并联式混合动力城市客车驱动系统研究

陈　勇，俞剑斌，2，姜　涛，孙秋林

（1.福工动力技术有限公司，福建厦门361100；2.厦门理工学院，福建厦门361024）

并联式混合动力城市客车驱动系统研究

陈勇1，俞剑斌1，2，姜涛1，孙秋林1

（1.福工动力技术有限公司，福建厦门361100；2.厦门理工学院，福建厦门361024）

针对城市公交运行工况的特点，以混合动力系统为研究对象，设计集中变速电驱动的单轴并联式混合动力系统，对动力系统主要部件进行匹配与设计，并进行实车道路试验。试验表明，该方案能够实现整车的燃油经济性和动力性目标，并且成本控制合理。

并联式混合动力；城市客车；匹配设计；实车试验

随着社会的发展，城市交通变得拥堵且红绿灯较多，因此，城市客车在城市工况运行时，会频繁地制动、停车而造成燃料消耗。研究表明，城市客车运行过程中，一半以上的能量消耗于发动机怠速和行车制动。因此，设计出一套适合于城市客车运行的混合动力系统是亟需解决的问题［1］。混合动力汽车的关键是动力系统总成，该性能的好坏直接决定混合动力整车燃料经济性以及动力性的优劣。通过ISG启停功能、制动能量回收和提高传动效率来降低汽车的排放以及能耗等，是现阶段提高城市客车节能和环保的重要方案［2］。

1　整车设计方案

1.1系统构型及性能指标

本文整车构型设计如图1所示。动力系统采用单轴并联方案，包括发动机、集中变速电驱动装置和传动系统，其中集中变速电驱动装置包括主离合器、ISG电机和行星齿轮变速器。相比传统的混合动力系统，该系统采用ISG电机，去掉了发电机和电池，增加了超级电容。不仅节约了成本、减轻了整车质量，而且扩大了底盘的可布置空间；同时，采用具有连续速比变化的行星齿轮变速器，在行车过程中能够使电机和发动机更多地处于高效区间，并且能够提高制动能量回收效率。通过控制主离合器的分离与结合，能够实现多种模式的切换，以满足不同运行工况的需求，提高能量的利用效率，从而提高燃料经济性。

混合动力原型城市客车参数如表1所示；具体性能指标如表2所示。

表1　传统原型车参数

表2　混合动力城市客车开发目标

1.2整体控制方案

一般情况下，汽车由ISG电机启动并低速运行。当车速超过低速标准或超级电容SOC值低于下限值时，主离合器闭合，带动发动机到一定转速时起动发动机，由发动机单独驱动。此时控制器可根据超级电容的SOC值，决定ISG电机是否进入发电模式给超级电容充电［3］。

当整车处于加速、爬坡时，通过启动ISG电机辅助驱动和档位的切换，以保证发动机运行于高效区间。当整车处于制动回电时，根据制动工况，结合切换档位和电机的特性，合理分配电制动与机械制动扭矩，同时尽可能使电机处于高效发电区间，从而提高制动能量回收效率［4］。

2　系统主要部件设计及选型

2.1集中变速电驱动装置设计

为使集中变速电驱动装置体积比传统混合动力电机设计更加紧凑，更具成本优势，本文设计两档变速器采用行星齿轮式结构。在电机运行时，采用电动双连泵提供两档变速器的液力源动力，同时提供方向助力。通过高速电磁阀控制两档变速器实现两档切换及主离合器分合状态切换，设计的集中变速电驱动装置结构如图2所示。其中，行星变速器结构：制动器+减速行星排+离合器组成；电机动力由太阳轮输入，行星架进行动力输出。

2.1.1变速器速比确定

两档变速器速比选择主要考虑以下几个方面：一是低速档在满足纯电爬坡前提下，兼顾电机运行于纯电低速段高效区，若低速发动机介入驱动或发电时，发动机也运行于高效区；二是直接档在满足最高速度的前提下，也需要兼顾电机在混合驱动或制动回电时尽量处于电机高效区间；三是考虑两档切换时的切换时间及切换的平顺性，保证总功率输出平衡［5］。

综合以上分析并结合行星变速器结构特点，设定二档速比为1，根据公式确定一档速比Ig1：

Ig1≥mg（f×cos a+sin a）/（Tm×I0×ηt）

式中：m为整车满载质量；f为滚动阻力系数；a为最大爬坡度；Tm为发动机额定扭矩；I0为主减速比；ηt为机械传动效率。综合分析整车整体性能及成本合理化等要求，最终确定变速器一档速比为3.21。

2.1.2 ISG电机选型

根据整车最大车速要求，确定整车最大需求功率Pmax1：

根据最大爬坡度，确定整车最大需求功率Pmax2：

得到整车需求功率Pmax1=88kW，Pmax2=169kW。其中，Vmax1为最大车速；Vmax2为行驶在最大爬坡度时的最大车速。

整车需要满足平路与爬坡两种情况，保留20%的余量留与空调及附属设备消耗功率［6］，因此，整车总功率Pmax=Max（Pmax1，Pmax2）×1.2=203 kW。结合目前混合动力原型城市客车采用的147 kW发动机，电动机峰值功率Pm至少为56 kW。

再分析电机，其主要工作在启动、低速（低于20 km/h）、加速助力、爬坡助力和制动能量回收几种情况。当低速运行时，电机处于高效区间；当加速和爬坡助力时，其为发动机“削峰平谷”使发动机运行于经济区间［7］；同时考虑低速档发电时电机的工作效率，发电区间为1 000～1 800 r/min。初步选取电机参数要求：额定功率45kW，峰值功率85 kW；额定转矩365N·m，峰值转矩850N·m；额定转速1000 r/min，峰值转速2500 r/min；额定电压220V。

