ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配選型與仿真設(shè)計(jì)

胡 軍，嚴(yán)程健，龐 成

(揚(yáng)州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225217)

近年來(lái)，隨著國(guó)家和行業(yè)對(duì)客車節(jié)能減排問題的重視，混合動(dòng)力客車得到了極大的發(fā)展。相比于純電動(dòng)客車，混合動(dòng)力客車克服了續(xù)航里程短、充電樁建設(shè)密度小帶來(lái)的發(fā)展瓶頸，平衡了客車對(duì)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的雙重追求[1-2]，更加適合于目前國(guó)內(nèi)復(fù)雜多變的路況環(huán)境。

ISG(混聯(lián)式)混合動(dòng)力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同軸并聯(lián)的方式進(jìn)行動(dòng)力混合[3-5]，可以方便地實(shí)現(xiàn)快速啟停功能，降低怠速油耗[5-11]。另外，面向不同的行駛工況要求，其發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與電機(jī)扭矩可以進(jìn)行多種形式的疊加以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)效率，同時(shí)在減速和制動(dòng)時(shí)能夠進(jìn)行自動(dòng)能量回收，使電機(jī)發(fā)電并儲(chǔ)存能量于動(dòng)力儲(chǔ)能裝置中(動(dòng)力電池)。

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 整車主要參數(shù)

ISG混合動(dòng)力客車主要參數(shù)如表1所示。

1.2 技術(shù)指標(biāo)要求

整車設(shè)計(jì)需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 電機(jī)、控制器電磁、電氣設(shè)計(jì)方案

電壓平臺(tái)為250～650 V DC，其中400 V DC以下平臺(tái)(250～400 V)電機(jī)額定電壓設(shè)定為380 V， 400 V DC以上臺(tái)(400～650 V)電機(jī)額定電壓設(shè)定到220 V。

表1ISG混合動(dòng)力客車主要參數(shù)
Table1Main parameters of ISG hybrid power bus

基本參數(shù)數(shù)值 輪胎半徑r/mm506 整備質(zhì)量m/kg11600 最大總質(zhì)量M/kg16500 主減速器比I06.143 迎風(fēng)面積A/m29 風(fēng)阻系數(shù)Cd0.65 滾動(dòng)阻力系數(shù)f0.0085 傳動(dòng)效率ηt/%0.95 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)δ1.05 空氣密度ρ/(kg·m-3)1.29

表2ISG混合動(dòng)力客車動(dòng)力性指標(biāo)
Table2Power performance index of ISG hybrid power bus

指標(biāo)項(xiàng)目要求最高車速Vmax/(km·h-1)70爬坡度(滿載)20km/h的車速通過15%的坡度;0～20km/h的加速時(shí)間tm/s≤50～50km/h的加速時(shí)間tm/s≤20城市工況平均油耗Q/(L·(100km)-1)≤15續(xù)航里程半載40km/h不低于50km

2 ISG系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)

ISG系統(tǒng)主要適用于城市客車。城市客車運(yùn)行工況比較穩(wěn)定，一般車速不高，且低速運(yùn)行情況較多，加速減速頻繁。為提高城市客車整車燃油經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量使整車低速時(shí)運(yùn)行在純電動(dòng)模式，中高速時(shí)采取混動(dòng)模式。ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)型如圖1所示。

圖1 ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)方案Fig 1 ISG hybrid power system scheme

2.2 主要部件選型及參數(shù)匹配

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

ISG系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行一般適用于車速較高的情況，低速爬坡和加速時(shí)一般由電機(jī)單獨(dú)完成或者兩者混合驅(qū)動(dòng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率一般按照最高車速匹配，即發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車以最高車速行駛時(shí)的功率下，還留有一定的富余功率給儲(chǔ)能裝置充電。

Pemax≥

(1)

式中：Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率,kW;Vmax為最高車速,m/h。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)附件(動(dòng)力轉(zhuǎn)向助力泵和風(fēng)扇等)消耗的功率(按20 kW計(jì)算)、發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)留功率(假設(shè)預(yù)留功率20 kW給儲(chǔ)能裝置充電)、發(fā)動(dòng)機(jī)的后備功率(供加速和超速時(shí)使用)，同時(shí)保證整車的動(dòng)力性，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有型號(hào)，選用濰柴發(fā)動(dòng)機(jī)的WP6.220E50，其最大功率為162 kW。

2.2.2 電機(jī)組的選型

2.2.2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要在低速、爬坡和起步加速3種模式下工作，所以電機(jī)須滿足車輛低速即在純電動(dòng)模式下最高車速(此處暫定30 km/h)行駛的要求和爬坡、加速的要求。

