基于混合度的氣電混合動力客車動力參數設計

吳海波，李惠林，李 歡，何 鋒，李一鳴

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

數據表明，每天奔馳在道路上的數量巨大的各類汽車消耗了大量的石油、天然氣，同時排放大量尾氣，對環境造成嚴重污染，混合動力汽車可有效減少汽車排放，是目前最為可行的解決方案[1]。混合動力城市客車動力參數設計直接影響客車的動力性、經濟性，混合度反應了兩種動力源的功率組合與分配比例，因此，混合度的設計是混合動力客車動力參數設計的基礎[2,3]。混合度H是指電系統功率占動力源總功率的百分比，根據混合度大小，混合動力客車可分為電助力、雙模式和續駛里程延伸三種類型[4]。

國內外學者對混合度開展了一系列研究：Atwood Paul等針對大型混合動力燃料電池越野車，通過ADVISOR軟件建立不同混合度的多組模型以確定其混合度與燃油經濟性之間的聯系[5]。山東大學王婷婷研究發現隨著混合度的變化，車輛的經濟性以及排放性能變化的規律[6]。吉林大學唐磊以混合度確定為核心，并且充分考慮混合度變化所引起的整車總質量變化對車輛性能影響，針對混合動力客車動力參數進行匹配[7]。

本文針對并聯式LNG/電混合動力城市客車的混合度展開研究，在滿設計要求的前提下，綜合考慮車輛的動力性、燃氣經濟性以及整車成本，選取合適的混合度，并對LNG/電混合動力城市客車的動力參數進行設計。

1 整車參數與設計要求

某型號氣電混合動力城市客車為并聯式結構，采用液化天然氣（LNG）作為發動機燃料，參考同類型傳統LNG客車的整車參數和動力性能標準，確定某型號氣電混合動力客車的整車參數與動力性能要求如表1所示。

表1 整車參數與動力性能要求

2 氣電混合動力客車動力參數設計

2.1 混合動力客車功率需求

汽車行駛需求的總功率等于機械傳動損失與全部運動阻力所消耗的功率，據此，建立功率平衡方程式(1)。

根據功率平衡方程，分別從汽車的最高車速、最大爬坡度、加速時間三個動力性指標考慮，得出混合動力城市客車的功率需求P1、P2、P3。從滿足混合動力城市客車動力性角度考慮，客車功率需求為P1、P2、P3中的最大者。

根據表1中該型號混合動力城市客車的整車參數和動力性能要求，通過式(1)計算得出：最高車速條件下需求功率73.51kW，爬坡性能的設計要求有兩個，分別為123.9kW和47.61kW，滿足客車加速性能需要功率為152.33kW。考慮到換擋延遲時間和需要留有一定的后備功率（約20%），因此，混合動力城市客車需求總功率為185kW。

2.2 混合度邊界條件設計

根據混合度定義，對于并聯式混合動力客車來說，其混合度可表示為：

其中：Pm、Pe為混合動力客車電機、發動機的額定功率，kW。

由于電機的峰值功率隨持續時間的變化而產生很大變化，為方便研究，選取作為最大持續功率輸出的額定功率進行研究。

對于并聯式混合動力城市客車，混合度最大邊界值條件的確定是在動力源總功率一定的前提下發動機功率選擇最小值時的混合度，發動機功率選擇最小值時仍需滿足穩態功率需求，包括以巡航車速行駛功率和爬坡所需功率，可根據公式(1)計算，得出該型號混合動力客車爬坡的功率需求結果為123.9kW；以續航車速行駛功率所需功率為31.89kW。為滿足穩態功率需求，發動機功率需選擇二者中的最大值。因此，根據公式(2)計算，該型號混合動力城市客車的混合度最大邊界值條件為33%。

混合動力城市客車混合度的最小邊界值條件由電機的最小功率來決定，但需要滿足瞬態功率需求：單獨啟動發動機的能力；在坡道上單獨啟動整車，并達到規定車速要求。坡道啟動整車可以按照式(1)計算，電機啟動發動機所需功率如式(3)所示。

經過計算得，單獨啟動發動機所需求的電機功率為25kW，坡道起步所需的電機功率為35.7kW。為滿足瞬態功率需求，電機功率選取二者中最大值。因此根據公式(2)，該型號混合動力城市客車的混合度最小邊界值條件為19.3%。

