增程式電驅動城市客車的設計研究

葉衛國

Ye Weiguo

（海航神鹿新能源控股有限公司，天津 300051）

0 引言

目前由于動力鋰電池比能量較小、純電動城市客車的續駛里程難以滿足大多數城市公交車日行駛里程的需要，因而在示范應用推廣中受到一定程度的局限[1]。增程式電驅動城市客車的設計思路就是根據現有動力電池技術水平的狀況，在純電動城市客車設計的基礎上，為車輛設計加裝了一套由“內燃機+發電機”組成的車載發電機組，用于隨時為車輛補充電能，延長車輛的續駛里程，即增程式電驅動汽車。車輛可以外接插電，工作時為純電驅動，節油率可達到50%以上。我國現有城市公交客車40多萬輛，且每年都在不斷增加，一輛客車每天用油大約100 L，如全部推廣使用這樣的車型，一天就可節約燃油2萬t，節能減排效果將是非常可觀的。

1 增程式電驅動城市客車的結構特點

增程式電驅動城市客車（E-REV）除了需配備一定數量的動力電池組外，通常都搭載一個由“內燃機+發電機”組成的輔助動力系統（APU，又稱增程器）[2]。與純電動汽車和串聯式混合動力電動汽車一樣，采用純電驅動的方式工作，與純電動汽車和插電式（Plug-in）混合動力汽車一樣可以外接插電[3]。車輛結構參見圖1。

2 增程式電驅動城市客車的工作模式

增程式電驅動城市客車可按照以下3種不同模式進行工作[4]：（1）純電動工作模式。車輛晚間休班后使用外部充電樁（或普通電源插座）利用電網“谷電”為車輛進行充電。工作時車輛用動力電池組儲存的電能運行，與普通純電動汽車工作模式相同，為“零排放、零油耗、低噪聲”。此工作模式可以應用于繁華市區或者需要靜音的路段。（2）混合動力工作模式。利用車載發電機組發電提供車輛行駛所需的電能，車載動力電池組起到儲能、車輛起步、加速助力和制動能量回收的作用，與串聯式混合動力電動車工作模式相同。其另一個優點就是在特殊情況下外部無法為車輛提供電能補充的時候，車輛可以憑借此工作模式，保證車輛的出勤率。（3）增程式工作模式。當車輛使用動力電池組通過外部充電樁獲得的電能消耗至設定的SOC狀態下，車載發電機組便可自動啟動參與工作，通過燃油發電為車輛繼續提供電能，因此達到延長車輛續駛里程的目的。

3 某型增程式電驅動城市客車的設計及配置

整車外形尺寸（長×寬×高）10385×2550×3250mm，整備質量 10900 kg，最大總質量16500 kg。設計為低入口一級踏步、空氣懸掛、全承載車身結構。車載發電機組（APU，增程器）選用功率為82 kW、排量1.6L的D16TCID2柴油發動機為動力，發電機功率為45 kW。驅動電機選用直流永磁無刷電機，功率為100 kW。動力電池組選用單體容量為180 Ah的磷酸鐵鋰離子蓄電池共171只（串聯），總工作電壓547.2 V。車輛配置了電動轉向泵、電動空壓機、冷暖型電動空調和制動能量回收裝置。車輛外接充電時間＜4 h。座椅布置為31+1座，最大乘員70人。設計純電動行駛里程120 km，續駛里程＞300 km，最高車速70 km/h。

4 整車控制系統工作原理及控制策略簡介

該增程式電驅動城市客車整車控制系統采用兩條控制總線，一條底盤動力控制總線（CAN-bus1），另一條為車身燈光及輔助設備控制總線（CAN-bus2）。整車控制原理圖參見圖 2。

整車控制器作為整車控制的核心，采用雙路CAN接口設計，一路連接CAN-bus1，一路連接CAN-bus2。整車控制器負責監測擋位（前進、倒車、空擋）、加速踏板、制動踏板、高壓配電箱（開、閉、輔助觸點狀態）、離合器狀態信號。車輛行駛過程中，整車控制器通過開關輸入端口、模擬量轉換模塊、CAN總線等硬件線路采集路況信息、駕駛員意圖、車輛及設備運行狀態等參數，依托高速運行的CPU和控制端口來執行預設的控制算法和管理策略，再將指令和信息等通過CAN總線、開關輸出端口等對動力系統的執行部件進行實時、可靠、科學的控制[6]。

整車控制策略組成部分有：保證汽車實現前進和倒車行駛的驅動轉速控制策略；電機和動力電池組過載保護控制策略；車載發電機組控制策略；機械和電機聯合制動的制動能量回收控制策略；整車故障檢測和診斷控制策略。控制策略要求能夠較好地控制各個系統協調工作，保證動力電池組充放電的安全性，限制電機過載、高效回收制動能量，有效提高整車續駛里程，滿足車輛工作時的動力性需求[7-8]。

整車主控制程序結構參見圖 3。車載發電機組的控制策略是增程式電驅動城市客車設計的關鍵環節之一，其控制程序參見圖4。

該樣車已經通過海南國家試驗場現場實測，結果為：純電動續駛里程124.8 km，總續駛里程300 km，混合動力模式下0～50 km/h 加速時間為18.64 s，純電動模式0～50 km/h加速時間為18.62 s，最低等效總油耗[5]為26.31 L/100 km，達到了設計要求。

5 結束語

如果按照城市公交日行駛里程300 km計算，車輛每天只需充一次電，純電動行駛120 km，即可以節油40%，以串聯混合動力模式工作又可以節油20%～30%，節油率即可超出50%。如果進一步將增程式電驅動技術方案推廣應用到我國現有的100萬輛城市出租車[9]上（車輛每天行駛里程在 300～400 km），節能降耗的效果將更加可觀。增程式電驅動汽車由于具有經濟、環保、節能等諸多優點，因此，應該加快在我國公共服務領域里的推廣應用。

[1]新能源公交客車示范應用現狀和問題[oL]. http://www.cuauto.com.cn，2011-09-22.

[2]楊裕生. 增程式電動車具有較強的過渡優勢[N]. 經濟日報，2010-05-25(14).

[3]胡驊，宋慧. 電動汽車[M]. 北京：人民交通出版社，2003

[4]宋珂，章桐. 增程式純電驅動汽車動力系統研究[J]. 汽車技術，2011，（7）：14-18

[5]GB/T 19754—2005，重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法[S].

[6] 李興虎.混合動力汽車結構與原理[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[7] 安東尼·所左曼諾夫斯基. 混合動力城市公交系統設計[M]. 北京：北京理工大學出版社，2007

[8] 麻友良，陳全世. 混合動力電動汽車的發展[J]. 公路交通科技，2001，（1）：77-80

[9]歐陽明高. 我國節能與新能源汽車發展戰略與對策[J]. 汽車工程，2006，（4）：317-321