基于混合度的气电混合动力客车动力参数设计

吴海波，李惠林，李 欢，何 锋，李一鸣

（贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

0 引言

数据表明，每天奔驰在道路上的数量巨大的各类汽车消耗了大量的石油、天然气，同时排放大量尾气，对环境造成严重污染，混合动力汽车可有效减少汽车排放，是目前最为可行的解决方案[1]。混合动力城市客车动力参数设计直接影响客车的动力性、经济性，混合度反应了两种动力源的功率组合与分配比例，因此，混合度的设计是混合动力客车动力参数设计的基础[2,3]。混合度H是指电系统功率占动力源总功率的百分比，根据混合度大小，混合动力客车可分为电助力、双模式和续驶里程延伸三种类型[4]。

国内外学者对混合度开展了一系列研究：Atwood Paul等针对大型混合动力燃料电池越野车，通过ADVISOR软件建立不同混合度的多组模型以确定其混合度与燃油经济性之间的联系[5]。山东大学王婷婷研究发现随着混合度的变化，车辆的经济性以及排放性能变化的规律[6]。吉林大学唐磊以混合度确定为核心，并且充分考虑混合度变化所引起的整车总质量变化对车辆性能影响，针对混合动力客车动力参数进行匹配[7]。

本文针对并联式LNG/电混合动力城市客车的混合度展开研究，在满设计要求的前提下，综合考虑车辆的动力性、燃气经济性以及整车成本，选取合适的混合度，并对LNG/电混合动力城市客车的动力参数进行设计。

1 整车参数与设计要求

某型号气电混合动力城市客车为并联式结构，采用液化天然气（LNG）作为发动机燃料，参考同类型传统LNG客车的整车参数和动力性能标准，确定某型号气电混合动力客车的整车参数与动力性能要求如表1所示。

表1 整车参数与动力性能要求

2 气电混合动力客车动力参数设计

2.1 混合动力客车功率需求

汽车行驶需求的总功率等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗的功率，据此，建立功率平衡方程式(1)。

根据功率平衡方程，分别从汽车的最高车速、最大爬坡度、加速时间三个动力性指标考虑，得出混合动力城市客车的功率需求P1、P2、P3。从满足混合动力城市客车动力性角度考虑，客车功率需求为P1、P2、P3中的最大者。

根据表1中该型号混合动力城市客车的整车参数和动力性能要求，通过式(1)计算得出：最高车速条件下需求功率73.51kW，爬坡性能的设计要求有两个，分别为123.9kW和47.61kW，满足客车加速性能需要功率为152.33kW。考虑到换挡延迟时间和需要留有一定的后备功率（约20%），因此，混合动力城市客车需求总功率为185kW。

2.2 混合度边界条件设计

根据混合度定义，对于并联式混合动力客车来说，其混合度可表示为：

其中：Pm、Pe为混合动力客车电机、发动机的额定功率，kW。

由于电机的峰值功率随持续时间的变化而产生很大变化，为方便研究，选取作为最大持续功率输出的额定功率进行研究。

对于并联式混合动力城市客车，混合度最大边界值条件的确定是在动力源总功率一定的前提下发动机功率选择最小值时的混合度，发动机功率选择最小值时仍需满足稳态功率需求，包括以巡航车速行驶功率和爬坡所需功率，可根据公式(1)计算，得出该型号混合动力客车爬坡的功率需求结果为123.9kW；以续航车速行驶功率所需功率为31.89kW。为满足稳态功率需求，发动机功率需选择二者中的最大值。因此，根据公式(2)计算，该型号混合动力城市客车的混合度最大边界值条件为33%。

混合动力城市客车混合度的最小边界值条件由电机的最小功率来决定，但需要满足瞬态功率需求：单独启动发动机的能力；在坡道上单独启动整车，并达到规定车速要求。坡道启动整车可以按照式(1)计算，电机启动发动机所需功率如式(3)所示。

经过计算得，单独启动发动机所需求的电机功率为25kW，坡道起步所需的电机功率为35.7kW。为满足瞬态功率需求，电机功率选取二者中最大值。因此根据公式(2)，该型号混合动力城市客车的混合度最小边界值条件为19.3%。

