插电式混合动力客车动力系统匹配与开发

赵敏，胡建成，湛先好，李松

（奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241009）

1 整车构型选型

本文所研究的城市公交车，运行环境基本都是平缓的马路，路线比较固定，且市内对排放性要求高；工况情况是频繁的启动、停车、加速、减速，而且车速一般都不高，单次行驶距离较短。串联式结构更适合市区或市郊交通比较拥挤的区域。汽车在怠速、起步和低速等工况下可以关闭发动机，由电池组驱动汽车，效率更高，排放更低，同时串联式结构开发成本相对比较低，市区内电力设施比较完善，便于蓄电池充电，因此确定采用如图所示的动力系统结构。

图1 整车构型原理图

2 整车参数

整车基本参数如下表1所示。

目标插电式串联混合动力公交车动力性指标如下表2所示。

表1 原车型基本参数

表2 整车性能指标

本文研究的串联式 PHEV公交车参数匹配包括驱动电机、传动系速比、动力电池、APU系统的选型和匹配。动力系统的匹配不仅关系到整车的成本，跟对整车的动力性和经济性有着决定性的影响。根据车辆运行特点，应该选用高功率的电池、比容量和比能量双高的动力电池。发动机-发电机组作为之提供电能的装置要求较低，在满足发电要求的前提下尽量选择体积、质量双小，效率较高的型号。

3 总成参数匹配

3.1 驱动电机参数

3.1.1 驱动电机的最高功率与额定功率

最高功率需要满足的条件有最高车速、最大爬坡度和要求的加速时间。分别算出每种条件下的电机峰值功率，取最大值。

1）电机最大转矩和额定转矩的确定。

（1）满足最高车速条件vmax下的最高功率：

式中，ηt：传动效率，0.92；cD：空气阻力系数，0.55；m：客车满载质量，900kg；

f：滚动阻力系数，0.55；g：重力加速度，0.98m/s2；A：迎风面积，7.6m2；

当客车达到最高车速80km/h时，式3.1中的各项值如上。驱动电机最大功率为：72.8kw

（2）满足最大爬坡度条件下的最高功率：

式中，最大爬坡度 αmax设计为 20%，此时的车速为10km/h，则带入相关数据计算最大功率为：75.42kw

（3）满足加速性能条件下的功率：

δ：汽车旋转质量换算系数；If：飞轮转动惯量，0.22kgm2；Iw：四个车轮的转动惯量，5.6 kgm2；r：车轮滚动半径，140mm；

带入相关数据可以得到：pmax3为114.53kw

由于电机的最大功率必须同时满足上述三个条件，所以：

考虑到汽车上各种电子附件的消耗，故而使总功率上浮10%-20%

那么，额定功率

式中，pe为电机的额定功率；λ为电机过载系数取为1.5

3.1.2 电机的峰值转速与额定转速

电动机的最高转速不但影响混合力汽车传动系的尺寸，而且影响电动机的扭矩。根据电动机转速与扭矩的关系，以及相应的支撑条件，需要综合考虑电动机的扩大恒功区系和传动系的体积尺寸。一般情况下，永磁交流电动机的最高转速在4000～10000r/min。

本文中用到的电机的转速与车速的换算关系为：

将最大车速80km/h，主减速器传动比6.333，最高档变速器传动比3.40476，车轮的半径等数值带入计算得到：

由最高转速得到额定转速：

3.1.3 电机的最大转矩与额定转矩

根据最大功率可以求得电机的最大转矩，其公式为：

将相关数据带入其中，可以得到最大转矩：

额定转矩为：

上述计算，得到电机的相关参数，列表如下：

表3 驱动电机参数表

3.2 传动系速比的确定

传动系速比的选择要满足车辆的最高车速和最大爬坡度的要求而且当车辆正常行驶时，电机要工作在高效区。

3.2.1 最小传动比的确定

最小传动比由最高车速确定，且此时电机的转速达到最大：强相关数据带入，可得：因为

3.2.2 最大传动比的确定

最大传动比由最大爬坡度确定，且此时电机应达到转矩最大：带入相关数据，可以得到：因为

3.3 动力电池的选择

动力电池是整车的唯一动力源。电池容量越大，汽车的储能能力越强，以纯电动行驶的距离越长。但是另一方面容量大了，质量和体积也增大，对车辆的动力性和整车的布置产生不良影响。因此，要综合考虑车辆的性能要求和电池的比功率和比能量来合理的选择电池。镍氢电池在比功率和比能量方面都是比较高的，尤其是比功率1350w/kg，是其他电池无法企及的。而本文中的车辆是城市公交车，启停很频繁，起动需要大功率放电，以便能迅速启动，所以本文选取镍氢电池。

