P K6113 P HEV混合動力城市客車研發

莊 勛

（安源客車制造有限公司，江西 萍鄉 337000）

我國政府根據國情和汽車技術發展趨勢，制定了“公交優先”的電動汽車發展戰略。在公交市場上，純電動車因電池技術無法取得實質性的突破，發展比較緩慢，而混合動力客車則因政府支持發展比較迅速，較為成熟的混合動力技術客車也成為各大客車廠家競爭新能源市場的主要產品。

1 工作原理

PK6113PHEV是我公司根據市場需要，聯合南車時代研制開發的并聯式混合動力城市客車。整車動力系統主要由發動機、電機及控制器、超級電容和整車控制器（VCU）等組成，如圖1所示。

1.1 系統控制原理

車輛控制器通過采集駕駛員踏板、發動機轉速、電機轉速、檔位、離合器狀態，判斷駕駛員的駕駛意圖，并計算出目標牽引力矩，以發動機油耗最小為原則，同時參考電機外特性、發動機外特性和儲能系統的各項邊界條件，對電機和發動機進行力矩分配，最終實現電機、發動機力矩耦合，按照駕駛員的意圖驅動整車運行。

該車保留了常規機械制動的主要部件，且直接在后軸上添加了電制動，并由車輛控制器予以控制。車輛控制器的控制是基于車速和制動踏板的位置信號，而車速和制動踏板的位置信號則顯示了期望的制動強度，以及預置在車輛控制器中的制動控制策略[1]。這種制動系統的特色僅在于其電制動力是通過電氣控制的，而機械制動力則是由駕駛員通過制動踏板予以控制的。在這個系統的設計和控制中，關鍵問題是為了回收盡可能多的制動能量，應正確控制其電制動。該系統制動踏板的前段是電制動，后段氣制動也將工作，因此，駕駛員對車輛制動踏板運用的好壞是節油與否的關鍵所在[2]。由于公交車運營線路固定，因此，在制動時要有預見性。在預備進站時，提前踩制動踏板，利用制動踏板前段行程（氣制動暫時未動作）輸出電信號，使驅動電機轉變工作狀態，給超級電容充電；速度較高時，可踩下較大行程，更多地給儲能系統充電。駕駛員在正常減速時，應使用電制動來回收制動能量，停車時才使用氣制動。

1.2 工作模式

1）傳統工作模式。電機既不參與制動，也不參與驅動。當電驅動系統出現問題時，可切換到傳統的工作模式繼續工作。能量流動線路為發動機→離合器→變速器→驅動輪。

2）發動機輕載發電模式。當發動機負載較輕時，電機進入發電工況，增加發動機載荷，從而改善發動機排放，并一定程度上減少油耗。能量流動線路為發動機→離合器→變速器→驅動輪，發動機→離合器→變速器→驅動電機→電機控制器→儲能系統。

3）驅動助力模式。當電池系統或超級電容系統電能達到一定容量時，根據駕駛員的駕駛意圖，電機轉為驅動工況，為整車起步和加速提供助力，從而減少發動機的功率輸出以減少油耗。能量流動線路為發動機→離合器→變速器→驅動輪，儲能系統→電機控制器→電機→車輪。

4）電制動模式。車輛制動時，電機轉為發電工況，由電機將車輛制動時產生的制動能量轉化為電能存儲到儲能系統。這時的能量流動線路為驅動車輪→電動機→電機控制器→儲能系統。

PK6113PHEV混合動力客車為低入口柴-電混合動力系統，采用簡單易行的并聯驅動方式，適合經常加速行駛的干線城市客車或快速公交，適用于站點距離長或者具有全封閉行駛路權的公交線路[3]。

2 底盤與車身設計

2.1 整車關鍵零部件布置

PK6113PHEV型混合動力城市客車采用我公司自制的混合動力專用客車底盤，配裝玉柴YC6J190-30型發動機、美國Maxwell Technologies公司的48V/165F超級電容、湖南南車公司的TQD101永磁同步電機組成的南車電動混合動力總成。車身方面裝配的是已公告的PK6112AG3型城市客車車身。具體布置如圖2所示。

2.2 主要技術參數

2.3 整車動力匹配計算

1）發動機功率的選擇。其他計算參數：傳動效率η=0.9；迎風面積 A=7.875 m2；空氣阻力系數 Cd=0.48；滾動阻力系數 fr=0.015；最大功率：Pmax=（M×g×fr×Vmax/3600+Cd×A×V3max/76140）/η=（16500×9.8×0.015×76/3600+0.48×7.875×763/76140）/0.9=81.1 kW

