某款混合动力客车动力系统匹配及控制方案设计

兰俊福

（厦门福工动力技术有限公司，福建厦门361003）

某款混合动力客车动力系统匹配及控制方案设计

兰俊福

（厦门福工动力技术有限公司，福建厦门361003）

针对某款混合动力客车动力系统进行了基于整车系统原理架构的动力系统主要部件的参数匹配，制定了基于整车能量管理的系统控制策略，并设计了相应的控制方案。

混合动力客车；动力系统匹配；控制方案；能量管理

混合动力客车作为新能源汽车的重要组成部分，对节能减排有着重要的作用。其混合动力系统合理的参数匹配和方案设计可以有效地提高整车节油率及控制生产成本。混合动力技术日趋成熟，其系统方案和控制管理方案的技术要求也越来越高［1］。本文根据某款8.5m城市客车性能指标要求，设计以锂电池为储能基础的插电式混联混合动力系统驱动方案，并根据系统配置架构对动力系统部件进行参数合理匹配及其控制方案设计，以满足城市客车使用需求。

1　混合动力系统控制方案设计

混合动力系统控制方案设计主要包括动力系统的电气系统设计及能量分配控制策略设计。电气系统设计主要对整车控制器、动力电池、电机控制器、电机的电气连接进行分析设计；能量分配控制设计主要是针对整车的使用需求及结构原理设计，使其可工作于不同模式的控制策略。

1.1电气系统设计

动力系统的电气系统主要由整车控制器、电池管理系统、电机控制器、电机四大部分组成，设计的电气系统原理图如图1所示。

图1　电气系统原理图

整车控制器作为整个系统的核心部分，对电量进行实时监测管理，确保系统安全可靠地运行。整车系统接收到上电指令（钥匙置于ON档）后，预充接触器闭合，电池通过预充电阻对电机控制器进行预充电，预充完成之后，主接触器闭合，系统可开始运行。系统在运行过程中，整车控制器实时检测电池状态，当电池出现过压时，则断开直流接触器，截断充电回路，保证电池的安全，避免人员和车辆受到损害。整车控制器亦从CAN总线上获取电池、电机控制器的其他故障信息，系统根据发生故障等级的不同执行仪表告警、降功率、停车等处理措施。

电池管理系统（BMS）对电池组内部进行实时监测管理，保证电池使用安全和提高电池使用寿命，并分级管理电池故障和报警信息，这些信息以CAN报文的方式发送到整车总线上，供整车控制器读取并处理。

电机控制器从整车控制器获取电量，控制电机驱动和能量回收。电机控制器实时检测内部状态和电机状态，并将故障信息以CAN报文的方式发送到整车总线上，供整车控制器读取并做处理。

1.2能量分配控制策略设计

混合动力系统能量分配控制策略是整车控制策略设计的关键，混合动力系统动力主要来自于驱动电机和发动机，驱动电机具有低速恒扭矩输出、转矩响应精度高、噪声小等特点，适合作为整车起动和低速行驶的动力源；发动机怠速油耗较高，经济转速一般在其中高转速，并且在没有变速器的情况下，发动机无法单独驱动车辆运行。因此以车速为节点，可以根据发动机和驱动电机各自的性能特点，将混合动力系统划分为多种工作模式，实现有效提高整车燃油经济性的目的。本文将整车能量分配划分为以下5种工作模式:

1）纯电动驱动模式。车速在22 km/h以下，主离合器分离，发动机不进行驱动工作，单独由驱动电机驱动整车行驶。当电池SOC高于50%时，发动机不启动发电，处于熄火状态；当电池SOC低于50%时，发动机起动给电池发电。

2）并联驱动模式。车速在22 km/h以上，主离合器结合，若车速低于45 km/h，发动机与驱动电机同时驱动整车行驶。

3）纯发动机驱动模式。若车速高于45 km/h，发动机直接驱动整车行驶。

4）制动模式。若有刹车或松油门信号，且电池无过压情况，则由驱动电机切换至发电机模式回收电量到电池。

2　混合动力系统参数匹配设计

2.1混合动力系统架构

整车动力系统架构是进行动力系统参数匹配及方案设计的基础［2］。本文以设计某款8.5m混合动力客车动力系统为基础，该动力系统没有变速器，采用ISG电机与驱动电机同轴混联驱动形式，整车动力系统架构如图2所示，原理框架如图3所示。发动机与ISG电机之间使用减振器连接，ISG电机和驱动电机之间用离合器连接。驱动电机通过传动轴直接与车辆后桥相连并驱动车辆。整车控制器作为主控单元，协调控制各部件组的配电及功能指令，集成电机控制器可以同时实现对ISG电机和驱动电机的控制。

图2　动力系统架构

图3　动力系统原理框架图

2.2混合动力系统参数匹配

2.2.1驱动电机参数匹配

驱动电机主要在低速行驶、低速爬坡和起步加速的模式下工作，所以电机选择须满足车辆爬坡需求，并且有良好的扭矩表现以满足加速要求；同时由于采用同轴驱动，电机的最高转速也应满足最高车速需求。驱动电机的扭矩T、转速n及功率P需求可根据下面3个公式计算［3-5］。满载状态下的计算结果汇总如表1所示。