2.3 最優混合度選取

圖1 中國典型城市公交循環工況

根據混合度的邊界條件，確定該型號并聯式氣電混合動力城市客車的混合度范圍為19.3%～33%。為選取最優混合度，在該混合度范圍內，在ADVISOR軟件中建立多組混合動力城市客車模型，根據GB/T19754-2005，建立的中國典型城市公交循環工況如圖1所示，在該循環工況下，對混合動力客車的動力性和燃油經濟性進行仿真，仿真結果如表2所示。

表2 不同混合度下仿真結果

將仿真數據制成線圖，其中“混合度-加速時間-爬坡性能”曲線如圖2所示，“混合度-節氣率”曲線如圖3所示。根據國標規定城市客車設計中最高車速不高于70km/h，所以在混合度選取中對最高車速不予考慮。

圖2 混合度-加速時間-爬坡性能曲線

圖2中可見，混合度范圍19%～33%內，動力性指標滿足設計要求，在混合度為26%時，混合動力客車的爬坡性能最優，當混合為30%時，加速性能為最優。因此，在混合度26%～30%時，整車的動力性能最佳。

圖3可見，隨著混合度的增加混合動力客車的節氣率也隨之上升，根據設計指標要求，達到節氣率35%以上，則混合度需大于25.2%。此外，電動機功率與整車價格基本符合線性關系，選用的電機功率越大，需求的電池容量、車輛的整備質量也隨之增加，進而導致整車成本的提升。

圖3 混合度-節氣率曲線

因此，綜合考慮動力性能、節氣率和整車成本，該型號混合動力客車的混合度選取為26%。該型號并聯式氣電混合動力城市客車的動力源功率總需求為185kW，根據混合度定義，在混合度為26%的條件下，確定該車的發動機功率為137kW，電機功率為48kW。

3 氣電混合動力城市客車實車試驗

在實際公交工況循環下，對試驗樣車進行測試，同時選取車型相同、動力源總功率相似的LNG城市客車作為參照。采用公交線路運行對比的試驗方法，采集兩種城市客車在相同公交路線上的運行情況，某山區城市的兩條典型公交路線路譜數據如表3所示。

表3 某城市不同公交線路路譜

氣電混合動力城市客車與LNG燃料城市客車在A、B兩條公交線路中運行，通過監控系統對測試數據的記錄、匯總，結果如表4所示。

表4 實際公交工況行駛試驗數據對比

從表4中可以看出，氣電混合動力城市客車在公交線路A上行駛時節氣率略有降低，在公交線路B上行駛時其節氣率與仿真結果相近。考慮到公交線路A上坡道較多，而公交線路B與我國典型城市公交循環工況較為相似，故認為可采用混合度對城市客車進行動力參數匹配。

4 結論

針對汽車尾氣排放對空氣污染日益嚴重的局面，根據某型號并聯氣電混合動力城市客車動力性能設計指標，確定了該客車混合度的邊界范圍，通過ADVISOR軟件在混合度范圍內建立多組整車模型，根據不同混合度客車的動力性能和燃油經濟性，選取最佳混合度，完成動力參數設計。最后在某山區城市開展實車測試，結果表明，在滿足動力性能指標要求的前提下，其節氣率可達到35.4%，說明從混合度的角度進行氣電混合動力客車動力系統參數設計是可行的。

[1]邱國敏.汽車尾氣對空氣污染的危害及對策[J].工業安全與環保.2001.27(8):35-36.

[2]曾小華,王慶年,王偉華.混合動力汽車混合度設計方法研究[J].農業機械學報.2006.37(12):8-12.

[3]段俊輝.不同電功率比的混合動力城市客車經濟性研究[D].武漢:武漢理工大學.2012:12-26.

[4]張旭鮮.并聯式混合動力客車混合度的研究[D].長春:吉林大學.2006:5-18.

[5]Atwood Paul, Gurski Stephen, Nelson Douglas J, Wipke Keith B, Markel Tony.Degree of hybridization modeling of a hydrogen fuel cell PNGV-class vehicle.2002 Future Car Congress.2002.6.

[6]王婷婷,孫強,王凝露,閆偉,李國祥.基于重型并聯混合動力車輛混合度的性能分析[J].內燃機與傳動裝置.2013,30(5):5-8.

[7]唐磊.基于混合度的串聯混合動力客車特性參數設計[D].長春:吉林大學.2008:4-6.