插電式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與開發(fā)

趙敏，胡建成，湛先好，李松

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 整車構(gòu)型選型

本文所研究的城市公交車，運(yùn)行環(huán)境基本都是平緩的馬路，路線比較固定，且市內(nèi)對(duì)排放性要求高；工況情況是頻繁的啟動(dòng)、停車、加速、減速，而且車速一般都不高，單次行駛距離較短。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)更適合市區(qū)或市郊交通比較擁擠的區(qū)域。汽車在怠速、起步和低速等工況下可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電池組驅(qū)動(dòng)汽車，效率更高，排放更低，同時(shí)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)開發(fā)成本相對(duì)比較低，市區(qū)內(nèi)電力設(shè)施比較完善，便于蓄電池充電，因此確定采用如圖所示的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 整車構(gòu)型原理圖

2 整車參數(shù)

整車基本參數(shù)如下表1所示。

目標(biāo)插電式串聯(lián)混合動(dòng)力公交車動(dòng)力性指標(biāo)如下表2所示。

表1 原車型基本參數(shù)

表2 整車性能指標(biāo)

本文研究的串聯(lián)式 PHEV公交車參數(shù)匹配包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系速比、動(dòng)力電池、APU系統(tǒng)的選型和匹配。動(dòng)力系統(tǒng)的匹配不僅關(guān)系到整車的成本，跟對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著決定性的影響。根據(jù)車輛運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)該選用高功率的電池、比容量和比能量雙高的動(dòng)力電池。發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為之提供電能的裝置要求較低，在滿足發(fā)電要求的前提下盡量選擇體積、質(zhì)量雙小，效率較高的型號(hào)。

3 總成參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率與額定功率

最高功率需要滿足的條件有最高車速、最大爬坡度和要求的加速時(shí)間。分別算出每種條件下的電機(jī)峰值功率，取最大值。

1）電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定。

（1）滿足最高車速條件vmax下的最高功率：

式中，ηt：傳動(dòng)效率，0.92；cD：空氣阻力系數(shù)，0.55；m：客車滿載質(zhì)量，900kg；

f：滾動(dòng)阻力系數(shù)，0.55；g：重力加速度，0.98m/s2；A：迎風(fēng)面積，7.6m2；

當(dāng)客車達(dá)到最高車速80km/h時(shí)，式3.1中的各項(xiàng)值如上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率為：72.8kw

（2）滿足最大爬坡度條件下的最高功率：

式中，最大爬坡度 αmax設(shè)計(jì)為 20%，此時(shí)的車速為10km/h，則帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算最大功率為：75.42kw

（3）滿足加速性能條件下的功率：

δ：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；If：飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0.22kgm2；Iw：四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，5.6 kgm2；r：車輪滾動(dòng)半徑，140mm；

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到：pmax3為114.53kw

由于電機(jī)的最大功率必須同時(shí)滿足上述三個(gè)條件，所以：

考慮到汽車上各種電子附件的消耗，故而使總功率上浮10%-20%

那么，額定功率

式中，pe為電機(jī)的額定功率；λ為電機(jī)過載系數(shù)取為1.5

3.1.2 電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不但影響混合力汽車傳動(dòng)系的尺寸，而且影響電動(dòng)機(jī)的扭矩。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系，以及相應(yīng)的支撐條件，需要綜合考慮電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)大恒功區(qū)系和傳動(dòng)系的體積尺寸。一般情況下，永磁交流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在4000～10000r/min。

本文中用到的電機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速的換算關(guān)系為：

將最大車速80km/h，主減速器傳動(dòng)比6.333，最高檔變速器傳動(dòng)比3.40476，車輪的半徑等數(shù)值帶入計(jì)算得到：

由最高轉(zhuǎn)速得到額定轉(zhuǎn)速：

3.1.3 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩

根據(jù)最大功率可以求得電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，其公式為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入其中，可以得到最大轉(zhuǎn)矩：

額定轉(zhuǎn)矩為：

上述計(jì)算，得到電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，列表如下：

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)表

3.2 傳動(dòng)系速比的確定

傳動(dòng)系速比的選擇要滿足車輛的最高車速和最大爬坡度的要求而且當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，電機(jī)要工作在高效區(qū)。

3.2.1 最小傳動(dòng)比的確定

最小傳動(dòng)比由最高車速確定，且此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大：強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入，可得：因?yàn)?/p>

3.2.2 最大傳動(dòng)比的確定

最大傳動(dòng)比由最大爬坡度確定，且此時(shí)電機(jī)應(yīng)達(dá)到轉(zhuǎn)矩最大：帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到：因?yàn)?/p>

3.3 動(dòng)力電池的選擇

動(dòng)力電池是整車的唯一動(dòng)力源。電池容量越大，汽車的儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，以純電動(dòng)行駛的距離越長(zhǎng)。但是另一方面容量大了，質(zhì)量和體積也增大，對(duì)車輛的動(dòng)力性和整車的布置產(chǎn)生不良影響。因此，要綜合考慮車輛的性能要求和電池的比功率和比能量來合理的選擇電池。鎳氫電池在比功率和比能量方面都是比較高的，尤其是比功率1350w/kg，是其他電池?zé)o法企及的。而本文中的車輛是城市公交車，啟停很頻繁，起動(dòng)需要大功率放電，以便能迅速啟動(dòng)，所以本文選取鎳氫電池。

