插電式混合動力客車動力系統匹配與開發

趙敏，胡建成，湛先好，李松

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 整車構型選型

本文所研究的城市公交車，運行環境基本都是平緩的馬路，路線比較固定，且市內對排放性要求高；工況情況是頻繁的啟動、停車、加速、減速，而且車速一般都不高，單次行駛距離較短。串聯式結構更適合市區或市郊交通比較擁擠的區域。汽車在怠速、起步和低速等工況下可以關閉發動機，由電池組驅動汽車，效率更高，排放更低，同時串聯式結構開發成本相對比較低，市區內電力設施比較完善，便于蓄電池充電，因此確定采用如圖所示的動力系統結構。

圖1 整車構型原理圖

2 整車參數

整車基本參數如下表1所示。

目標插電式串聯混合動力公交車動力性指標如下表2所示。

表1 原車型基本參數

表2 整車性能指標

本文研究的串聯式 PHEV公交車參數匹配包括驅動電機、傳動系速比、動力電池、APU系統的選型和匹配。動力系統的匹配不僅關系到整車的成本，跟對整車的動力性和經濟性有著決定性的影響。根據車輛運行特點，應該選用高功率的電池、比容量和比能量雙高的動力電池。發動機-發電機組作為之提供電能的裝置要求較低，在滿足發電要求的前提下盡量選擇體積、質量雙小，效率較高的型號。

3 總成參數匹配

3.1 驅動電機參數

3.1.1 驅動電機的最高功率與額定功率

最高功率需要滿足的條件有最高車速、最大爬坡度和要求的加速時間。分別算出每種條件下的電機峰值功率，取最大值。

1）電機最大轉矩和額定轉矩的確定。

（1）滿足最高車速條件vmax下的最高功率：

式中，ηt：傳動效率，0.92；cD：空氣阻力系數，0.55；m：客車滿載質量，900kg；

f：滾動阻力系數，0.55；g：重力加速度，0.98m/s2；A：迎風面積，7.6m2；

當客車達到最高車速80km/h時，式3.1中的各項值如上。驅動電機最大功率為：72.8kw

（2）滿足最大爬坡度條件下的最高功率：

式中，最大爬坡度 αmax設計為 20%，此時的車速為10km/h，則帶入相關數據計算最大功率為：75.42kw

（3）滿足加速性能條件下的功率：

δ：汽車旋轉質量換算系數；If：飛輪轉動慣量，0.22kgm2；Iw：四個車輪的轉動慣量，5.6 kgm2；r：車輪滾動半徑，140mm；

帶入相關數據可以得到：pmax3為114.53kw

由于電機的最大功率必須同時滿足上述三個條件，所以：

考慮到汽車上各種電子附件的消耗，故而使總功率上浮10%-20%

那么，額定功率

式中，pe為電機的額定功率；λ為電機過載系數取為1.5

3.1.2 電機的峰值轉速與額定轉速

電動機的最高轉速不但影響混合力汽車傳動系的尺寸，而且影響電動機的扭矩。根據電動機轉速與扭矩的關系，以及相應的支撐條件，需要綜合考慮電動機的擴大恒功區系和傳動系的體積尺寸。一般情況下，永磁交流電動機的最高轉速在4000～10000r/min。

本文中用到的電機的轉速與車速的換算關系為：

將最大車速80km/h，主減速器傳動比6.333，最高檔變速器傳動比3.40476，車輪的半徑等數值帶入計算得到：

由最高轉速得到額定轉速：

3.1.3 電機的最大轉矩與額定轉矩

根據最大功率可以求得電機的最大轉矩，其公式為：

將相關數據帶入其中，可以得到最大轉矩：

額定轉矩為：

上述計算，得到電機的相關參數，列表如下：

表3 驅動電機參數表

3.2 傳動系速比的確定

傳動系速比的選擇要滿足車輛的最高車速和最大爬坡度的要求而且當車輛正常行駛時，電機要工作在高效區。

3.2.1 最小傳動比的確定

最小傳動比由最高車速確定，且此時電機的轉速達到最大：強相關數據帶入，可得：因為

3.2.2 最大傳動比的確定

最大傳動比由最大爬坡度確定，且此時電機應達到轉矩最大：帶入相關數據，可以得到：因為

3.3 動力電池的選擇

動力電池是整車的唯一動力源。電池容量越大，汽車的儲能能力越強，以純電動行駛的距離越長。但是另一方面容量大了，質量和體積也增大，對車輛的動力性和整車的布置產生不良影響。因此，要綜合考慮車輛的性能要求和電池的比功率和比能量來合理的選擇電池。鎳氫電池在比功率和比能量方面都是比較高的，尤其是比功率1350w/kg，是其他電池無法企及的。而本文中的車輛是城市公交車，啟停很頻繁，起動需要大功率放電，以便能迅速啟動，所以本文選取鎳氫電池。