(1)低速行駛要求

在對(duì)電機(jī)的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性作一定限制的情況下，通過理論計(jì)算，車輛以30 km/h純電動(dòng)行駛時(shí)所需的功率為：

(2)

式中：Vi為當(dāng)前車輛速度，即30 km/h。

(2)爬坡要求

參考設(shè)計(jì)要求，車輛以20 km/h的車速通過15%的坡度所需功率為:

(3)

(3)起步加速要求

根據(jù)起步加速性能來(lái)確定最大功率。假設(shè)汽車在無(wú)坡度的公路上加速，根據(jù)汽車加速過程中的動(dòng)力學(xué)方程，得知汽車的總功率為:

P=Pj+Pf+Pw=

(4)

式中：Pj為加速功率，kW;Pf為滾動(dòng)阻尼功率，kW;Pw為空氣阻力功率，kW;v為車輛瞬間速度，km/h;V為車輛穩(wěn)定速度,km/h。

車輛起步加速過程的需求功率按0～20 km/h滿載加速要求進(jìn)行匹配，加速時(shí)間為5 s，最大需求功率P3可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

(5)

根據(jù)上述按設(shè)計(jì)指標(biāo)匹配計(jì)算的3種最大功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pmax須滿足所有上述的設(shè)計(jì)需求，即Pmax≥max(P1,P2,P3)。

電動(dòng)機(jī)額定功率可根據(jù)峰值功率由下式求出。

(6)

式中：Pmax為電機(jī)峰值功率,kW；P額為電機(jī)額定功率,kW；λ為電機(jī)過載系數(shù)，一般取2～3，本文計(jì)算中選取λ=2。

為保證車輛在起步階段有較大的加速能力，需要保證電機(jī)在低速時(shí)有較大的輸出扭矩。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性可知，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下具有恒定的峰值輸出扭矩，超過額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)功率恒定，轉(zhuǎn)矩下降。因此，車輛在沒有變速箱的情況下，爬坡能力主要受驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值的限制，且電機(jī)峰值扭矩越大，整車加速性能越強(qiáng)，加速時(shí)間越短。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩匹配可通過下式計(jì)算。

T≥

(7)

式中：T為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩,N·m；V為車輛速度,km/h。

城市客車考核的工況一般為中國(guó)典型城市的公交循環(huán)工況(CCBC)，因此在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)也要其有一定的工況適用性(經(jīng)濟(jì)性角度)。運(yùn)用MATLAB計(jì)算工具可以求出CCBC工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及工況分布需求圖(圖2，其中數(shù)字越大代表功率等級(jí)越大)。純電動(dòng)模式時(shí)客車功率需求一般在1～3級(jí)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工況需求分布圖Fig 2 Distribution diagram driving motor condition demand

2.2.2.2 ISG電機(jī)的選型

ISG電機(jī)的作用主要有兩個(gè)方面：第一、快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)總附件功率；第二、為動(dòng)力電池充電。為避免車輛在加速或者爬坡時(shí)，動(dòng)力電池出現(xiàn)虧電的情況，ISG電機(jī)的功率應(yīng)盡量大些。因此，結(jié)合2.2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)附件功率，ISG電機(jī)的功率應(yīng)在此基礎(chǔ)上再預(yù)留一部分功率裕量。

考慮到電機(jī)控制器的控制效率問題(一般在95%左右)，以及其他一些系統(tǒng)影響因素的存在，在對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選擇的時(shí)候應(yīng)該使其功率稍大于上述計(jì)算值。經(jīng)綜合考慮并結(jié)合主流電機(jī)產(chǎn)品，選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和ISG電機(jī)的參數(shù)如表3所示。

表3TM(驅(qū)動(dòng)電機(jī))及ISG電機(jī)組參數(shù)
Table3TM (drive motor) and ISG power set parameters

類別TM(驅(qū)動(dòng)電機(jī))ISG電機(jī)額定功率/kW75 48 額定扭矩/(N·m)1023 327 額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)700 1400 峰值功率/kW150 70 峰值扭矩/(N·m)2046 478 峰值電流/A350 165 最高轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3000 3000

電機(jī)控制器主要根據(jù)電機(jī)的峰值電流和電池的電壓平臺(tái)來(lái)選擇。電池的電壓應(yīng)用平臺(tái)為500 V，結(jié)合表3電機(jī)參數(shù)，同時(shí)考慮空間布置與零部件體積，控制器采用二合一集成電機(jī)控制器，其參數(shù)如表4所示。

