插电式纯电驱动社区巴士的开发

李中延，熊金峰，邓忠伟

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026）

插电式纯电驱动社区巴士的开发

李中延，熊金峰，邓忠伟

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州215026）

结合当前的新能源技术与市场需求，介绍一款插电式纯电驱动社区巴士的总体情况，论述其整车动力系统及控制策略的匹配设计，并通过对样车的道路测试，验证设计方案的正确性。

社区巴士；插电式纯电动；动力系统；匹配设计

整车新产品的开发主要从概念设计到产品设计、工艺设计到生产制造，包含了整个过程中各业务部门责任和活动的全部［1］。相对于乘用车，客车具有开发周期短、工艺设计简单，而生产成本高等特点。所以客车开发能够快速把握市场需求，及时地推出相符的产品。本文结合新能源市场需求，运用简单成熟的串联混合动力系统，开发一款插电式纯电驱动社区巴士。

1　社区巴士总体介绍

在人口密集的老城区和一些大型社区，受道路限制，不适合采用大型客车，迫切需要一种中小型的大容量客车解决“最后一公里”交通的问题。如图1所示，苏州360路公交线全长5.3 km。采用“微循环”公交模式，具有站距密、车型小、路线短等特点，在位置偏远的小区设置，效率更高，可以把这些区域的乘客集中送到公交线网更密集的站点。

针对一些区域难以被公共交通覆盖，造成交通出行不便的情况，“微循环”公交模式考虑了公交无障碍化，提高上下车速度，适应人口老龄化趋势。同时，社区巴士瞄准国际上的先进水平，采用低地板、独立悬架配置，通过加大轴距来增加载客容量，社区巴士应具有狭窄道路的通过能力，故要求其转弯半径小，机动性强［2］。

图1　苏州微循环公交360线路图

根据市场需求，我司开发了一款低地板、大容量的插电式串联混合动力社区巴士。图2显示了该车的动力系统结构，其中控制部件包括整车控制器VCU、电机控制器DM、电池管理系统BMS、发动机控制器ECU；驱动部件采用单电机串联驱动，储能系统采用功率型电池组。整车的能量流为发动机→发电机→电池组→驱动电机→车轮，其主要特点有［3］:发动机工况可指定，有利于排放与节能；发动机起停易实现；车辆平顺性好；能量转换环节多，转换效率低。

图2　动力系统结构

在串联系统中，发动机产生的功率只用于发电，因此发动机和发电机的位置可以根据实际空间要求，选择合适的位置安装。如图3所示，为方便安装，发动机和发电机采用偏置布置的方式。

图3　动力系统布置

2　整车动力系统匹配及控制策略的设计

2.1整车动力参数的设计

动力系统参数匹配包括发动机、发电机、驱动电机和动力电池组等与整车配置的设计计算［4］。该车相关参数:整备质量M=7 400 kg，满载质量m=11 200 kg，风阻系数Cd=0.6，迎风面积A=4.5m2，滚动阻力系数f=0.01，车轮半径r=0.419m，主减速比i0=5.125，传动效率η= 0.96。该车相关的设计指标:最高车速Vmax=69 km/h，最大爬坡度i=15%，0～50 km/h加速时间t=15 s，单次充电续驶里程k=30 km。

根据整车相关参数及设计指标，可分别计算出动力系统需求的相关参数。

1）根据整车最高车速Vmax，计算最大需求功率Pmax1、驱动电机最高转速nemax和最大扭矩Temax:

2）根据最大爬坡度i，计算最大需求功率Pmax2和驱动电机最大扭矩Temax:

式中:vi为爬坡速度，取10 km/h。

3）根据加速性能，计算最大需求功率Pmax3和驱动电机最大扭矩Temax:

式中:δ为旋转质量换算系数，取1.1；dv/dt为加速度，取0.93m/s2。

通过以上公式，分别得到相应条件下的功率、转速及扭矩需求，如表1所示。整车最大需求功率Pmax为58.9 kW。

表1　整车动力需求

2.2驱动及储能部件选择

串联系统是驱动电机进行驱动，所以驱动电机功率和扭矩需大于整车最大需求功率Pmax和最大需求扭矩Tmax。根据整车动力需求，综合市场上现有的成熟产品，最终选择驱动电机额定/峰值功率为60/100 kW，额定/峰值扭矩为860/1 500 N·m，额定/最高转速为1 000/ 2 600 r/min。由于电池组可以储存一定的电量，用于纯电行驶。根据驱动电机参数选择发动机型号。发动机非直接驱动车辆，可以一直运行于高效区。功率选择应大于驱动电机的功率，且保证发动机工作在最佳油耗及排放区域。最终选择一款高压共轨柴油发动机，其额定扭矩为350 N·m/（2 000 r/min），额定功率为105 kW/（3 200 r/min）。运行中，发电机要产生足够的电量，功率的选择要小于发动机且比驱动电机要大一些。因此选择发电机额定/峰值功率为85/140 kW，额定/峰值扭矩为350/ 600N·m，额定/最高转速为2 300/3 600（r/min）。