电池数量的选择要从功率需要和纯电动行驶两个方面来考虑。即，电池组的容量要满足电动机最大输出功率要求。

上述公式里，w0为电池组额定容量；pv为某速度行驶的电机功率；t为行驶时间；ηm为控制器效率，取值0.8；v为行驶速度；s为行驶距离。根据性能要求，车辆以40km/h匀速行驶的话，续驶里程为30km带入相关数据，可以得到，w0=42.34kwh。

那么额定容量为：

式中UB电池组额定电压，取为330v。单节电池电压为7.2v，电压变化范围是（6.0v,9.0v），共需要80块，分两个电池组，串联。

3.4 发动机-发电机系统的选择

发电机-发动机系统是以辅助供电装置的角色出现的，用以驱动车辆或为动力蓄电池充电，其主要的特征有：根据整车 指令，快速、稳定输出功率；发动机工作于最佳燃油消耗/排放区。所以发电机-发动机系统的参数匹配应遵循下面的条件：

（1）使发动机工作在高效率区；

（2）单独供电略高于满足巡航时的要求；

当电池SOC降到下限以后，发电机-发动机系统启动发电，此时发电机-发动机系统要满足客车以最高车速 80km/h巡航的条件。考虑传递过程的能量损失的话，取效率为 0.9.则发动机的峰值功率为：

又因为要给蓄电池充电，功率要上浮一些，所以去发动机峰值功率为88kw。发电机与发动机相匹配就可以了。额定电压取为330v。

4 仿真验证

为了验证相关参数的准确性，基于AVL Cruise软件搭建了如图所示的仿真模型。

4.1 整车模型

建模时，主要设置的模块有：

1）车辆模块-在其中定义：重量、高度和风阻参数等整车参数；

2）发动机模块-定义所有与发动机相关的数据和特性曲线；

3）动力电池模块-设置电池组的参数和充放电电压和SOC关系的曲线；

4）主减速器模块-设置主减速比和输入输出转动惯量；

5）驾驶员模型-定义换挡模式（手动/自动）、最大制动力、油门/离合器/制动踏板特性等。

4.2 整车控制策略

考虑到电池的荷电状态太低会对电池有损伤，又因为本文是插电式混合动力，所以想尽量利用电网充入较为廉价的电能，减少发动机-发电机组启动工作的频率。尽可能的减少燃油的消耗。本文将电池的SOClow设定为50%，SOChigh设定为60%。

图2 整车模型

当动力电池的 SOC 大于设定的低值时，如果汽车需求的功率小于动力电池所能提供的最大功率，则由动力电池单独给驱动电机供电，此时，发动机处于停机状态，目标功率为 0；如果汽车需求的功率大于动力电池所能提供的最大功率，则发动机-发电机组提供辅助功率，此时，发动机的目标功率为汽车的需求功率减去动力电池的最大功率。当动力电池的 SOC 达到或者小于设定的低值时，发动机-发电机组单独给驱动电机供电，此时发动机的目标功率即为汽车的需求功率。值得注意的是，在发动机-发电机组单独供电的模式下，为了使发动机工作在最佳燃油经济区，汽车的需求功率是可以包含充电功率的，也就是说，发动机工作在最佳燃油经济区，发出的功率主要用于满足汽车行驶的功率需求，如果有富余的功率，则用于给动力电池充电。据此可以得到控制策略的流程图，如图3所示。

图3 本文控制策略流程图

4.3 经济性仿真结果

本文研究对象为城市公交车，所选循环工况为典型城市循环工况，以此为例对整车空载、满载、半载下的经济性与传统车进行了对比分析。

表4 经济性分析对比

通过对比分析可知，空载、半载、满载条件下经济性都有所改善，基本达到了3%-5%的设计目标。

各工况下电池SOC的变化如图4-6所示。

图4 空载时电池SOC变化曲线

图5 半载时电池SOC变化曲线

图6 满载时电池SOC的变化曲线

5 小结

全球能源危机、环境危机使得世界各国都非常重视节能减排的工作，汽车行业作为重要的能源消费和尾气排放的行业首当其冲率先进行技术上的升级改造，走在节能减排的最前沿。本文就是在这种大的环境下探索城市公交车节能减排的方案：基于串联混合动力构型完成了关键部件匹配，提出了整车控制策略，基于AVL cruise搭建了整车仿真模型并进行了性能仿真验证，仿真结果表明：空载、半载、满载条件下经济性都有所改善，基本达到了3%-5%的设计目标。