油电混合商用车动力系统匹配设计研究及应用

徐世福 梁帅 孙哲 靳永刚

（1. 陕西保利特种车制造有限公司 西安710200; 2. 陕汽集团商用车有限公司 宝鸡722405）

主题词：HEV 驱动电机 动力电池 自动变速器 分动器 整车控制器

缩略语

1 前言

随着现代汽车工业的发展，人们对环境保护的意识日益提高。随着汽车网联化、智能化、电动化和共享化发展，对车辆智能化的要求和对车辆经济性要求相应提高。尤其是由于一些特殊作业的需求，对车辆电力需求的加大，油电混合动力商用车可以很好地满足这些需求，混合动力商用车具有动力性好、排放低、油耗低、无需外部充电、无需建基础设施、自充电、自备移动电源和燃油经济性好的特点，车辆起步、加速由电机辅助驱动，也可由电池供电，实现电机单独驱动，从而使车辆实现排放低、动力性强和噪音低。发展混合动力汽车技术是商用车实现低碳化的重要技术方向之一。

2 油电混合商用车动力系统匹配

2.1 油电混合动力商用车基本参数及设计要求

油电混合动力（HEV）系统主要由发动机、自动离合器、发电驱动一体电机组（ISG）、自动变速器（AMT）、驱动桥、磷酸铁锂动力电池和电池控制器构成，混合动力系统构架见图1，整车基本参数见表1。两套动力总成系统可以分别独立地驱动汽车，动力可以互相叠加输出，也可以单独输出驱动。

图1 油电混合商用车动力系统构架

表1 油电混合商用车整车基本性能及设计参数

2.2 发动机的匹配计算

油电混合动力系统中的发动机决定着整车动力性能和经济性能。根据商用车的最高车速、最大爬坡度及最大加速度要求选择发动机。

2.2.1 满足最高车速的功率需求

油电混合动力商用车最高车速持续正常运行最高功率为：

式中，P为最高车速时消耗的功率；为最高车速；为整车总质量；为重力加速度；为滚动阻力系数；C为风阻系数；为迎风面积；η为传动系统总效率。

当以最高车速100 km/h行驶时，通过计算得到所需的最大功率为160 kW。

2.2.2 满足最大爬坡能力的功率需求

车辆最大爬坡度下需要的最大功率为：

式中，P为最大功率；为坡度角；为最低速度。

当以车速大于10 km/h（坡度60%）行驶时，通过计算得到所需要的功率为255 kW。

2.2.3 满足加速时间要求的功率需求

从0～50 km/h的功率需求为：

式中，P为滚动阻力功率；P为空气阻力功率；P为加速阻力功率；为车速；为旋转质量换算系数；d/d为加速度。

2.2.4 计算结果

当车辆从0加速到50 km/h，通过计算得到所需的功率为200 kW。

根据整车性能设计要求，选择发动机功率取最大值，即：

发动机的基本参数见表2。

表2 发动机基本参数

为了满足整车性能要求，同时考虑到商用混合动力车附加功率需求，主要包括电动转向泵功率、电动气泵功率、AMT 电动换挡机功率、空调压缩机功率后的整车总功率需求是298 kW。

2.3 驱动电机的匹配计算

永磁同步驱动电机具有效率高、节能性好、转矩大、驻坡启动比较容易、平滑调速、操作平稳、体积小和重量轻、功率密度高、维修简单的特性，因此永磁同步电机是驱动电机的最佳方案。

驱动电机决定着整车动力性能和经济性能。经济车速、最大爬坡度和最大加速度是选择驱动电机主要影响因素。混合动力商用车采用发动机与驱动电机共同驱动车辆的方案，发动机与驱动电机各自发挥自己的特长，同时又共同满足车辆总的性能要求。发动机至少要补充51 kW 的功率才可以满足车辆最大爬坡度的要求，驱动电机还要满足纯电驱动下最少行驶80 km的设计要求。

