基于工況特征的混合動力牽引車動力系統構型與參數匹配＊

熊演峰 余強 李川 閆晟煜

（1.長安大學，西安 710064；2.中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130011）

基于工況特征的混合動力牽引車動力系統構型與參數匹配＊

熊演峰1余強1李川2閆晟煜1

（1.長安大學，西安 710064；2.中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130011）

基于牽引車實際工況特征，分析了混合動力功能需求、政策法規及成本構成，提出P2構型適用于混合動力牽引車型并開展參數匹配，利用仿真軟件AVL-Cruise建立了整車性能仿真模型。仿真結果表明，混合動力系統新增成本在全生命周期內可通過節油收回，同時混合動力系統具有部分替代緩速器功能、延長制動蹄片等易損件壽命、滿足駕駛員家居用電需求等特點。

1 前言

根據《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》[1]，混合動力牽引車屬于節能汽車，不享受新能源汽車補貼，考慮牽引車油耗大，一定的節油率無論對用戶還是社會節能減排均意義重大。文獻[2-3]均對混合動力牽引車提出了構型方案，分析了節油機理和節油率，但對動力系統構型制定依據介紹較少；文獻[4]介紹了混合動力牽引用動力總成參數，并在臺架上開展了油耗與排放測試，但對混合動力功能需求與功能定義沒有闡述；國內混合動力產品與研究多集中在城市公交、城市物流、乘用車領域，對長途牽引領域混合動力系統研究較少。

為確定混合動力牽引車動力系統構型與總成參數，有必要基于目標客戶實際使用工況開展整車性能仿真計算，快速驗證動力性是否達成開發目標、經濟性上節油率與新增成本是否平衡。

2 牽引車使用特征與混合動力開發目標

2015年3月開展牽引車用戶使用調研，采集了25輛牽引車實際使用工況數據，整理歸類形成了牽引車工況特征，見表1。

表1 牽引車調查樣本工況特征

根據統計學概率分布理論[5]處理所采集的工況數據，擬合形成了牽引車在高速公路、一二級公路行駛的典型工況特征，見圖1。

圖1 牽引車實際工況特征

分析混合動力節油因素[6]，主要包括制動能量回收、發動機怠速停機及工作點優化等，比較兩個工況節油潛力，一二級公路更適合混合動力牽引車使用。考慮路況與使用特點，混合動力牽引基礎車型采用4×2驅動型式，搭載276 kW混合動力系統的整車加速性不低于搭載310 kW發動機的傳統汽車。根據《機動車強制報廢標準規定》[7]，半掛牽引車行駛700 000 km引導報廢，經濟性目標定位于700 000 km全生命周期使用成本（Total Cost of Ownership，TCO）優于傳統汽車。

3 牽引車混合動力系統構型與功能定義

3.1 牽引車混合動力系統構型

搭載混合動力系統的基礎車型技術參數與開發目標如表2所列。

表2 搭載混合動力系統的傳統車參數與動力性開發目標

由于混合動力牽引車不需要純電驅動過程中快速起機，也不需要串聯驅動功能，因此單電機混合動力構型即可滿足整車需求。單電機混合動力構型及其功能特點見表3。

表3 單電機混合動力構型及其功能特點

由表3可見，結果適用工況、制動能量回收效果、總成改動和成本等因素，因此混合動力牽引動力構型采用P2，詳見圖2。

圖2 混合動力系統P2構型

根據混合動力系統構型與整車參數，在Cruise仿真軟件中搭建混合動力牽引車整車模型，詳見圖3。

3.2 牽引車混合動力功能定義

牽引車混合動力功能定義依據是整車使用工況，表4是混合動力功能與適用工況，理論上P2構型可實現表4所示所有功能，但混合動力功能增加同時需要增加相應電動附件及相應控制策略，根據整車使用工況，制定合理的混合動力功能定義是關鍵。

根據圖1可知，牽引車行車過程中很少停車，牽引車停車起停功能取消。

圖3 混合動力牽引車整車模型

表4 混合動力功能與適用工況

牽引車行車起停功能需求分析：通過處理一二級公路牽引車實際工況數據，得到離合器實際分離工況數據，詳見表5。

表5 離合器分離工況分析統計

從節油率角度分析，行車起停策略[8]基于油門踏板、制動踏板、變速器擋位、車速等信號開發，行車起停策略中停機時間滿足下式：

式中，Tidle為停機時間；T1為車速等于0的時間；T2為因發動機水溫過低、空調使能、暖風使能等而禁止發動機停機的時間；T3為車速從發動機停機觸發限值至整車停穩的時間；T4為駕駛員從踩下離合器踏板到車輛起動（車速不為0）的時間；Nstop為起停次數。

