混合動力客車動力系統參數匹配評價分析

郭寬友，簡曉春，游國平

(1.重慶交通大學，重慶 400074;2.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122)

單純地從混合動力客車的燃料經濟性出發，僅僅通過增加動力電池容量、更換大功率電機、提高純電動行駛車速范圍等簡單措施就可以獲得較為理想的燃料經濟性，但這樣的代價是高成本、低回報，體現不出混合動力汽車技術的先進性，展現不出其核心競爭力。我國混合動力客車技術從無到有，歷經十余年的發展，已漸入在技術路線選擇、系統匹配和控制策略等方面進行優化設計的階段。因而，從試驗分析的角度來分析動力系統的工作狀態為動力系統參數匹配的優化設計與評價提供了重要的依據，從而優化動力系統的匹配。這樣，一方面直接降低了整車動力系統的配置和整車質量，節約了成本;另一方面，由于減少了動力電池等部件的使用量，從而間接降低了電池等其他部件生產環節中所產生的工業污染。

1 混合動力客車參數

某混合動力客車動力系統設計方案如圖1所示。該系統與傳統車輛動力傳動系統相比，其不同之處是在離合器與發動機之間增加了自動控制離合器和ISG電機，系統具有純電動模式、純發動機驅動和聯合驅動、再生制動等工作模式。

該車設計的基本技術要求為:①0～50 km/h起步換擋，加速性能不超過25 s;②相比于原型車，其燃料經濟性提高30%;③最高車速和爬坡度與原型車一致。車輛主要總成配置參數見表1［1］。

圖1 某混合動力客車動力系統設計方案

表1 混合動力客車動力整車及總成參數

2 動力系統匹配計算分析

2.1 發動機選型

發動機的參數設計主要根據3個原則:① 滿足發動機單獨驅動的功率需求;②滿足整車動力性要求;③滿足整車經濟性最佳要求。

在發動機單獨驅動達到最大車速umax時計算發動機的額定功率:

取 f=0.01，mt=18000 kg，A=7.1 m2，CD=0.70，ηt=0.85作為設計參數，可得發動機需求功率Pe=83.6 kW。

以車輛20%的爬坡度作為設計要求時，發動機的最大扭矩

為提高車輛燃料經濟性，對于混合動力客車，可以設置發動機工作在較為經濟的區域。表2為車輛分別在65%和100%載荷時依據式(2)和中國典型城市公交循環工況［2］(圖2)計算的需求驅動功率區間分布，車輛最大需求功率為180 kW。

圖2 中國典型城市公交循環工況

一般內燃機工作在中等轉速和中等負荷時，其燃料經濟性最佳。依據表2的數據，若將發動機的工況設計在50～70 kW工作，即可滿足約90%的驅動需求。另外，考慮實際情況，需提供空調30 kW的功率需求，即可選擇的發動機額定功率約為100 kW。

2.2 電機參數選擇

電機的參數設計主要是通過研究電機參數對整車性能的影響，來確定電機的峰值功率、最高轉速和額定功率。

研究表明，混合動力車輛的電功率比(電機的峰值功率與車輛總功率之比)與車輛的燃料經濟性的提高基本成比例的關系，即電功率比與燃料節油率相當。欲使車輛的燃料經濟性提高30%以上，則電機的峰值功率可估計為180×30%=54 kW，當然，這僅僅是初步估算，只作為電機參數選擇的初步參考。

混合動力客車提高燃料經濟性的最為有效的措施是通過電機再生制動回收整車制動能量。而在動力電池管理系統設計時，需保證電池SOC的平衡，即可認為:電機再生制動回收的能量需滿足車輛純電動行駛的能量需求。

車輛行駛的阻力功率為

式中:m為車輛質量;g為重力加速度;i為道路坡度;δ為車輛旋轉質量轉換系數;u為車速。

根據表1的車輛參數，依據式(2)和(3)可計算出中國典型城市公交循環工況下車輛行駛的需求功率，如表3所示。

表2 中國典型城市公交循環工況車輛驅動需求功率分布

表3 典型工況下車輛行駛需求功率分段統計(65%載荷)

結合表3中的計算統計數據，若選擇最大功率為Pm_max=30 kW的電機，制動需求功率在30 kW以內時，電機可吸收全部制動能量，而在需求制動功率大于30 kW時，電機只吸收30 kW部分能量，因此該工況下的最大能耗節約率為

式中:ηm為電機平均效率，取85%;ηb為電池充電平均效率，取95%。同理，若選擇電機的最大功率為Pm_max=50 kW時，能耗節約率為

因此，欲達到提高燃料經濟性30%的目的，可選擇電機的峰值功率Pm_max=50 kW，同時考慮混合動力客車其他節油措施，如怠速起停、發動機運行區域優化等措施，基本可實現30%的燃料節油率目標。研究表明，并聯式混合動力汽車的電機峰值功率一般為額定功率的1.5～2.0倍，因此，電機的額定功率可選擇為25～33 kW。