2.3 最优混合度选取

图1 中国典型城市公交循环工况

根据混合度的边界条件，确定该型号并联式气电混合动力城市客车的混合度范围为19.3%～33%。为选取最优混合度，在该混合度范围内，在ADVISOR软件中建立多组混合动力城市客车模型，根据GB/T19754-2005，建立的中国典型城市公交循环工况如图1所示，在该循环工况下，对混合动力客车的动力性和燃油经济性进行仿真，仿真结果如表2所示。

表2 不同混合度下仿真结果

将仿真数据制成线图，其中“混合度-加速时间-爬坡性能”曲线如图2所示，“混合度-节气率”曲线如图3所示。根据国标规定城市客车设计中最高车速不高于70km/h，所以在混合度选取中对最高车速不予考虑。

图2 混合度-加速时间-爬坡性能曲线

图2中可见，混合度范围19%～33%内，动力性指标满足设计要求，在混合度为26%时，混合动力客车的爬坡性能最优，当混合为30%时，加速性能为最优。因此，在混合度26%～30%时，整车的动力性能最佳。

图3可见，随着混合度的增加混合动力客车的节气率也随之上升，根据设计指标要求，达到节气率35%以上，则混合度需大于25.2%。此外，电动机功率与整车价格基本符合线性关系，选用的电机功率越大，需求的电池容量、车辆的整备质量也随之增加，进而导致整车成本的提升。

图3 混合度-节气率曲线

因此，综合考虑动力性能、节气率和整车成本，该型号混合动力客车的混合度选取为26%。该型号并联式气电混合动力城市客车的动力源功率总需求为185kW，根据混合度定义，在混合度为26%的条件下，确定该车的发动机功率为137kW，电机功率为48kW。

3 气电混合动力城市客车实车试验

在实际公交工况循环下，对试验样车进行测试，同时选取车型相同、动力源总功率相似的LNG城市客车作为参照。采用公交线路运行对比的试验方法，采集两种城市客车在相同公交路线上的运行情况，某山区城市的两条典型公交路线路谱数据如表3所示。

表3 某城市不同公交线路路谱

气电混合动力城市客车与LNG燃料城市客车在A、B两条公交线路中运行，通过监控系统对测试数据的记录、汇总，结果如表4所示。

表4 实际公交工况行驶试验数据对比

从表4中可以看出，气电混合动力城市客车在公交线路A上行驶时节气率略有降低，在公交线路B上行驶时其节气率与仿真结果相近。考虑到公交线路A上坡道较多，而公交线路B与我国典型城市公交循环工况较为相似，故认为可采用混合度对城市客车进行动力参数匹配。

4 结论

针对汽车尾气排放对空气污染日益严重的局面，根据某型号并联气电混合动力城市客车动力性能设计指标，确定了该客车混合度的边界范围，通过ADVISOR软件在混合度范围内建立多组整车模型，根据不同混合度客车的动力性能和燃油经济性，选取最佳混合度，完成动力参数设计。最后在某山区城市开展实车测试，结果表明，在满足动力性能指标要求的前提下，其节气率可达到35.4%，说明从混合度的角度进行气电混合动力客车动力系统参数设计是可行的。

[1]邱国敏.汽车尾气对空气污染的危害及对策[J].工业安全与环保.2001.27(8):35-36.

[2]曾小华,王庆年,王伟华.混合动力汽车混合度设计方法研究[J].农业机械学报.2006.37(12):8-12.

[3]段俊辉.不同电功率比的混合动力城市客车经济性研究[D].武汉:武汉理工大学.2012:12-26.

[4]张旭鲜.并联式混合动力客车混合度的研究[D].长春:吉林大学.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,孙强,王凝露,闫伟,李国祥.基于重型并联混合动力车辆混合度的性能分析[J].内燃机与传动装置.2013,30(5):5-8.

[7]唐磊.基于混合度的串联混合动力客车特性参数设计[D].长春:吉林大学.2008:4-6.