并聯式混合動力城市客車動力系統匹配與性能仿真

李一鳴，何 鋒，蔣雪生，楊 綠

LI Yi-ming1，HE Feng1，JIANG Xue-sheng2，YANG Lv1

（1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.奇瑞萬達貴州客車股份有限公司，貴陽 550025）

0 引言

混合動力汽車采用發動機和電動機作為動力，成為解決能源危機和環境污染問題的有效手段[1,2]。發動機、動力電池、電機參數匹配結果的優劣決定著汽車的動力性和經濟性[3]。

國內外學者對混合動力汽車動力系統匹配已經開展了一系列的研究，Sheu對混合動力汽車傳動系參數匹配進行了研究，建立了混合動力汽車傳動系統參數評價方法[4]。Ehsani提出了并聯混合動力汽車的動力總成參數設計原則和匹配方法[5]。S.Rinderknecht結合變速器對混合動力電動汽車的動力參數進行匹配分析[6]。清華大學盧蘭光針對混合動力汽車提出了一種基于道路工況和整車功率需求分析的系統匹配方法[7]。重慶大學王錕應用正交試驗法，以車輛的燃油經濟性作為目標對氣電混合動力客車動力參數進行匹配與優化[8]。

本文針對山區城市道路行駛的油電混合動力客車進行研究，對其發動機、電機以及動力電池組進行了選型，對其動力系統參數進行匹配，并通過ADVISOR軟件進行仿真分析。

1 參數匹配的初始條件和要求

1.1 整車參數

某型號油電混合動力城市客車采用并聯式結構，其整車參數如表1所示。

1.2 設計目標

根據城市客車道路循環工況，并充分考慮山區道路條件，需增大車輛爬坡能力，混合動力城市客車的動力性能要求如表2所示。

表1 整車參數

表2 混合動力客車動力要求

2 動力系統參數匹配設計

2.1 發動機選型

混合動力城市客車的發動機采用柴油發動機，提供驅動力，克服客車行駛阻力，保證最高車速。

最高車速下的發動機功率計算如式(1)。

當混合動力混合客車以20km/h的速度爬坡15%時，發動機功率需求應滿足式(2)。

為滿足客車0～50km/h加速時間小于35s，發動機功率計算如式(3)。

從滿足混合動力客車動力性角度考慮，發動機功率選擇應為Pel、Pe2和Pe3中的最大者。考慮到發動機所帶的附件功率及空調負荷（約10kw），并有1%～2%的爬坡功率裕量和10%的功率裕量為動力電池組充電，因此發動機選取功率按照式(4)計算。

通過計算，并充分考慮動力性因素，混合動力城市客車發動機選擇功率為150kw。

2.2 電機選型

混合動力城市客車發動機采用永磁同步電機，由于在客車起步時發動機處于低轉速，效率低，造成高油耗和高污染，所以混合動力城市客車起步采用電機驅動。

在山區道路條件下，客車在坡道起步時，起步轉矩不僅克服傳動系統的靜態阻力和路面靜摩擦力，還要用來克服坡道阻力，起步之后立即加速，一般要求起步車速達到3km/h～5km/h，設計要求客車的最大爬坡度為20%，混合動力客車電機最大功率計算如式(5)。

根據公式(5)，計算得出混合動力城市客車電機的最大功率為59kw。

2.3 動力電池組選型

動力電池的主要作用是在車輛起步、怠速等發動機效率較低狀態下為電機提供所需能量，在減速、制動時吸收反饋能量，本混合動力城市客車選用錳酸鋰電池。

客車起步時，動力電池組以瞬間高功率的形式向電機提供電能，因此電池組的功率必須大于電機輸出的最大功率，即：

動力電池組用作峰值電源，能量不能完全地用于向驅動系傳遞功率，其SOC值在0.3～0.8之間時，內阻較小，動力電池效率較高，因此，僅有部分存儲在動力電池組的能量得到有效的應用，動力電池的容量通過能量狀態來計算，即：

因此，動力電池組的最小容量為5.5kw·h，功率為66.7kw。

3 性能仿真及結果分析

在仿真軟件ADVISOR中建立后驅并聯混合動力城市客車模型，并將匹配參數導入模型，在UDDS工況循環下進行仿真，循環工況、發動機轉速、電機轉矩以及動力電池組SOC值變化情況如圖1～圖4所示。

圖1 UDDS道路循環工況

圖2 發動機轉矩曲線

圖3 電機轉矩曲線

圖4 動力電池組SOC變化曲線

從圖1～圖4中可以看出，當道路循環工況中車速需求較大時，發動機與電機共同工作，動力電池組SOC值下降，為電機提供能量。當道路循環工況中車速需求明顯減小或制動時，電機進行根據動力電池組的SOC值情況，提供轉矩或者對動力電池進行充電。

整車性能仿真結果與設計要求對比如表3所示。

表3 整車性能仿真結果

從表3可以看出，仿真結果符合匹配設計要求。該混合動力城市客車與同型號傳統燃油客車相比，節油率可達到28.2%，具有良好的動力性和節油率。

4 結論

根據整車動力性要求，針對山區城市道路條件下某型號并聯式混合動力城市客車的動力系統進行動力系統選型和參數匹配，并通過ADVISOR軟件對該混合動力城市客車進行仿真分析，結果表明該混合動力城市客車動力性滿足設計要求，適于山區城市道路條件，且具有良好的燃油經濟性。

[1]Mehrdad Ehssani,Yimin Gao,Ali Emadi.Modern electric,hybrid electric,and fuel cell vehicles:fundamentals,theory,and design second edition[M].Taylor&Francis Group LLC,2010:11-13.

[2]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2006:58-59.

[3]景柱,符純明,干年妃.純電動汽車動力傳動系統的匹配與仿真[J].汽車工程學報.2013.3(1):54-58.

[4]Sheu K B.Analysis and evaluation of hybrid scooter transmission systems[J].Applied Energy.2007,84:1289-1304.

[5]Ehsani,M.,Yim in,Gao.Modern Electric,Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles[M].Texas A&M University,TX.US 2009.

[6]RINDERKNECHT S,MEIER T.Electric Power Train Configurations and Their Transmission Systems[C].International Symposium on Power Electronics,Electrical Drives,Automation and Motion,2010:1564-1568.

[7]吳曉剛,盧蘭光.插電式串聯混合動力汽車的系統匹配與仿真[J].汽車工程.2013.35(7):573-618.

[8]王錕.氣/電混合動力客車動力系統的參數匹配與優化研究[D].重慶:重慶大學.2010.5.