2.3 動力電池組參數

動力電池組參數的確定主要包括電池電壓和電池容量的選擇。通常應根據電池供應商提供的單體電池參數(如內阻、充放電功率、最大電流等)來確定電池組的總容量及連接方式。混合動力客車在無確定純電動續駛里程設計要求時，通常以電池組的功率要求為出發點進行電池參數的設計。因此，電池主要作用是為電機提供足夠的輸出功率，同時存儲回收的能量。為此電池放電功率PB必須滿足:

以某鋰離子單體電池平均內阻R0=20 mΩ估算，其單體電池的最大放電功率可用式(4)估算［3］。

式中:Pbmax為單體電池最大放電功率(W);Ub為單體電池額定電壓(V);R0為單體電池放電內阻(Ω)。代入數據，可得所需要的單體電池個數為

在車用電池的使用過程中，電池的最大電流不應超過200 A，根據Pm_max確定電池的電壓等級V0應滿足如下關系式［4］:

統計表明，采用串并聯結構的混合動力客車以及純電動客車的電壓主要在350～650 V［4］。因此，需要的串接電池組數為N=U/Ub=350/3.2=109，取偶數為110組。如每3個單體電池為一組，則單體電池總數為330個，不滿足電機功率的需求，因此，至少應每4個單體并聯為一組，方可滿足電機功率的需求，即電池組的額定電壓U=110×3.2=352 V，總單體電池數為 110 ×4=440個。

3 動力系統匹配試驗

3.1 發動機選型

圖3為該混合動力客車以65%的載荷在典型城市循環工況下進行燃料消耗量測試時的發動機的狀態監控數據。圖4為根據發動機的實時監控數據而進行的發動機負荷率分布統計特性。

從圖3和圖4可以得知:

1)在20%以內的發動機低負荷區域，占發動機總運行時間的60.0%，如區域A。

2)在60% ～80%的中等負荷區域，占發動機運行總時間比率僅為9.3%，發動機的效能沒有充分發揮，如區域B。

3)在40% ～60%的低負荷率區域，占發動機運行總時間比率為18.8%，而在80% ～100%的高負荷區域，僅占總時間的2.2%，因此可進一步降低發動機的功率。

圖3 發動機運行區域分布

圖4 發動機運行負荷率分布時間統計

3.2 電機選型

圖5為根據該混合動力客車電機的狀態監控數據而繪制的電機運行區域分布。圖6為根據電機的實時監控數據得到的功率時間分布統計特性。

圖5 電機運行區域分布

圖6 電機運行功率分布時間統計特性

從圖5和圖6可以得知:

1)在20 kW以內的電機低負荷低效區域，占總運行時間的75.1%，即電機絕大部分時間運行在低負荷區域。

2)在40～60 kW的電機額定功率也僅占6.2%，可見電機運行在高效工作區域的時間較少。

3)在80～100 kW的高負荷區域也僅占電機總運行時間的0.2%，即電機大功率的優勢特點沒有得到較好的利用。

3.3 動力電池容量

圖7為試驗過程中的動力電池SOC的時間歷程。

圖7 動力電池SOC時間歷程

從圖7中可以得知，在該試驗循環過程中，SOC最小為51%，最大為53%，兩者偏差值僅為2%。對于該混合動力客車，SOC的變化區間的設計值為40%～60%，而造成SOC變化區間非常小的原因為可能為:①動力電池的容量選擇過大，可大幅度減小;②電機沒有充分發揮作用，且負荷率偏低。

4 結論

1)典型城市循環工況下的車輛行駛需求功率特性分析能較好地運用于車輛動力總成的選型設計。

2)該混合動力客車的動力系統的發動機和電機功率余量匹配偏大，可大幅度降低電機功率，從而可降低電池總容量的要求。

3)隨著混合動力客車動力系統匹配和控制策略的進一步優化，該車的成本可大幅度降低。

［1］國家客車質量監督檢驗中心.混合動力客車定型試驗報告［R］.H1266，2009.

［2］中華人民共和國國家標準.GB/T 19754—2005重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［3］莊建兵.超輕度混合動力傳動系統匹配控制及仿真研究［D］.重慶:重慶大學，2007.

［4］初亮.混合動力總成的控制算法和參數匹配研究［D］.長春:吉林大學，2002.

［5］葉磊，游國平.基于多種循環工況的混合動力客車制動能量回收對燃油經濟貢獻率的研究［J］.客車技術與研究，2011(2):13－15.

［6］高鋒，張強，嚴臣樹，等.基于電壓的微混蓄電池狀態監測技術［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010(12):1－5.

［7］歐健，熊峰.并聯混合動力汽車起步過程TCS研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2011(11):1－6.

［8］游國平，陳德兵，郭寬友.混合動力客車循環工況下燃料經濟性分析［J］.客車技術與研究，2011(2):16－18.

［9］游國平，郭寬友，陳德兵，等.混合動力客車技術路線分析［J］.客車技術與研究，2010(3):1－4.