串联系统对储能电池系统要求高，需要较高的充放电倍率，故选择钛酸锂电池。动力电池的电压平台需要与发电机和驱动电机保持一致，所以电池组电压选择331 V。电池组的能量需满足单次充电后的续驶里程，即30 km，该车能量消耗率约为0.4 kW·h/km，因此，该车所装备的动力电池能量应大于12 kW·h。电池组的额定容量可通过能量除以电压得到，即12 000/331≈36Ah。考虑到整车在满足规定的续驶里程后动力电池需有一定的剩余能量，故动力电池的相关参数选择如下:额定能量13.2 kW·h，额定容量40 Ah，额定工作电压331 V。

2.3整车控制策略设计

串联混合动力客车现有的控制策略主要是基于逻辑门限值控制，具体包含恒温器控制策略、发动机功率跟随控制策略、恒温器+功率跟随控制策略和发动机优化控制策略［5］。本文采用最成熟的恒温器控制策略，其原理如图4所示。

图4　恒温器控制策略

当储能系统能量状态（SOC）降到设定的低门限值，即45%时，发动机启动，并以高转速2 250 r/min运行，在最低油耗或排放点按恒功率输出，一部分功率通过驱动电机用于满足车轮驱动的功率要求，另一部分功率向储能系统充电；当储能系统SOC上升到所设定的高门限值，即70%时，发动机以低转速1 800 r/min运行，以提升效率，同时防止电池过压，因此，基于最小燃油经济性考虑，将发动机经常性工作点控制在2 000 r/min附近；当储能系统SOC上升到100%时，发动机关闭，完全由储能系统将功率传递给电动机驱动车轮［6-7］。

该策略需要储能系统能满足所有瞬时功率的要求，储能系统多次充放循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的好处；该策略对发动机比较有利而对储能系统不利［8-9］。为了提高电池组的使用效率及寿命，可使其在40%～70%SOC区间内工作，浅充浅放，同时保证制动回馈存电空间。采用发电机调速，发动机调扭的控制方式，以提升动态响应。

3　样车验证

图5为试制的样车，额定载客60人（20座位40站位）。经过实车道路测试得到样车相关性能指标见表2。

图5　样车试制

表2　样车实测性能指标

由表2所测数据表明该车所匹配的相关动力总成满足相关设计指标要求。

4　结束语

社区巴士能有效解决大型社区居民出行“最后一公里”的问题。本文针对现有的新能源技术与市场需求，介绍了一款插电式纯电驱动社区巴士车型开发的匹配设计过程。经过样车试制和验证，满足各项设计需求。在同类产品中，该车型具有较强市场竞争力，期待其未来良好的市场表现。

［1］彭剑，项娇.整车产品开发流程浅析［J］.上海汽车，2010（8）: 43-47.

［2］周文杰.大城市社区巴士的公共交通新选择［J］.客车技术与研究，2007，29（1）:53-55.

［3］袭著永.混合动力电动汽车控制策略的仿真研究及优化［D］.合肥:合肥工业大学，2005.

［4］侯赛因.纯电动及混合动力汽车设计基础:第2版［M］.林程，译.北京:机械工业出版社，2012.

［5］王岩.串联混合动力客车控制策略研究［D］.长春:吉林大学，2008.

［6］彭武，张俊智，卢青春.混合动电动公共汽车控制策略的仿真［J］.公路交通科技，2003，20（l）:148-150.

［7］于秀敏，曹珊，李君.混合动力汽车控制策略的研究现状及其发展趋势［J］.机械工程学报，2006，42（11）:10-16.

［8］巴特.混联混合动力客车的参数匹配与控制策略研究［D］.长春:吉林大学，2012.

［9］申彩英.串联混合动力汽车能量优化管理策略研究［D］.天津:天津大学，2010.

修改稿日期:2016-07-29

Developmentof a Plug-in PureElectric Community Bus

LiZhongyan，Xiong Jinfeng，Deng Zhongwei
（Higer BusCompany Limited，Suzhou 215026，China）

Combiningwith the currentnew energy technology and themarket demand，the authors introduce the overall circumstancesof a plug-in pure electric community bus，discuss thematching design of the vehicle powertrain system and control strategy，and through the road testof the sample bus，they verify the correctnessof the design scheme.

community bus；plug-in pureelectric；powertrain system；matchingdesign

U469.72；U463.23

B

1006-3331（2016）05-0016-03

李中延（1965-），男，硕士；高级工程师；主要从事客车技术研发和管理工作。