基于AMESim的增程式電動公交車動力系統設計與仿真研究

袁磊 孫立清 蘇勰

（北京理工大學）

基于AMESim的增程式電動公交車動力系統設計與仿真研究

袁磊 孫立清 蘇勰

（北京理工大學）

針對純電動汽車動力電池能量密度低、續駛里程短的問題，基于BFC6110EV-2電動公交車，設計了增程式電動公交車的動力系統參數，并根據汽車設計方法對所匹配參數進行了理論校核。在AMESim軟件中利用穩態試驗數據建立了增程式電動公交車整車仿真模型，采用單點恒溫器控制策略，利用聯合仿真方法對所設計的動力系統進行了仿真驗證。結果表明，該增程式電動公交車動力系統的設計與參數匹配較合理，與傳統純電動公交車相比，其動力性及續駛里程都具有一定的優越性。

1 前言

電動汽車技術雖然能夠極大地減少燃油消耗和尾氣排放，但因其動力電池能量密度低、車輛續駛里程短，所以制約了其發展[1]。而增程式電動汽車（Range-Extended Electric Vehicle，REEV）是當車載可充電儲能系統能夠提供電能時，以純電動汽車模式運行，同時帶有一個僅當增程器能量不足時啟動工作的附加能量裝置的車輛[2]，增程器的加入很好地解決了純電動汽車存在的問題。增程式電動汽車具有低速扭矩大、高速運行平穩、制動能量回收效率高、結構簡單易維修等優勢。

以某公司生產的BFC6110EV-2電動車為原型車，采用單點恒溫器控制策略，設計增程式電動公交車動力系統參數，并采用AMESIM與Matlab/ Simulink進行聯合仿真，以驗證參數匹配的正確性及在該控制策略下車輛的動力性與續駛里程。

2 動力系統總體設計

選取發動機和電機組成增程式電動公交車的輔助動力系統（APU），整車動力系統結構如圖1所示。

該增程式電動公交車為串聯式結構[3]，以純電動汽車為基礎，由電力驅動系統、整車控制系統和輔助動力系統組成。其中發動機能量可同時流向電池和電機，此時電池起能量緩沖器的作用。

增程式電動汽車是一個多電源電力總成系統，復雜的結構決定了其傳動系統參數匹配不同于純電動汽車和內燃機汽車。在進行增程式電動汽車的整車參數匹配時，首先要以運行工況為基礎，根據動力性能指標和部件自身的技術發展水平初步確定電驅動系統的部件性能要求，再根據部件的性能對汽車的動力性能進行校核，從理論上初步評估該方案是否符合設計要求和目標，然后對電驅動系統的相關部件參數進行修正，重復以上過程，直至達到設計目標。在上述工作的基礎上再開展動力源匹配優化設計和仿真，從而完成整車系統參數匹配過程。

3 動力系統部件參數設計

BFC6110EV-2電動車的整車參數及性能指標要求如表1所列。

表1 整車參數及性能指標要求

增程式電動公交車動力系統的功率容量取決于驅動電機的功率容量，其參數的確定以滿足車輛正常行駛和動力性要求為準則：以最高車速vmax勻速行駛；在要求的最大坡道αmax上以不低于最低要求車速vmin行駛；滿足車輛起步加速性能要求，在一定時間ta內由0加速到要求車速vr。

3.1 驅動電機參數匹配

驅動電機是增程式電動公交車唯一動力驅動裝置，電機的選擇既要滿足額定功率，又要滿足最大過載轉矩和瞬時功率的要求，其額定功率可以根據車輛的動力性要求來初步確定[4]，即可由汽車動力性的評價指標來確定驅動電機額定功率。