2.3.1 满足车辆匀速行驶能力的功率需求

车辆以50 km/h匀速行驶时驱动电机的功率为：

式中，P为匀速功率；V为匀速车速；为总质量；为重力加速度；为滚动阻力系数；C为风阻系数；为迎风面积；η为传动总效率。

通过计算得到，车辆50 km/h 匀速行驶时驱动电机所需的功率为53 kW。

2.3.2 驱动电机峰值转矩和额定转矩需求

根据车辆设计要求驱动电机峰值转矩为：

式中，为驱动电机最大扭矩，R为轮胎滚动半径，为总质量；为重力加速度；为滚动阻力系数；为最大传动比；η为传动总效率。

当以满载行驶时，驱动电机最大转矩需要936 N·m。综合考虑附件对功率的需求，额定功率确定为80 kW。

驱动电机最大转速为：

式中，为驱动电机最大转速；为最高车速；为最小传动比，为滚动半径。

通过计算可知驱动电机转速为2 500 r/min。

根据车辆设计要求，驱动电机的额定转速为：

式中，为弱磁倍率，取值范围为1.2 ～ 3.5，本方案取2.15；n为额定转速；n为峰值转速。驱动电机峰值转矩为：

式中，T峰值转矩；P为峰值功率；n为额定转速。

由公式（8）和（9）及最大功率数据，求得驱动电机最大转矩≥1 273 N·m。

根据计算及设计要求选择驱动电机参数见表3。

表3 驱动电机基本参数

2.4 AMT参数匹配

油电混合动力商用车变速器采用AMT，可以满足车辆低速爬坡、最高车速、经济高效区域运行的要求。采用永磁同步驱动电机与AMT 构成总成的传动方案,使车辆动力性强、可靠性高、电耗低，并且安全性得到显著的提升，车辆起步平稳、速比范围广、爬坡能力强，使车辆可以适应不同车速、不同工况的要求。由于匹配AMT,驾驶员操作简单、换挡变速快速准确，能够较大提升车辆的驾驶舒适性和运营效益，车辆具备限速、限扭功能，提高车辆安全性，具备发动机保护、故障诊断和离合器保护功能，6挡AMT 目前是行业主流、成熟和可靠性好的自动变速器，使用范围广，可以满足经济性、低挡良好爬坡性和高挡高速性的要求，所以选择6挡AMT 是本项目商用车最佳方案。

最大传动比主要是由最大爬坡度、地面附着率和最低稳定车速共同决定。最大传动比之和为：

式中：Σ总传动比；η为传动效率；T为最大转矩。

通过计算可知：≤5.495，≥2.541，确定总传动比Σ=26。i为最大速比；i为主减速比；主减速器的传动比为i=6.733，AMT 速比i=3.86，AMT 基本参数见表4。

表4 AMT基本参数

2.5 自动离合器的参数匹配

自动离合器可以实现发动机与ISG电机的动力断开与连接，实现动力自由切换的功能。该离合器从动盘采用先进的5 弹簧减振器设计，这样的设计使离合器刚度低，扭转角度大，减振性能更优（表5）。盖总成内置自调节机构，自动提供磨损补偿，从而可以延长离合器使用寿命。离合器产品采用高强度冲压件作为离合器盖板，采用可靠的膜片弹簧设计，采用高性能摩擦材料以及先进的减振器结构，保证了产品性能和可靠性。

表5 自动离合器速基本参数

2.6 分动器的参数匹配

分动器主要作用是将AMT 输出的动力分配到不同的驱动桥，达到输出驱动力的目的。根据整车桥荷承载扭矩、轴荷承受扭矩和不同工况来确定分动器基本参数（表6）。

表6 分动器基本参数

3 动力电池的参数匹配

磷酸铁锂电池具有电压高、密度大、循环次数高、安全性高、自放电率小的特点。选取的动力电池组参数和性能对车辆动力性和续驶里程影响非常大。动力电池组的主要参数有电压等级、额定容量、充放电倍率和温度使用范围参数，其数值的确定取决于电池的功率因素和能量因素,在选定动力电池组的高压平台等级时,不仅要兼顾电机和其它辅助电器件的电压范围相一致，还要保证动力电池组的放电功率能够达到驱动电机工作时所需功率的要求，还要满足车辆设定的续驶里程需求。

