某混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)選型與仿真

邵奎柱

(精進(jìn)電動(dòng)科技股份有限公司， 北京 100015)

本文針對輕客產(chǎn)品的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹混合動(dòng)力產(chǎn)品選型設(shè)計(jì)，并結(jié)合汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力產(chǎn)品整車性能對比，提出汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更適合做混合動(dòng)力產(chǎn)品的方案。6 m 輕客是輕型商用車中具有代表性的車型，本文以此車型(以下簡稱T50)為例進(jìn)行論述。T50總質(zhì)量4 500 kg，常規(guī)車型采用493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，擬匹配的另一款發(fā)動(dòng)機(jī)為4K22NA汽油機(jī)，擬匹配的主減速器速比有兩種方案，分別為4.1和4.44。

1 T50混合動(dòng)力構(gòu)型及工作模式

T50車型客戶群體以個(gè)人為主，主要用于通勤、物流，對操控性、可靠性有較高要求。其ISG同軸混聯(lián)系統(tǒng)(圖1)，采用雙電機(jī)方案，通過模式離合器控制，可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)回饋、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)等5種工作模式；模式切換不需要解耦，控制算法簡單[1-4]。ISG同軸混聯(lián)系統(tǒng)取消傳統(tǒng)變速器，傳動(dòng)效率大幅提升，駕駛平順性較好。此外，ISG同軸混聯(lián)構(gòu)型同時(shí)適合于改裝及專用車市場的需求(停車配電、怠速發(fā)電、對外充電)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)車不易開發(fā)的功能，符合國內(nèi)6 m 輕客及專用車市場發(fā)展需要。

C1—扭轉(zhuǎn)減振器； C2—模式離合器

2 主要零部件選型

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

綜合考慮電機(jī)的功率密度、工作效率、外形尺寸以及質(zhì)量等因素，選擇永磁同步電機(jī)作為所設(shè)計(jì)混合動(dòng)力客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)[5]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型在滿足結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，需重點(diǎn)評估低速純電爬坡能力和EV模式最高車速。根據(jù)ISG同軸混聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn)，當(dāng)選取后橋主減速比為4.44時(shí)，將整車相關(guān)參數(shù)帶入式(1)、式(2)、式(3)，可以計(jì)算出T50所需電機(jī)功率、扭矩最低需求。HEV模式下，最高車速125 km/h對應(yīng)的車橋輸入轉(zhuǎn)速為3 755 r/min，所需功率為65 kW(如對應(yīng)2%坡度，則為98 kW)；EV模式下，最高車速100 km/h對應(yīng)的車橋輸入轉(zhuǎn)速為3 250 r/min，所需功率為37 kW(如對應(yīng)2%坡度，則為64 kW)；20%坡度起步對應(yīng)的車橋輸入扭矩為790 N·m。結(jié)合主流產(chǎn)品系列及電機(jī)尺寸，初選驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子外徑290 mm(額定功率75 kW、峰值扭矩850 N·m、最高轉(zhuǎn)速5 000 r/min)的直驅(qū)型和240 mm(額定功率75 kW、峰值扭矩400 N·m、最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min，電控兩擋箱一擋速比3.5、二擋速比1)的變速型電機(jī)產(chǎn)品。

(1)

(2)

(3)

式中：r為車輪滾動(dòng)半徑,為0.362 m；i0為主減速比，選取4.1/4.44；ig為電控兩擋箱速比，選取3.5；CD為空氣阻力系數(shù)，取0.38；A為迎風(fēng)面積，取5 m2；f為車輪阻力系數(shù)，取0.008 5。

2.2 發(fā)電機(jī)

T50主要在市區(qū)、市郊行駛，ISG發(fā)電機(jī)需要保證串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式在最高車速時(shí)的電量平衡?？紤]到整車駕駛性及充分發(fā)揮插電式優(yōu)勢，串并聯(lián)切分車速初設(shè)為50 km/h。由式(2)可得50 km/h所需驅(qū)動(dòng)功率為9 kW，考慮到市政道路坡度一般在1%～2%，最大不超過5%，目標(biāo)車輛在2%度坡需驅(qū)動(dòng)功率為22 kW?？紤]到長度及與驅(qū)動(dòng)電機(jī)系列化，初選定子外徑290 mm(額定功率27 kW、峰值扭矩250 N·m、最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min)的發(fā)電機(jī)。

3 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

根據(jù)T50的混動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型圖(圖1)，將上述初選發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、4K22NA汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)493柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)代入CRUISE模型，分別進(jìn)行直驅(qū)和加箱兩種構(gòu)型的整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真分析。參照圖2用Matlab編寫整車控制策略，確定不同工況的扭矩分配，并嵌入CRUISE模型?？紤]到串并聯(lián)系統(tǒng)加電控兩擋箱的結(jié)構(gòu)和控制都比較復(fù)雜，下文以汽油機(jī)混動(dòng)加箱系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖2 混動(dòng)模式扭矩合成控制策略

圖2為T50車型扭矩控制策略示意圖[6-9]，低速區(qū)、低負(fù)荷區(qū)采用純電、串聯(lián)工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪機(jī)械解耦，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的區(qū)域；中高速以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)為主，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)助力或行車發(fā)電，確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，因大幅減少發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況點(diǎn)，所以在提升燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性；發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)工況壓縮在較窄區(qū)域，此區(qū)域也是發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。

T50整車動(dòng)力性能分為純電模式和混動(dòng)模式進(jìn)行，經(jīng)濟(jì)性能按照純電工況40 km/h等速電耗、混動(dòng)工況油耗進(jìn)行。下面對幾組典型仿真結(jié)果進(jìn)行說明[10-12]。