電池數量的選擇要從功率需要和純電動行駛兩個方面來考慮。即，電池組的容量要滿足電動機最大輸出功率要求。

上述公式里，w0為電池組額定容量；pv為某速度行駛的電機功率；t為行駛時間；ηm為控制器效率，取值0.8；v為行駛速度；s為行駛距離。根據性能要求，車輛以40km/h勻速行駛的話，續駛里程為30km帶入相關數據，可以得到，w0=42.34kwh。

那么額定容量為：

式中UB電池組額定電壓，取為330v。單節電池電壓為7.2v，電壓變化范圍是（6.0v,9.0v），共需要80塊，分兩個電池組，串聯。

3.4 發動機-發電機系統的選擇

發電機-發動機系統是以輔助供電裝置的角色出現的，用以驅動車輛或為動力蓄電池充電，其主要的特征有：根據整車 指令，快速、穩定輸出功率；發動機工作于最佳燃油消耗/排放區。所以發電機-發動機系統的參數匹配應遵循下面的條件：

（1）使發動機工作在高效率區；

（2）單獨供電略高于滿足巡航時的要求；

當電池SOC降到下限以后，發電機-發動機系統啟動發電，此時發電機-發動機系統要滿足客車以最高車速 80km/h巡航的條件?？紤]傳遞過程的能量損失的話，取效率為 0.9.則發動機的峰值功率為：

又因為要給蓄電池充電，功率要上浮一些，所以去發動機峰值功率為88kw。發電機與發動機相匹配就可以了。額定電壓取為330v。

4 仿真驗證

為了驗證相關參數的準確性，基于AVL Cruise軟件搭建了如圖所示的仿真模型。

4.1 整車模型

建模時，主要設置的模塊有：

1）車輛模塊-在其中定義：重量、高度和風阻參數等整車參數；

2）發動機模塊-定義所有與發動機相關的數據和特性曲線；

3）動力電池模塊-設置電池組的參數和充放電電壓和SOC關系的曲線；

4）主減速器模塊-設置主減速比和輸入輸出轉動慣量；

5）駕駛員模型-定義換擋模式（手動/自動）、最大制動力、油門/離合器/制動踏板特性等。

4.2 整車控制策略

考慮到電池的荷電狀態太低會對電池有損傷，又因為本文是插電式混合動力，所以想盡量利用電網充入較為廉價的電能，減少發動機-發電機組啟動工作的頻率。盡可能的減少燃油的消耗。本文將電池的SOClow設定為50%，SOChigh設定為60%。

圖2 整車模型

當動力電池的 SOC 大于設定的低值時，如果汽車需求的功率小于動力電池所能提供的最大功率，則由動力電池單獨給驅動電機供電，此時，發動機處于停機狀態，目標功率為 0；如果汽車需求的功率大于動力電池所能提供的最大功率，則發動機-發電機組提供輔助功率，此時，發動機的目標功率為汽車的需求功率減去動力電池的最大功率。當動力電池的 SOC 達到或者小于設定的低值時，發動機-發電機組單獨給驅動電機供電，此時發動機的目標功率即為汽車的需求功率。值得注意的是，在發動機-發電機組單獨供電的模式下，為了使發動機工作在最佳燃油經濟區，汽車的需求功率是可以包含充電功率的，也就是說，發動機工作在最佳燃油經濟區，發出的功率主要用于滿足汽車行駛的功率需求，如果有富余的功率，則用于給動力電池充電。據此可以得到控制策略的流程圖，如圖3所示。

圖3 本文控制策略流程圖

4.3 經濟性仿真結果

本文研究對象為城市公交車，所選循環工況為典型城市循環工況，以此為例對整車空載、滿載、半載下的經濟性與傳統車進行了對比分析。

表4 經濟性分析對比

通過對比分析可知，空載、半載、滿載條件下經濟性都有所改善，基本達到了3%-5%的設計目標。

各工況下電池SOC的變化如圖4-6所示。

圖4 空載時電池SOC變化曲線

圖5 半載時電池SOC變化曲線

圖6 滿載時電池SOC的變化曲線

5 小結

全球能源危機、環境危機使得世界各國都非常重視節能減排的工作，汽車行業作為重要的能源消費和尾氣排放的行業首當其沖率先進行技術上的升級改造，走在節能減排的最前沿。本文就是在這種大的環境下探索城市公交車節能減排的方案：基于串聯混合動力構型完成了關鍵部件匹配，提出了整車控制策略，基于AVL cruise搭建了整車仿真模型并進行了性能仿真驗證，仿真結果表明：空載、半載、滿載條件下經濟性都有所改善，基本達到了3%-5%的設計目標。