發動機高效、低油耗區域位于負荷率80%～90%之間，因此，發動機實際功率應再增加15 kW；考慮對汽車動力性的要求，增加安全裕度5 kW；發動機附件消耗功率為4～10 kW（轉速為2500 r/min，最高限速2200 r/min），空調功率為10～15 kW。綜合各種因素，初步選取發動機功率為125 kW[4]。最后選定為額定功率140 kW、最大扭矩為700 N·m（轉速為1200～1700 r/min）、排量為6.5 L的YC6J190-30共軌電噴柴油機，排放達到歐Ⅲ標準，有良好的燃油經濟性[5]。

2）電動機功率的確定。由于該車的電動機只在起步、加速和爬坡時工作，所以電機功率的選擇須滿足汽車的加速要求和最大爬坡度要求。考慮到整車布置的合理性，所選電機的體積和質量不宜過大，永磁同步直流電動機具有這方面的優勢。另外，永磁直流電動機具有高功率密度、高轉速和高效率的特點[6]。以汽車V=10 km／h速度爬坡25%來計算,該車所需總共功率：

加上其它因素，初步計算整車的功率為176 kW。因此，電動機加上發動機的功率須大于180 kW，已經選定的發動機額定功率為140 kW，所以選擇驅動電機的額定功率為45 kW，峰值功率65 kW，其技術參數見表1[7]。

表1 驅動電動機的技術參數

3）儲能系統的選擇。以超級電容作為儲能系統，為電機提供儲存和能量。利用超級電容器的瞬間高功率、充電迅速、壽命長等特點來滿足電動車爬坡、加速所需的瞬間高功率，以及再生制動的高效能量反饋回收[8]。采用Maxwell電容BMOD0165 P048，數量10個，串聯連接；管理系統能夠監測這10個電容的電壓、電流和溫度，通過CAN總線上傳顯示數據及報警。

2.4 結構與性能特點

PK6113PHEV混合動力城市客車采用發動機和電動機共同驅動汽車。發動機與電動機分屬兩套系統，可分別獨立地向汽車傳動系提供轉矩。在不同的路面上，既可共同驅動，又可單獨驅動，兩者不存在能量形式的轉換，因而能量損失較少[9]。整車在結構上保留了原有的操縱機構，只是在副儀表臺處安裝了一個傳統模式開關。一旦系統出現問題，駕駛員可按下此開關切換到傳統的工作模式繼續工作。這種設計降低了駕駛員的操縱難度和工作強度，減少了操作失誤的可能性，降低了事故率。

發動機型號比傳統車要小，所以直接減少總的尾氣排放量。此外，發動機始終處于高效工作區，這也大大提高了尾氣的排放標準，同樣的發動機在混合動力工作模式下可以達到或接近下一個排入標準[10]。利用超級電容的高功率、壽命長等特點作為儲能系統，避免了中途更換電池的成本和工作難度，減少客戶在使用過程中保養的工作量和費用。

這套系統利用電機的高效率、改善發動機的不良工況以及制動能量的回收，最高可以節油30%，當然這是在實驗條件下測得的數據，實際情況依據駕駛員的駕駛習慣以及路面狀況有所不同。

3 結束語

在以能源和環保為主題的今天，低油耗、低污染的混合動力城市客車已逐漸進入人們的視野，并開始成為主流。全國各大城市對混合動力城市客車的需求與日俱增。PK6113PHEV一經推出，就受到市場的廣泛關注。通過對整車發動機、超級電容、電機進行合理匹配，整個設計方案能夠達到城市客車的功能要求，提高了車輛的動力性和經濟性。

[1]（美）Mehrdad Ehsani,Yimin Gao,Ali Emadi.現代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車——基本原理、理論和設計（原書第2版）[M].倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機械工業出版社，2010.

[2]鞏養寧，楊海波，楊競.電動汽車制動能量回收與利用[J].客車技術與研究，2006，28（3）:28-29.

[3]高宗立.XMQ6116G混合動力城市客車[J].客車技術與研究,2007，29（6）:11-13.

[4]劉濤，趙立軍，趙桂范.汽車設計[M].北京：北京大學出版社,2008.

[5]馮健璋.汽車發動機原理與汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2003.

[6]孫逢春.電動汽車[M].北京：北京理工大學出版社，1997.

[7]張汝輝.并聯混合動力城市客車實際工況的試驗與改進[J].客車技術與研究,2007，29（5）:18-21.

[8]方偉新，吳森，宗楊.超級電容與蓄電池并聯使用對混合動力公交車的改進[J].客車技術與研究，2005，27（5）:12-13.

[9]鄧亞東，高海鷗，王仲范.并聯式混合動力電動汽車控制策略研究[J].武漢大學學報，2004，(3)：139-144.

[10]王立志，李春梅.淺談黃海混聯式混合動力公交車的原理及性能[J].客車技術，2011，（1）：26-28.