2.2超级电容选型

超级电容参数匹配的一般做法是：首先确定电机的最大工作电流、工作电压范围和电机的最大功率，考虑电压对超级电容寿命的影响，确定超级电容的额定电压和电压范围；然后根据纯电动行驶的能量要求来决定超级电容的能量，从而计算超级电容的容量及重量等［8］。

现选定电机驱动系统的最大工作电流为400 A，则超级电容的额定电压可计算如下：

式中：U0_bat为超级电容最低电压；Pm_max为电机驱动系统的峰值功率；Im_max为电机驱动系统的最大工作电流。

本文设定目标：在超级电容单独供电下，汽车以平均车速为20 km/h的速度纯电行驶，续驶里程为1 km，由以下公式可计算得到超级电容需求能量Emc1。

Emc1=Pmc1×t=Pmc1×（S/Vele）=0.54 kW·h

初步选定的超级电容电压工作范围：180～370 V。超级电容中共有16个单体电容，每个单体电容量为165 F，8个单体电容串联后再并联，并联后电容量为165/8× 2=41.25 F。

（3702-1802）=0.59 kW·h

式中：E为超级电容能量；C为电容量；Umax为超级电容最高工作电压；Umin为超级电容最低工作电压。因此，本文最终选定电容：超级电容型号BMOD0165P048，生产企业Maxwell，额定电压48 V，16个，单体重量7.1 kg。

3　整车试验及分析

3.1燃油经济性试验及分析

根据以上分析设计，装车并调试好，选择中国标准城市工况［9］，分别选择有换档的新型混动车、无变速器的混动车以及传统燃油客车进行油耗试验［10-11］。由于各试验车构型差异导致质量不同，为了保证一致性，分别对传统燃油车和无变速器混动车加水箱进行配重。同时试验中选用上海某油耗测试仪对油耗进行测试。试验结果如表3所示。

表3　经济型测试结果

通过试验可以看出，新型混合驱动方案相比无变速器的混合驱动方案，在增加变速器后节油率提升了9.362%；而相对传统燃油车，增加ISG电机和超级电容后，节油率提升了17.93%；节油效果明显。另外，该试验中没有考虑超级电容充电状态对总能耗的影响。为了保证试验的严谨性，在后续试验中应该加入对其的监测与分析。

3.2动力性结果分析

整车动力性试验结果：最高车速为69 km/h；在10 km/h的车速下，其爬坡度为15.5%；0～50 km/h的加速时间为24.3 s；因此，各项指标均达到设计要求。

4　结论

以基于两档自动变速器的单轴并联式混合动力系统为研究对象，对系统的超级电容、发动机、ISG电机等参数进行设计匹配。匹配完成后进行装车调试，并进行实车试验。通过3组经济性试验的对比，表明该系统方案节油效果明显；通过动力性试验，表明该方案实现了动力性目标。综上所述，该方案能够保证整车的经济性和动力性，并且成本控制合理。

［1］陆伟，谢朋朋，郭元术.大城市交通现状及解决策略［J］.交通标准化，2005，（11）：124-127.

［2］王亮.混合动力城市客车节能机理的定量分析［D］.长春：吉林大学，2006.

［3］杨芸芸，吴森，黄小枫，等.并联式混合动力车动力系统设计及仿真［J］.机械设计与制造，2010，（7）：34-37.

［4］刘炳国.插电式单轴并联混合动力城市客车驱动系统研发［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［5］熊伟威，舒杰，张勇，等.一种混联式混合动力客车动力系统参数匹配［J］.上海交通大学学报，2008，（8）：1324-1325.

［6］黄援军，殷承良，张建武，等.并联式混合动力城市城市客车动力系统参数匹配［J］.上海交通大学学报，2007，（2）：272-273.

［7］崔淑梅，葛浩，马泽涛.基于电气变速器的混合动力汽车参数匹配研究［J］.电工技术学报，2013，（2）：36-37.

［8］Y.Gao，M.Ehsani.Parametrie Design of the Traction Motor and Energy Storage for Series Hybrid Off-road and Military Vehicles［C］.IEEE Transactions 011 Power Electronics，VOL.21，NO.3，MAY 2006.

［9］潘妹月，周雅夫.城市公交车行驶工况的研究［J］.机械设计与制造，2010，（2）：263-265.

［10］张万江.城市公交车燃油消耗量测试工况研究［D］.西安：长安大学，2012.

［11］Ronald J.Krefta，Kaushik Rajashekara，Bmee Moor.Evaluation of Propulsion Drive System Technologies for Hybrid Vehicles.SAE2000-01-1532，2000.

修改稿日期：2015-04-25

Research on Parallel Hybrid Electric City Bus Powertrain System

Chen Yong1，Yu Jianbin1，2，Jiang Tao1，Sun Qiulin1
（1.Xiamen Fugong EV Tech Co.，Ltd，Xiamen 361100，China；2.Xiamen University ofTechnology，Xiamen 361024，China）

According to the characteristics of city bus operating condition，the authors take a hybrid system as the research object，design the single shaft parallel hybrid system with integrated variable speed of electric drive，design and match the main components of the power system，and make the real vehicle road test.The test show that the scheme can realize the vehicle's fuel economy，dynamic target and reasonable cost control.

parallel hybrid；citybus；match and design；real vehicle test

U469.7

B

1006-3331（2015）03-0025-03

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA111105）。

陈勇（1985-），男，工程师；硬件室主任；研究方向：新能源客车。