3.1.1 最高車速要求下的驅動電機額定功率

電動汽車以最高車速vmax行駛時，所需驅動電機額定功率P1為：

式中，f為滾動阻力系數；m為整車質量；ηT為驅動電機到驅動輪的傳動效率；A為迎風面積；CD為風阻系數。

由表1可知，vmax=80 km/h，由式（1）可得額定功率P1=99.447 9 kW。

3.1.2 最大爬坡度要求下的驅動電機額定功率

某給定車速vb下電動汽車以最大爬坡能力行駛時所需驅動電機額定功率P2為：

式中，δ為旋轉質量換算系數，通過對照汽車旋轉質量系數表擬定該電動公交車的δ=1.1[5]。

將表1中相關參數與δ值代入式（3），得到如圖2所示的加速時間-需求功率曲線，增程式電動公交車滿足0～50 km/h的加速時間不大于55 s，由圖2所示曲線可得此增程式電動公交車的驅動電機峰值功率應為P3=131.734 2 kW。

式中，α為設定的最大爬坡度。

在公交車工況下，電動汽車以12 km/h的車速爬20%的坡度時，最大爬坡度下要求的驅動電機額定功率P2=141.214 7 kW。

3.1.3 最大加速度要求下的驅動電機額定功率

在加速時間ta內，電動汽車由vb加速到vf所需的驅動電機額定功率P3為：

需求的驅動電機最大功率為：

又因

式中，Pe為額定功率;λ為電機過載系數。

取λ=1.5，計算得Pe=94 kW，即需求的驅動電機額定功率Pe≥94 kW。

根據匹配要求選用JD132(A)交流異步電機作為增程式電動公交車的驅動電機，電機技術參數見表2，電機特性曲線如圖3所示。相應選擇TGN14型電機控制器，其額定功率為100 kW，額定電壓為386 V，峰值功率為150 kW，峰值電壓為460 V。

表2 電機技術參數

3.2 動力蓄電池參數匹配

3.2.1 功率與質量要求

為保證車輛的動力性，動力蓄電池的最大放電功率Pbat_max須滿足：

式中，Pmax=150kW為電機峰值功率；PA為車輛附件（包括電動空調、電動助力轉向系統、發動機冷卻風扇等）總功率；ηmc為驅動電機及其控制器效率，取值0.85。

經對BFC6110EV-2電動車實車檢測可知，車輛空調系統功率約為10kW，其它附件功率約為5 kW，則PA約為15 kW，將各數值代入式（6）得Pbat_max≥191.47 kW。

本文所選的動力電池為鋰離子電池，當其比能量We為130 Wh/kg、比功率Wp為350 W/kg時，滿足功率要求的電池組質量參數547.06 kg，滿足能量容量要求的電池組質量參數

3.2.2 能量要求

動力蓄電池還要保證電動汽車以va勻速行駛時的蓄電池純電動續駛里程為d1，其能量EB須滿足:

式中，DOD為蓄電池放電深度，取為0.7；η為系統效率（包括傳動效率、電機及控制器效率等），取值0.7。

JD132（A）交流異步電機的額定電壓為243 V，電機控制器的額定輸入電壓（DC）為386 V，電池組的電壓等級應與電機控制器的額定輸入電壓一致。則根據式（7）可計算電池組容量CE為：

增程式汽車要求電池具有較大的比能量和比功率。鋰離子電池的比能量為100～150Wh/kg，比功率為200～450W/kg，循環壽命為800～1200@80%DOD，較適合用作電動汽車和增程式電動汽車的動力電池。

基于以上計算和分析，采用錳酸鋰電池作為該車動力電池，其單體額定電壓為3.7 V，單體額定容量為100 Ah，單體質量為3.3 kg；4節單體電池并聯為一組，108組串聯，總質量為1 425.6 kg，總電壓為388.8 V，總容量為400 Ah。

3.3 增程器參數匹配

發動機和電機組成的輔助動力系統在蓄電池出現故障時應能保證車輛以va勻速行駛，即給驅動電機提供冗余功率。

增程器標定輸出功率PRE計算式為:

據統計，在北京城市工況下，非環路公交車輛的最高車速為50km/h[6]。為保證增程器有足夠的功率容量，并可快速地給電池組充電，以滿足進入鬧市區或限排區零排放純電動行駛的要求，選擇此最高車速代入式（9）來確定增程器輸出功率。通過計算可得該車以va=50 km/h行駛時增程器的功率PRE≥44.1 kW。

選擇永磁同步發電機作為輔助動力系統發電機，其額定功率為63kW，最大電流為270A，最低電壓為130 V，額定效率為88%，質量為45 kg。發電機效率特性如圖4所示。

增程式電動公交車由驅動電機而不是發動機來提供加速或爬坡的峰值功率，因此可以在減小發動機額定功率和尺寸的同時，使車輛的發動機穩定地運行在高效區。綜上所述，增程式電動公交車仍需沿用技術成熟的先進四沖程發動機。

本文選用2.2 L四沖程柴油發動機，其峰值功率為92 kW，最大轉矩為305 N·m，最低燃油消耗率為203 g/kW·h，對應的發動機功率為50.5 kW，其萬有特性如圖5所示。

當發動機額定轉速在2 000 r/min附近、負荷率約為80%時具有較低的燃油消耗率[7]。根據圖5可得到發動機高效工作點，由查表計算可得最低燃油消耗率點處油耗f為12.17 L/h，則滿足增程式電動公交車增程式續駛里程d所需的油箱容積V為：

由式（10）可得增程式續駛里程200 km所需油箱容積V=48.68 L，故選擇油箱容積為50 L。

4 參數校核及匹配結果

4.1 整車質量驗算

增程式電動汽車整車質量計算式為：

式中，mch為整車底盤與車身質量；mB為電池質量；mRE為增程器質量；mmot為驅動電機質量。

增程式電動公交車采用BFC6110EV-2電動車的底盤、車身等整車參數，經過匹配后的電機與原電機相同，變速器選用2擋變速器，mB=3.3×108×4= 1 425.6 kg；增程器中發電機質量為45 kg，發動機質量為307 kg，發動機/發電機組的連接件和支撐件質量約為10 kg，則mRE=45+307+10=362 kg；原車電池質量mB1=5.5×3×108=1 782 kg。

匹配的增程式電動公交車與原車質量差為Δm=1 425.6+362-1 782=5.6 kg，即增程式電動公交車質量與BFC6110EV-2電動車質量基本相等。

4.2 動力性能校核

4.2.1 最高車速

最高車速應滿足：

式中，nmax為電機最高轉速；r為輪胎半徑；ig2·i0為最小傳動比。

經計算得最高車速vmax≤95 km/h時滿足要求。

4.2.2 最大爬坡度

當車輛具有最大爬坡能力時，電機處于短時過載狀態，其轉矩與功率均為峰值。由表2可知最大爬坡時電機短時過載工作轉矩Tαmax=850 N·m，電機短時過載功率Pαmax=150 kW。車輛爬坡行駛時應滿足以下方程：

式中，Fα為車輛勻速爬坡時所需驅動力。

由式（13）計算可得該增程式電動公交車的最大爬坡度imax=tanαmax=20.64%，此時爬坡車速為10.89km/h。圖6為該車的驅動力—行駛阻力平衡圖，圖中行駛阻力曲線僅考慮滾動阻力Ff和空氣阻力Fw。

從圖6可看出，該車的最高車速為93.9 km/h，則對應電機工作轉速為4 373.4 r/min。

4.2.3 起步加速性能

車輛的加速性能以車輛從低速v1加速到較高車速時所需的時間來評價，車輛從靜止起步加速到50 km/h時的加速時間計算方法如下。

在車輛起步階段驅動電機轉速為電機基速，此時對應的車速應滿足：

式中，nm1為電機基速。0～vr加速時間為：

式中，Tmmax為電機瞬時最大轉矩；Tv為電機最大功率時的輸出轉矩，Tv=9549Pmmax/n，n=v·ig·i0/（0.377r）。

由式（15）計算得到0～50 km/h加速時間t= 2.087+23.817=25.904 s＜55 s，2.087 s和23.817 s分別是恒轉矩區和恒功率區的加速時間，因此，電機的機械特性滿足加速性能要求。