在MATLAB/Simulink軟件中制定行車起停控制策略，封裝后嵌入至圖4所示整車物理模型中，控制策略模塊采集車輛當前狀態，判斷是否進入停機條件，當車輛滿足停機條件后，發動機停機。計算結果表明，如增加Tidle≥0 s發動機自動停機策略，節油率將增加1.1%。結合實際，策略修訂為Tidle≥10 s發動機停機，節油率增加值降至0.8%。考慮整車不匹配電加熱裝置、電動空調和不能實現可預見行駛功能，實際節油率增加值將低于0.4%～0.5%。同時為實現行車起停功能，整車需增加電動轉向泵及逆變器，預計成本增加0.7萬元。按傳統車油耗35.42 L/100 km、使用周期700 000 km、柴油6元/L、增加節油率0.5%計，預計最多可節約油費0.74萬元，從TCO角度考慮經濟性差，混合動力牽引取消行車起停功能。

純電驅動功能需求分析：混合動力車型電池電量較小，純電動續駛里程較小，為實現該功能還需增加電動附件，因此取消該功能。

停車充電功能需求分析：停車充電可分為外接充電與怠速發電兩種，一二級公路沿途很少有充電樁，因此取消外接充電功能；考慮怠速發電時發動機處于低效區，因此取消怠速發電功能。

牽引車混合動力適用功能有發動機驅動功能、行車發電功能、聯合驅動功能和再生制動功能。

4 動力系統參數匹配

4.1 電機系統匹配

電機系統匹配需確定峰值功率、峰值扭矩、電機系統常用轉速及最高轉速等主參數。參數匹配主要從驅動與制動角度分析。

a.驅動角度分析

要求搭載276 kW混合動力系統整車動力性不低于搭載310 kW發動機的傳統車，因此需要電機提供兩款發動機在各轉速下的功率與扭矩差值，詳見圖4。

圖4 276 kW與310 kW發動機外特性曲線

由圖4可知，電機峰值功率70 kW、峰值扭矩650 N·m即可滿足整車動力性要求，電機最高轉速大于發動機轉速，即電機轉速大于2 400 r/min。

b.制動角度分析在電池電量允許條件下，電機系統可替代緩速器功能。根據GB/T 12676-2014《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》中對牽引車坡路輔助制動的要求，滿載質量超過26 t的牽引車按26t計，要求匹配緩速器的整車制動性能能夠維持以30 km/h車速勻速行駛6 km的7%坡路[9]，電機功率需求如式（2）所示：

式中，m為整車質量；g為重力加速度；α為道路坡度；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為整車迎風面積；ρ為空氣密度；μa為車速；Tm為電機扭矩；n為電機轉速。

根據公式（2）計算可知，電機功率需求134 kW、峰制扭矩需求1 200 N·m。考慮發動機反拖功率和扭矩貢獻，綜合取整，電機峰值功率100 kW、峰值扭矩1 000 N·m。

4.2 電池系統匹配

電池系統匹配主要從性能需求、法規要求、電池類型角度分析。

a.性能需求角度分析

由圖1可知，運行于一二級公路常用最高車速80 km/h，電池性能應滿足車速80～0 km/h單次制動能量回收需求、0～80 km/h車速單次加速能量需求（電機提供276 kW、310 kW發動機在0～80 km/h加速時間內功率、扭矩差值，其中電機能量來自電池）、峰值充放電功率需求、法規需求。

忽略風阻、滾阻，滿載車速80～0 km/h單次制動能量回收需求公式為：

式中，Pxb為電機制動功率；ηm為電機效率；ηb為電池效率；t為制動時間。

經計算可用能量應大于2.94 kW·h。

從表2可知，搭載310 kW發動機的整車0～80 km/h加速時間60 s。電池通過電機提供0～60 s內276 kW、310 kW發動機能量輸出差值，0～80 km/h車速單次加速能量需求公式為：

式中，Ttq1為310 kW發動機扭矩；Ttq2為276 kW發動機扭矩；n為發動機轉速；t為時間。

經計算單次加速能量需求0.89 kW·h。

電池峰值充放電功率應滿足電機系統需求，電機系統效率近似認為90%，因此電池充放電峰值功率取整后應大于110 kW。

b.法規要求角度分析

根據GB/T 12676-2014要求，電池可用能量應滿足整車以30 km/h勻速行駛6 km長的7%坡路的能量需求，公式為：

式中，L為坡長；α為坡度；V為車速；Pxb為發動機反拖功率。

經計算電池總電量應大于21.59 kW·h。

c.電池類型選擇

電池壽命按照700 000 km設計，相應電量吞吐量詳見公式（6）：

式中，S為壽命要求里程；sn為典型工況里程；pn為典型工況瞬時功率需求。

經計算700 000 km電池吞吐量需求359.86 MW·h。現階段較好的三元電池、磷酸鐵鋰電池循環壽命可達4 000次[10]，現階段鈦酸鋰電池循環壽命可達20 000次、錳酸鋰可達10 000次[11]，可知，三元電池、磷酸鐵鋰電池類型壽命無法達成，錳酸鋰電池類型可通過策略保護、電池主動均衡等手段達成，鈦酸鋰電池類型可達成。考慮鈦酸鋰電池成本較高，本次電池選擇錳酸鋰電池類型。