表4電機(jī)控制器參數(shù)
Table4Motor controller parameters

類別ISG電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定輸入電壓(DC)/V540540輸入電壓(DC)/V200～750200～750額定輸出電流/A21091峰值輸出電流/A380160

根據(jù)匹配試驗(yàn)得到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率數(shù)據(jù)，結(jié)合前述的工況選型要求，做設(shè)計(jì)驗(yàn)證如圖3。由圖3可以看出，電機(jī)的需求功率一般都處于較高效率點(diǎn)。因此，其選型合理。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率及工況需求驗(yàn)證分布圖 Fig 3 Demand verification distribution diagram drive of motor efficiency and operating condition

2.2.3 動(dòng)力電池的參數(shù)匹配

根據(jù)整車需求進(jìn)行動(dòng)力電池組匹配。電池組匹配一般從以下兩點(diǎn)考慮：一是滿足規(guī)定的純電動(dòng)模式下續(xù)航里程要求；二是電池放電功率限制，即須滿足最高行駛功率需求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車輛應(yīng)滿足載荷65%、純電動(dòng)模式40 km/h勻速行駛工況下，續(xù)航里程不少于50 km。由式(6)求出該工況下車輛平均需求功率P1，則電池的平均放電功率Pb，可通過下式計(jì)算。

(8)

式中：ηb為電池能量傳遞環(huán)節(jié)的效率，一般取0.97。

根據(jù)續(xù)航里程需求，可算出所需的能量W0。

(9)

式中：Pb為電池的平均放電率，kW·h;t為續(xù)航時(shí)間，h;S為續(xù)航里程，km;v為平均行駛速度,km/h。

ISG系統(tǒng)選用的是磷酸鐵鋰電池。實(shí)際運(yùn)行中，電池一般能以2C倍率持續(xù)放電，或以3C以上倍率峰值放電。結(jié)合上述的電機(jī)峰值功率需求，選出推薦的磷酸鐵鋰電池配置參數(shù)如表5。

3 整車仿真驗(yàn)證

整車動(dòng)力性仿真分別在純電動(dòng)、混動(dòng)、二者疊加的峰值模式下，結(jié)合公交循環(huán)工況，通過MATLAB來(lái)完成。中國(guó)典型城市的公交循環(huán)工況如圖4所示，主要性能指標(biāo)仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

表5動(dòng)力系統(tǒng)選型結(jié)果表
Table5Power system selection result table

屬性數(shù)值/類型持續(xù)放電/kW75/2C峰值放電/kW>150/3C電壓范圍/V500～600總能量/(kW·h)50

圖4 中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況Fig 4 Typical bus cycle in Chinese cities

圖5 系統(tǒng)最大輸出扭矩曲線Fig 5 System maximum output torque curve

圖7 急加速仿真曲線Fig 7 Simulation curve of rapid acceleration

經(jīng)濟(jì)性仿真按照CCBC工況進(jìn)行，仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。其中，圖8中的層疊工況是將CCBC工況進(jìn)行拆分后，每個(gè)工況仿真結(jié)果的疊加，目的是為了便于觀察工況需求分布。

圖8 工況需求功率分布Fig 8 Distribution of power demand under operating conditions

圖9 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分布Fig 9 Drive motor speed torque distribution

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分布Fig 10 Engine speed torque distribution

整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，整車百公里油耗為14.929 6 L，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果 Fig 11 Fuel economy simulation results

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配選型與仿真驗(yàn)證工作。結(jié)合CCBC工況，著重分析各零部件的工作效率，在滿足燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)兼顧動(dòng)力性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步地仿真、分析和研究，得出該混合動(dòng)力車型的合理系統(tǒng)匹配選型；針對(duì)城市客車運(yùn)行立體交通、線路固定、載荷多變且時(shí)段性明顯等特點(diǎn)，提出ISG并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；通過對(duì)城市客車運(yùn)行工況特點(diǎn)的分析，得出并聯(lián)式混合動(dòng)力客車適合于在市內(nèi)低速行駛，以及頻繁地停車、啟動(dòng)、加速的復(fù)雜工況，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高；通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與電機(jī)扭矩進(jìn)行多種形式的疊加，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)效率，在滿足城市客車運(yùn)行動(dòng)力性的基礎(chǔ)上兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性；最后，仿真結(jié)果表明，該車型的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求，可以為混合動(dòng)力客車的研發(fā)工作提供參考。