4.3 動力系統參數匹配結果

通過以上計算分析與校核，得到的動力系統參數匹配結果如表3所列。

表3 動力系統參數匹配結果

5 控制策略仿真驗證與結果分析

利用仿真平臺AMESIM建立增程式電動公交車的動力總成，利用仿真集成環境Simulink建立整車控制器模型，并將Simulink控制模塊導入AMESIM中，在此基礎上進行整車聯合仿真。仿真模型如圖7所示。

5.1 控制策略

5.1.1 能量管理策略

仿真所用控制策略為單點恒溫器控制策略，只針對我國典型城市公交工況進行增程式電動公交車能量管理策略研究，控制策略基本參數如表4所列[8，9]。

表4 控制策略基本參數

5.1.2 制動能量回收策略

電機最低回收轉速為500 r/min。電機制動能量回收系數為：當SOC＜40%時，回收系數為1；當40%＜SOC＜80%時回收系數為0.6；當SOC＞80%時回收系數為0。

5.2模型驗證

用BFC6110EV-2電動公交車的技術參數和試驗數據對仿真模型進行驗證，其中續駛里程和能量消耗是在半載質量和電池組放電深度為70%的條件下得出的。試驗結果與仿真結果如表5所列。

表5 試驗結果與仿真結果

由表5可知，模型仿真結果和電動公交車實際試驗結果誤差較小，說明所建立的模型是可靠的，可通過該模型來進行性能驗證。

5.2.1 動力性能驗證

通常動力性能評價考察的是車輛能夠達到的最高車速和加速性能（由低速v1加速到較高車速時所需的時間），在仿真過程中主要通過驗證整車在循環工況下車速跟隨工況的接近程度來確定。仿真時采用NEDC工況與我國典型城市公交工況進行動力性驗證，同時也可驗證動力系統控制的有效性。在我國典型城市公交工況下速度跟隨情況、實際車速與工況車速的偏差如圖8所示。

從圖8可看出，在我國典型城市公交工況下，模型的實際車速與工況車速偏差較小，說明驅動電機的參數選擇與驅動電機的轉矩控制都可滿足市區工況下的要求。

但是在我國典型城市公交工況下，最高車速沒有達到60 km/h，因此選擇模型在NEDC工況下運行，NEDC工況下整車速度跟隨情況、實際車速與工況車速的偏差如圖9所示。

從圖9可看出，實際最高車速只能達到93.54km/h，與動力性計算基本符合。由于公交車質量較大，最高速度較低，高速段加速困難，在工況的最后階段速度跟隨情況較差。

由上述可知，整車的動力性能與參數匹配計算結果一致，另外，建立的動力系統控制模塊也滿足車輛控制要求。

5.2.2 控制策略與燃油經濟性驗證

在單點恒溫器控制策略下，增程器在電量維持階段開啟，設置初始SOC為0.31，工況為我國典型城市公交工況，增程器工作區間為28%～30%，增程器輸出功率和電池組當前SOC值如圖10所示。

從圖10可看出，按照控制規則增程器在電池組SOC下降到28%時開啟，并輸出44 kW的功率；當SOC重新為30%時增程器關閉。由于制動能量回收的原因，增程器開啟前電池SOC有上升趨勢。

增程式電動公交車在電量消耗階段以純電動模式運行，為了最大限度地保證電池組穩定可靠地工作，減少電池組不一致性對整個電池組系統工作的影響，提高電池組的壽命，在實際應用中，電池組SOC應采用經濟續駛里程的工作范圍，SOC取0.95～0.25。在仿真中，以0.70為動力電池SOC初始值，連續仿真1 200 s后的結果如圖11所示。