電池?cái)?shù)量的選擇要從功率需要和純電動(dòng)行駛兩個(gè)方面來考慮。即，電池組的容量要滿足電動(dòng)機(jī)最大輸出功率要求。

上述公式里，w0為電池組額定容量；pv為某速度行駛的電機(jī)功率；t為行駛時(shí)間；ηm為控制器效率，取值0.8；v為行駛速度；s為行駛距離。根據(jù)性能要求，車輛以40km/h勻速行駛的話，續(xù)駛里程為30km帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到，w0=42.34kwh。

那么額定容量為：

式中UB電池組額定電壓，取為330v。單節(jié)電池電壓為7.2v，電壓變化范圍是（6.0v,9.0v），共需要80塊，分兩個(gè)電池組，串聯(lián)。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的選擇

發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是以輔助供電裝置的角色出現(xiàn)的，用以驅(qū)動(dòng)車輛或?yàn)閯?dòng)力蓄電池充電，其主要的特征有：根據(jù)整車 指令，快速、穩(wěn)定輸出功率；發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最佳燃油消耗/排放區(qū)。所以發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)匹配應(yīng)遵循下面的條件：

（1）使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)；

（2）單獨(dú)供電略高于滿足巡航時(shí)的要求；

當(dāng)電池SOC降到下限以后，發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)電，此時(shí)發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要滿足客車以最高車速 80km/h巡航的條件。考慮傳遞過程的能量損失的話，取效率為 0.9.則發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率為：

又因?yàn)橐o蓄電池充電，功率要上浮一些，所以去發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率為88kw。發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配就可以了。額定電壓取為330v。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性，基于AVL Cruise軟件搭建了如圖所示的仿真模型。

4.1 整車模型

建模時(shí)，主要設(shè)置的模塊有：

1）車輛模塊-在其中定義：重量、高度和風(fēng)阻參數(shù)等整車參數(shù)；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)模塊-定義所有與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù)和特性曲線；

3）動(dòng)力電池模塊-設(shè)置電池組的參數(shù)和充放電電壓和SOC關(guān)系的曲線；

4）主減速器模塊-設(shè)置主減速比和輸入輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

5）駕駛員模型-定義換擋模式（手動(dòng)/自動(dòng)）、最大制動(dòng)力、油門/離合器/制動(dòng)踏板特性等。

4.2 整車控制策略

考慮到電池的荷電狀態(tài)太低會(huì)對(duì)電池有損傷，又因?yàn)楸疚氖遣咫娛交旌蟿?dòng)力，所以想盡量利用電網(wǎng)充入較為廉價(jià)的電能，減少發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)工作的頻率。盡可能的減少燃油的消耗。本文將電池的SOClow設(shè)定為50%，SOChigh設(shè)定為60%。

圖2 整車模型

當(dāng)動(dòng)力電池的 SOC 大于設(shè)定的低值時(shí)，如果汽車需求的功率小于動(dòng)力電池所能提供的最大功率，則由動(dòng)力電池單獨(dú)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，目標(biāo)功率為 0；如果汽車需求的功率大于動(dòng)力電池所能提供的最大功率，則發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供輔助功率，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率為汽車的需求功率減去動(dòng)力電池的最大功率。當(dāng)動(dòng)力電池的 SOC 達(dá)到或者小于設(shè)定的低值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組單獨(dú)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率即為汽車的需求功率。值得注意的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電的模式下，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，汽車的需求功率是可以包含充電功率的，也就是說，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，發(fā)出的功率主要用于滿足汽車行駛的功率需求，如果有富余的功率，則用于給動(dòng)力電池充電。據(jù)此可以得到控制策略的流程圖，如圖3所示。

圖3 本文控制策略流程圖

4.3 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

本文研究對(duì)象為城市公交車，所選循環(huán)工況為典型城市循環(huán)工況，以此為例對(duì)整車空載、滿載、半載下的經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)車進(jìn)行了對(duì)比分析。

表4 經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比

通過對(duì)比分析可知，空載、半載、滿載條件下經(jīng)濟(jì)性都有所改善，基本達(dá)到了3%-5%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

各工況下電池SOC的變化如圖4-6所示。

圖4 空載時(shí)電池SOC變化曲線

圖5 半載時(shí)電池SOC變化曲線

圖6 滿載時(shí)電池SOC的變化曲線

5 小結(jié)

全球能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)使得世界各國(guó)都非常重視節(jié)能減排的工作，汽車行業(yè)作為重要的能源消費(fèi)和尾氣排放的行業(yè)首當(dāng)其沖率先進(jìn)行技術(shù)上的升級(jí)改造，走在節(jié)能減排的最前沿。本文就是在這種大的環(huán)境下探索城市公交車節(jié)能減排的方案：基于串聯(lián)混合動(dòng)力構(gòu)型完成了關(guān)鍵部件匹配，提出了整車控制策略，基于AVL cruise搭建了整車仿真模型并進(jìn)行了性能仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：空載、半載、滿載條件下經(jīng)濟(jì)性都有所改善，基本達(dá)到了3%-5%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。