式中:M为整车满载状态质量，取13 000 kg；g为重力加速度，取9.81m/s2；f为滚动阻力系数，取0.012；α为满载状态下最大爬坡度，取12%（根据公路工程技术标准JTCB 01-2003对各级公路最大纵坡的规定，城市最大坡度为10.5%）；CD为迎风阻力系数，取0.55；A为迎风面积，取6m2；V为车速，最大车速69 km/h，常规车速22 km/h；r为车轮半径，取500mm；i0为主减速比，取6.14；ηt为传动系统效率，取0.95。

表1　电机参数计算输出结果汇总

根据表1的计算结果，驱动电机参数可按照以下3点进行确认:

1）将车辆在平路、常规车速下的电机转速确定为电机的额定转速，可知该电机的额定转速在700 r/min左右。

2）将车辆最高车速状态下的转速确定为电机的最高转速，可以得出该电机的最高转速在2 300 r/min左右。

3）将车辆在常规车速及最大爬坡度状态下的扭矩和功率确定为电机的峰值扭矩和电机峰值功率，可以得出该电机峰值扭矩在1 450N·m左右，峰值功率在108 kW左右，取过载系数为2，可以得出电机额定功率在50 kW左右。电机额定扭矩在750N·m左右。

通过以上分析选定某款电机，其基本参数如下:额定功率55 kW；峰值功率110 kW；额定转速700 r/min；峰值转速2 300 r/min；额定扭矩750 N·m，峰值扭矩1 500N·m。

2.2.2发动机参数计算

在确定电机参数以后，可结合动力系统驱动控制策略，以中国典型公交循环工况为目标工况，对发动机的参数进行确定［6-9］。驱动控制策略为车速在0～22 km/h时，电机单独驱动；车速在22～45 km/h时，发动机和电机共同驱动；车速在45 km/h以上时，发动机单独驱动。利用MATLAB建立动力系统驱动模型如图4所示。

图4　混合动力系统驱动模型

模型中电机特性参数选用前面所确定的，发动机参数先选用余量较大的最大功率为147 kW的某款发动机。发动机主要运行在高速工况或混合驱动工况，驱动模型在动力上要满足实际车速能够跟随上目标车速的要求。通过仿真可得出典型工况下的发动机需求功率和需求扭矩曲线如图5和图6所示。

图5　典型城市公交工况下发动机需求功率

图6　典型城市公交工况下发动机需求扭矩

从图5和图6可以看出，整车混合动力系统可以良好地跑完整车典型公交工况，而且发动机的最大需求功率为95 kW，最大需求转矩为580N·m。考虑到发动机附件消耗功率及保证整车良好动力性的功率余量，最终确定发动机的参数如下:最大功率为118 kW；经济转速范围为1 200～1 800 r/min；最大扭矩为600N·m。

2.2.3电池容量计算

本文采用功率型电池，因此主要按照续驶里程要求匹配电池电量，该车设计要求续驶里程为50 km，参照GB 18386-2005［10］，整车续驶里程按整车半载等速40 km/h行驶计算。行驶需求功率Pb可按照下式计算:

式中:V为车速，40 km/h；M为整车试验重量（载重按满载质量65%计），11 250 kg；ηmc为电机及电机控制器效率，取0.95；ηb为电池的放电效率，取0.95；其余参数与前文相同。

将数据代入公式，计算出所需电池功率Pb=19.16 kW；电池总能量W=Pb×t=Pb×S/v=23.95 kW·h（百分百电耗），即不计其它附件电耗。

3　结束语

本文所设计的混合动力系统主要应用于城市客车，对混合动力系统进行了系统主要部件参数匹配及系统控制方案设计。本文所设计的能量管理控制策略可使整车根据不同的路况在纯电动、串联、并联等不同的模式下工作，并可达到提高整车节油率的目的。该系统可通过CAN网络实时采集各部件的状态、故障信息，对不同的故障采取相应的措施，在简化电气线路结构、提高系统集成度的同时，保证系统的安全可靠性。

［1］陈清泉，孙逢春.混合电动车辆基础［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［2］赵航.混合动力电动汽车技术［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［3］陈全世.先进电动汽车技术［M］.北京:化学工业出版社，2013.［4］张爱国.插电式混合动力轿车动力总成参数匹配及控制策略研究［D］.广州:华南理工大学，2011.

［5］余志生.汽车理论［M］.5版.北京:机械工业出版社，2010.

［6］鲁统利.大客车动力与传动系统匹配技术研究［D］.上海:上海交通大学，2003.

［7］赵钱.基于诺莫图法的混合动力汽车功率匹配研究［J］.公路与汽运，2013（5）:6-8.

［8］刘玺斌.插电式混合动力城市公交大客车关键技术研究［D］.西安:长安大学，2013.

［9］陈雪荣，吴新兵，何仁，等.城际混合动力客车动力系统参数匹配及耗能特性影响因素分析［J］.公路与汽运，2016（3）.

［10］全国汽车标准化技术委员会.电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法:GB 18386-2005［S］.北京:中国标准出版社，2005:7.

修改稿日期:2016-07-22

System Match and ControlSchemeDesign of Powertrain System for a Hybrid Bus

Lan Junfu
（Xiamen Fugong EV Tech Co.，Ltd，Xiamen 361003，China）

This papermatches themain components'parameters of the powertrain system for a hybrid bus based on theprinciplearchitectureof thewholevehiclesystem.Then itmakes the system controlstrategiesbased on thewhole vehicleenergymanagement，and designs the corresponding controlscheme.

hybrid bus；powertrain systemmatch；controlscheme；energymanagement

U461.2

B

1006-3331（2016）05-0038-04

兰俊福（1987-），男，工程师；系统工程师；主要从事混合动力系统的设计开发工作。