3.1 動(dòng)力性仿真分析

T50整車具有純電行駛模式，觸發(fā)純電模式按鈕后，模式離合器分離、發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，整車以純電模式行駛，當(dāng)電量低于設(shè)定值時(shí)(T50為20%)，可自動(dòng)切換為混動(dòng)模式。EV模式和HEV模式動(dòng)力性仿真結(jié)果見表1。

表1 T50動(dòng)力性仿真分析匯總表

3.2 經(jīng)濟(jì)性仿真分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27840-2011，T50整車經(jīng)濟(jì)性根據(jù)具體車型按照城市循環(huán)、公路循環(huán)、高速循環(huán)相應(yīng)比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，所得加權(quán)值為整車綜合油耗。電池電量需在試驗(yàn)起始、終止時(shí)保持平衡，下面以公路循環(huán)為代表進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2.1 公路循環(huán)經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

圖3—圖5為基于公路循環(huán)部分進(jìn)行仿真分析的結(jié)果。圖5中1為低速擋、2為直接擋，公路循環(huán)總計(jì)468 s，變速器主要工作在直接擋。

圖3 公路循環(huán)車速跟隨、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

圖4 公路循環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)

圖5 循環(huán)內(nèi)換擋情況

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19754-2015要求混動(dòng)車輛試驗(yàn)前后電量需保持平衡。要保證電量在測試循環(huán)起止時(shí)電量不變，需要引入插值算法。圖3中淺色線為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性工作曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行是在以此線為基準(zhǔn)向上或向下偏移的帶狀區(qū)域，為了求得循環(huán)內(nèi)電量變化為0，在仿真模型中引入發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩偏移參考值0 N·m、25 N·m、50 N·m，通過此參考值可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)向上或者向下的帶狀工作區(qū)域邊界，分別計(jì)算出：

0 N·m，SOC增加1.8%，油耗11.58 L/100 km

25 N·m，SOC減少0.1%，油耗9.32 L/100 km

50 N·m，SOC減少1.3%，油耗7.88 L/100 km

通過內(nèi)插值得出SOC變化為0時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩偏移參考值為23.6 N·m，重新帶入仿真模型進(jìn)行驗(yàn)算，電量變化為0，此時(shí)T50公路循環(huán)百公里油耗為9.4 L/100 km。

3.2.2 綜合油耗計(jì)算

參照上面3.2.1可以計(jì)算出城市循環(huán)車輛百公里油耗為8.85 L/100 km，高速循環(huán)車輛百公里油耗為10.28 L/100 km。T50的綜合油耗根據(jù)GB/T 27840-2011規(guī)定的比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算：

FC綜合=8.85×50%+9.4×25%+10.28×25%=9.345 L/100 km

3.3 仿真結(jié)果匯總

參照上述3.1、3.2節(jié)的運(yùn)算，可以獲得2款發(fā)動(dòng)機(jī)、2種混合動(dòng)力構(gòu)型、2個(gè)后橋速比的整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果。

表2為T50動(dòng)力性能匯總表，其中直驅(qū)構(gòu)型后橋速比采用4.44，加箱構(gòu)型后橋速比采用4.1。

表2 T50動(dòng)力性能匯總表 s

493柴油機(jī)由于最高轉(zhuǎn)速限制(國五柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速在3 200 r/min)，持續(xù)高速巡航車速較低(直驅(qū)構(gòu)型98 km/h，加箱構(gòu)型106 km/h)，為獲得較高的車速，需要轉(zhuǎn)化為串聯(lián)模式，長時(shí)間最高車速行駛，存在功率不平衡的隱患。汽油機(jī)則轉(zhuǎn)速高(國六汽油機(jī)最高轉(zhuǎn)速在5 500 r/min)，整車可以長時(shí)間最高車速巡航(均大于150 km/h)。

表3為T50經(jīng)濟(jì)性能匯總表，加箱方案的40 km/h等速電耗較低(16.6 kW·h/100 km)，而直驅(qū)方案為18.5 kW·h/100 km。由于回饋能量、傳動(dòng)效率的原因，加箱構(gòu)型的循環(huán)油耗約高0.5 L/100 km。

表3 T50經(jīng)濟(jì)性能匯總表

通過整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真分析，加箱構(gòu)型可以較好地平衡低速爬坡性能和高速巡航(加箱構(gòu)型最大爬坡度30%，直驅(qū)構(gòu)型最大爬坡度20%)，直驅(qū)構(gòu)型的綜合油耗更好(較加箱構(gòu)型約低0.5 L/100 km)。

4 結(jié)束語

通過對T50混動(dòng)系統(tǒng)的選型及整車性能的對比分析可知，采用汽油機(jī)和柴油機(jī)兩種方案的動(dòng)力性能非常接近，但最高車速汽油機(jī)方案明顯好于柴油機(jī)方案；整車節(jié)油率汽油機(jī)方案也好于柴油機(jī)方案。可見，通過汽油機(jī)與電機(jī)耦合，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)汽油機(jī)商用車油耗高、可靠性差的劣勢；汽油機(jī)與電機(jī)的耦合還可以顯著改善整車排放、降低油耗。隨著國Ⅵ排放實(shí)施，柴油機(jī)為提升排放會(huì)增加較多成本。綜合汽油機(jī)體積小、轉(zhuǎn)速及功率特性與電機(jī)更吻合等特點(diǎn)，汽油機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)更適合于輕型商用車領(lǐng)域[13]。