由圖11可看出，SOC變化量為0.038 057，行駛距離為4.440 2 km，按照放電深度DOD=0.7計算，可得純電動續駛里程為81.67 km。

在增程器與蓄電池并行供電模式下，當蓄電池由初始值SOC0=0.4降低到設定下限值SOCmin=0.28時，啟動增程器以44 kW的恒功率發電。根據當時的功率需求，給電機供電的同時也會向蓄電池充電；當蓄電池由SOCmin回升至SOCmax時關閉增程器，切換到純蓄電池供電模式。為了保證在選定的仿真工況下能觀察到增程器的啟動過程，仿真時選擇初始值SOC0=0.4，比SOCmin稍大。圖12和圖13分別為我國10個典型城市公交工況下續駛里程和整車能耗的變化情況。

由圖12和圖13可看出，仿真總運行時間為13 040 s，當時間為3 128 s時，蓄電池SOC從0.40下降到0.28，總行駛里程為55.06 km，其中純電動續駛里程為12.62km，純電動電能消耗量為15.674kW·h；增程器開啟了13次，總燃油消耗量為9.46 L，循環后SOC為0.286 2。通過將蓄電池SOC的變化量換算成等效燃油消耗量，再加上發動機在工況內總的燃油消耗量，可計算出增程式電動公交車的增程續駛里程。在我國典型城市公交工況下，增程式電動公交車總的燃油消耗量、電能消耗量、純電動行駛里程和總行駛里程計算結果如表6所示。

表6 增程式電動公交車油耗、電能消耗和續駛里程

經計算，純電動行駛時電能消耗量為1.12（kW·h）/km；電量維持階段的百公里油耗為22.29 L/100 km，可求得等效百公里燃油消耗為17.71 L/100 km（使用低谷電價時水平）。

通過上述分析可知，增程式電動公交車在城市工況下節油效果明顯。

6 結束語

基于BFC6110EV-2電動公交車設計了一輛增程式電動公交車，給出了增程式電動公交車動力系統參數設計與校核方法。基于AMESim-Simulink聯合仿真平臺搭建了該電動公交車仿真模型，對定點恒溫器控制策略以及動力系統進行了仿真驗證。結果表明，在我國典型城市公交工況和NEDC工況下，增程式電動公交車動力性能良好，節油效果明顯。

1 Al-Adsani A S，Jarushi A M，Schofield N.An ICE/HPM Genera-tor Range Extender in a Series Hybrid Electric Vehicle.5th IET International Conference on Power Electronics，Machines and Drives，PEMD 2010.

2 Tate E D，Michael Harpster，Peter Savagian.The electrification of the automobile:From conventional Hybrid，to Plug-in Hybrids，to Extended-Range Electric Vehicles. SAE2008-01-0458

3宋珂，章桐.增程式純電驅動汽車動力系統研究.汽車技術. 2011（7）:14～15.

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7汽車工程手冊編委會.汽車工程手冊一設計篇.北京:人民交通出版社，2001.

8韓志杰.串聯式混合動力電動公交車動力系統設計和控制策略研究.北京:北京理工大學，2007.

9李曉英，于秀敏，李君，吳志新.串聯混合動力汽車控制策略.吉林大學學報（工學版），2005，35（2）:321～324.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年12月17日。

A Study on Design and Simulation of Powertrain for REEB Based on AMESim

Yuan Lei，Sun Liqing，Su Xie
（Beijing Institute of Technology）

To solve the problem of low capacity density of the battery pack and short driving range of battery electric vehicles，the powertrain and control strategy of a range-extended electric bus were designed based on the electric bus BFC6110EV-2.The parameters of the powertrain were verified according to vehicle design method.The bus simulation model was built with steady state database of Software AMESim.Single-point thermostat control strategy was implemented and the co-simulation method was adopted to verify the powertrain，The results show that the powertrain design and parameter matching are reasonable，they also show advantages in dynamic performance and driving range as compared with traditional battery electric bus.

Range-extended electric bus,Powertrain,Parameter design,Co-simulation

增程式電動公交車動力系統參數設計聯合仿真

U469.72

A

1000-3703（2014）08-0056-07