5 混合動力牽引性能仿真與TCO分析

5.1 性能仿真

對搭載276 kW、310 kW發動機的傳統車以及搭載276 kW混合動力系統的整車，基于Cruise仿真軟件開展動力性、經濟性分析。動力性結果詳見圖5。

從圖5可知，搭載276 kW混合動力系統整車0～80 km/h加速時間小于60 s，加速性不低于搭載310 kW發動機的傳統車，達成了開發目標。經濟性計算結果詳見表6。

圖5 不同類型整車加速性能

從表6可知，混合動力牽引車較基礎車型節油率達9.42%，700 000 km使用周期內可節約油費約13.9萬元。

表6 不同類型整車性能參數 L·100 km-1

5.2 TCO分析

牽引車混合動力系統貢獻主要體現在節油、延長制動系統壽命、改善駕駛員生活條件、發動機小型化、部分替代緩速器上。

a.對節油率貢獻

牽引車混合動力系統新增成本主要由電機系統、電池系統、整車控制器、高壓系統等構成，預計增加9.9萬元左右，而混合動力牽引車基于一二級典型工況700 000 km使用周期可節約油費13.9萬元。

b.對制動系統貢獻

由表1可知，一二級公路牽引車使用工況中，減速時間比例占全工況的20.59%，其中，不同制動減速度分布詳見表7。

表7 一二級公路牽引車制動減速度分布

由表7可知，一二級公路牽引車大部分制動減速度絕對值小于0.5 m/s2；同時電機扭矩引起的制動減速度介于0.29～1.31 m/s2。因此在電池電量允許條件下，電機制動能夠覆蓋絕大多數制動需求，可延長諸如制動蹄片、離合器片、輪胎等部件壽命。

c.改善駕駛員生活條件方面貢獻

駕駛員常用用電設備主要有熱水壺、便攜式移動空調等，總用電需求2 kW左右。傳統蓄電池容量小，不能滿足家居用電需求。基于混合動力牽引動力電池方案，可滿足大部分用電需求。

d.其它貢獻

搭載276 kW混合動力系統與搭載310 kW發動機整車加速性相當，兩款發動機價格相差0.6萬元左右；電池允許前提下，混合動力系統可部分替代緩速器功能，液力緩速器價格2～3萬元。

6 結束語

a.采集了高速公路與一二級公路牽引車工況數據，擬合了Cruise仿真軟件可用的工況數據，提出混合動力牽引車更適用于一二級公路工況。

b.在Cruise仿真軟件中搭建了整車物理模型并開展性能仿真，結果表明，搭載276 kW混合動力系統整車加速性能不低于搭載310 kW發動機傳統車，節油率較基礎車達9.42%。

c.分析得出，混合動力系統新增成本遠低于牽引車700 000 km使用周期內節約油費。

綜上所述，基于工況特征的混合動力牽引車動力系統構型與參數匹配，達成了預期性能指標，為后續產品開發提供了理論依據和匹配方法。

1 中華人民共和國國務院.節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）[R]北京：2012.

2 G?tz Freiherr von Esebeck,Anton Müller,Stefan Kerschl,Johannes Peteranderl.E-Mobility for Commercial Vehicles-Today and in Future[C].23rd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2014.Page:1225-1244.

3 Ir.Guus,J.C.M.Arts.Hybrid Technology for Heavy Duty TrucksProc[C].Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik 08.-10.Oktober 2012.Page:1225-1232.

4 Thomas Achenbach.Benefits and Requirements of the Hybridization of Euro VI Diesel Engines in Commercial Vehicles[R]Viana.Germany：The 2014 thirty-fifth International Symposium WEIYANA car.

5 張建偉，李孟良，艾國和，張富興，朱西產.車輛行駛工況與特征的研究 [J]汽車工程，2005，27（2）：220-224.

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7 中華人民共和國商務部.機動車強制報廢標準規定[R]北京：2013.

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9 GB12676-2014.商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法[S].

10 寧德時代新能源科技股份有限公司.CATL磷酸鐵鋰電池產品平臺及優勢[R].北京：2016.

11 微宏動力系統(湖州)有限公司.從用戶角度思考動力電池系統設計[R].北京：2016.

Configuration and Parameter Matching of Hybrid Tractor Powertrain System Based on Operating Characteristics

Xiong Yanfeng1,Yu Qiang1,Li Chuan2,Yan Shengyu1
（1.Chang'an University,Xi'an 710064；2.China FAW Co.,Ltd New Energy Research Institute,Changchun 130011）

The hybrid functional requirements,policies and regulations,as well as cost structure were analyzed based on actual working conditions of tractor,and it was proposed that P2 configuration was a suitable solution for hybrid tractor,and parameter matching was conducted.Vehicle performance simulation model was built based on the simulation software AVL-Cruise.The results show that the incremental cost of the hybrid power system can be recovered by fuel saving in the whole lifecycle.Meanwhile,the hybrid system has other advantages as followed:the system can to partially take the place of retarder,prolong the life of consumable components such as brake shoes,and meet the home power demand of the driver.

Hybrid traction,Configuration of power system,Parameter matching,Operating characteristics

混合動力牽引 動力系統構型 參數匹配 工況特征

U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）12-0023-05

國家自然科學基金-青年項目（51507013）。

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2017年8月1日。