì)量為18.8 t；0～50 km/h加速時(shí)間≤26 s；最大爬坡度≥18%；額定乘員數(shù)為56+1；后橋主減速比為3.23。

2.1動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計(jì)的雙電機(jī)、雙離合器結(jié)構(gòu)充分考慮新能源客車節(jié)能的技術(shù)指標(biāo)。動(dòng)力傳遞路線為發(fā)動(dòng)機(jī)—離合器1—電機(jī)總成1—離合器2—電機(jī)總成2—傳動(dòng)軸—主減速器—差速器—車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)1之間通過離合器1連接，電機(jī)1與電機(jī)2通過離合器2連接，兩個(gè)電機(jī)控制器的高壓供電線連接到電池箱上。整車可以工作于發(fā)動(dòng)機(jī)模式、并聯(lián)混合動(dòng)力模式、串聯(lián)混合動(dòng)力模式以及純電動(dòng)模式［5-6］。既可以在市內(nèi)無污染零排放運(yùn)行，又可以工作于城際高速路工況；既可以適應(yīng)平原路況，又可以適應(yīng)山區(qū)路況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

2）電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)。匹配雙電機(jī)，電機(jī)參數(shù)根據(jù)CRUISE軟件仿真計(jì)算得出，考慮到永磁電機(jī)效率較高，此設(shè)計(jì)采用永磁同步電機(jī)［7］，電機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1　電機(jī)1和電機(jī)2的主要參數(shù)

正常運(yùn)行時(shí)，本系統(tǒng)由控制系統(tǒng)將電機(jī)的峰值功率限制在額定功率；而在路面坡度較大時(shí)，則可用電機(jī)的峰值功率用于爬坡（限1 min內(nèi)）。

3）電池及發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。本車采用160Ah/622V高功率三元材料電池，此種電池兼顧了能量與密度兩個(gè)方面［8］，既可保證爬坡、高速行駛的功率需求，也可保證80 km以上的純電續(xù)駛里程能量需求。發(fā)動(dòng)機(jī)采用276 kW，最大扭矩可達(dá)1 733 N·m；略小于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

2.2控制策略設(shè)計(jì)

2.2.1整車控制策略

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過雙離合器的結(jié)合與分離，可以使系統(tǒng)工作在并聯(lián)形式下或串聯(lián)形式下，按照效率最優(yōu)原則使系統(tǒng)工作于如下六種模式［9］，如圖2所示。

1）電機(jī)2單獨(dú)工作、電池供電的純電動(dòng)模式。當(dāng)車輛運(yùn)行于市內(nèi)平坦路面，且電池箱電未用完時(shí)，整車由電機(jī)2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，工作于純電動(dòng)模式，車輛沒有污染排放問題。電池箱中的電能可以是預(yù)先通過外接電源方式充入的電能，也可以是車輛在其它工況下由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1產(chǎn)生的電能。

2）電機(jī)1與電機(jī)2并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、電池供電的純電動(dòng)模式。當(dāng)車輛需要運(yùn)行于市內(nèi)坡度路面時(shí)，電機(jī)2往往難以提供較好的爬坡能力，電機(jī)1和電機(jī)2并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，可以使整車具有較好的爬坡能力。此時(shí)，整車仍工作于純電動(dòng)模式。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1發(fā)電，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)整車的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)車輛仍舊運(yùn)行于市內(nèi)路面，但是電池箱已儲(chǔ)能不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1發(fā)電，給電機(jī)2供電保證車輛行駛，同時(shí)給電池進(jìn)行適度充電。電機(jī)1在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中作為起動(dòng)機(jī)使用［10］。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)1并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車輛出了市區(qū)，需要?jiǎng)蛩傩旭傆诔请H高速公路時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行，電機(jī)1在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中作為起動(dòng)機(jī)用；在制動(dòng)時(shí)，作為能量回饋發(fā)電機(jī)用；在勻速行駛時(shí)，緩慢發(fā)電給電池充電。

5）發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)2并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車輛行駛于城際高速公路，且需要爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)2一起驅(qū)動(dòng)整車，以提高整車的驅(qū)動(dòng)能力。

6）發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)1、電機(jī)2并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車輛行駛于景區(qū)山間公路時(shí)，由于坡度較大，往往要求車輛具有非常大的牽引能力，此時(shí)可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)1、電機(jī)2都參與驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到短時(shí)的最大牽引能力。

2.2.2扭矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

整車控制系統(tǒng)根據(jù)燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)與排放最低原則對(duì)參與驅(qū)動(dòng)的三臺(tái)原動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，因此，在各種工作模式下，需要根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的邊界條件和原動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作區(qū)，對(duì)三臺(tái)原動(dòng)機(jī)的扭矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)分配。

控制系統(tǒng)需根據(jù)當(dāng)前駕駛員加速踏板需求，根據(jù)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳效率曲線，合理分配兩個(gè)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，以優(yōu)化整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，在滿足牽引力要求的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能效果。

3　樣車試驗(yàn)運(yùn)行及技術(shù)特點(diǎn)

采用新結(jié)構(gòu)的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)混合動(dòng)力客車，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)軌驖M足如表2中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

表2　整車技術(shù)指標(biāo)

該車主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：適用于高效高速混合動(dòng)力客車的、多模式自適應(yīng)切換整車控制策略；采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，兼顧多個(gè)原動(dòng)機(jī)效率的扭矩優(yōu)化分配策略；串聯(lián)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)起停頻率高效優(yōu)化策略；適用于該高效高速混合動(dòng)力客車的容錯(cuò)控制技術(shù)。

與同類混合動(dòng)力客車比較，本文所研發(fā)的高效高速插電式混合動(dòng)力客車具有以下特點(diǎn)：起步轉(zhuǎn)矩高；爬坡度大于20%；動(dòng)力性、加速性好；雙電機(jī)工況互補(bǔ)，提高工作效率；備有跛行模式；六種不同的工作模式能夠滿足各個(gè)工況下的運(yùn)行。具體表現(xiàn)在：

1）混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前在國內(nèi)較多采用混聯(lián)的結(jié)構(gòu)模式、采用皮帶傳動(dòng)的BSG電機(jī)，在可靠性方面存在不足，經(jīng)濟(jì)性能好的同時(shí)，犧牲了部分動(dòng)力性，爬坡及動(dòng)力性能存在不足之處。

2）并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用并聯(lián)的結(jié)構(gòu)模式，整體效率高［9］，配備變速器，在動(dòng)力性方面滿足性能要求，但是采用的ISG電機(jī)不能有效參與工作，只能在制動(dòng)時(shí)回收部分能量。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面存在不足。

4　結(jié)束語

經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)認(rèn)證后，13.7 m插電式混合動(dòng)力客車達(dá)到了公路運(yùn)營客車標(biāo)準(zhǔn)要求，節(jié)油率高。在后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)中，可以將該混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)移植至12 m城市客車型中并批量生產(chǎn)。在國家四部委新能源補(bǔ)貼政策的引領(lǐng)下，本動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將具有更為廣泛的前景。

［1］崔勝民，王劍峰，王大方.新能源汽車技術(shù)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009：6-7.

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修改稿日期：2014-11-16

Design on Power System Structure and Control Strategy for New Hybrid Electric Bus

DingChuanji
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

A new power system structure of the hybrid electric bus is briefly introduced.The design of the system structure and the control strategyis mainlyintroduced.The operation modes for the systemunder the different control strategies and main technique features are analyzed in detail.

power system；PSHEV；control strategy；operation mode

U469.7；TP273+.4

B

1006-3331（2015）01-0029-03

丁傳記（1979-），男，高級(jí)工程師；主要從事新能源客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。