3.1 动力电池组容量计算

动力电池组的容量需要综合考虑车辆设定的行驶里程需要消耗的能量，比功率、比能量、能量效率、自放电水平和循环寿命是选择动力电池的重要参数。

一般情况下先按照车辆以50 km/h速度匀速行驶80 km 工况下整车消耗的能量来确定，此时整车的功率需求为：

式中，=50 km/h。

根据整车其它参数，获得整车功率需求=53 kW。

动力电池组能量为：

式中，W为动力电池组实际续航能量；为续驶里程；为续驶时间；

由式（12）计算得出W=91.3 kW·h；

式中，W按照消耗的电量20%计算；ξ为有效放电容量系数，按照0.8计算。

通过计算可得W=28 kW·h；

式中，W为电池组总能量；为电池组电压；为电池组容量。

计算可知电池容量=275 A·h。

3.2 动力电池组数目选择

根据锂电池的结构和特点，动力电池组一般都是由众多单体电芯通过串、并联组合的方式组成，成组后满足续驶里程时的能量为：

式中，为电池单体个数；为单体电池工作电压；为单体电池容量；η为电池组平均放电率。

动力电池的基本参数见表7。

表7 磷酸铁锂动力电池基本参数

4 整车控制系统构架设计及参数匹配

4.1 整车控制器系统参数匹配

整车一体化控制器系统根据驾驶员的驾驶意图、车辆行驶状态和整车零部件（包含AMT 自动变速箱、驱动电机、动力电池等）的运行状态，来实现车辆的自动起步、自动换挡和决定驱动电机的转矩输出、高压电的闭合和断开、驱动电机启动或者停机状态。整车控制器系统主要包括驱动电机驱动控制器、TCU、动力电池控制控制器等共9 项控制子系统（图2），实现电驱动、变速器、动力电池、电动转向助力油泵驱动、电动气泵驱动、DC/DC、绝缘监测仪、电动空调压缩机和高压仓（快充、电加热、上装的高压配电）功能。

图2 整车控制系统构架

4.1.1 ISG电机控制器电气参数

ISG电机控制器通过控制ISG电机的启动、停止、加速、减速、制动来实现对车辆的动力输出，根据ISG电机以及平台电压要求确定ISG电机控制器的技术参数，如表8所示。

表8 ISG电机控制器电气参数

4.1.2 电动转向泵控制器电气参数

电动转向泵控制器是电动助力转向系统的主要组成部分，通过电机控制器控制车辆的转向泵，按驾驶员意图控制车辆行驶方向，同时确保转向的灵活性、操控性、稳定性和舒适性。根据车辆总质量以及平台电压确定电动转向泵控制器的技术参数，如表9所示。

表9 电动转向泵控制器电气参数

4.1.3 电动空压机控制器电气参数

电动空压机控制器是通过变频控制空气压缩机来实现给车辆提供制动以及控制部件的气源。根据储气筒气压以及平台电压确定电动空压机控制器的技术参数，如表10所示。

表10 电动空压机控制器电气参数

4.1.4 DC/DC电气参数

DC/DC变换器由功率模块、驱动模块、控制模块3个部分组成，功能是为动力转向系统、空调和其它辅助设备提供所需的电源。根据车辆负载部件的电压需求和平台电压确定DC/DC变换器的技术参数，如表11所示。

表11 DC/DC电气参数

4.2 AMT控制器电气参数

AMT 自动变速器控制器（Transmission Control Unit，TCU）接受到整车控制器的信号，通过转换输出信号，通过AMT 换挡电机实现选挡、离合器分离和结合进行联合操纵，驱动换挡拨叉实现不同工况、不同车速下的自动换挡目的。AMT 系统主要包括传感器、TCU、自动离合控制、选档、换挡机构以及显示设备（图3），AMT 自动变速器控制器（TCU）电气参数见表12。传感器测试到速度、位移、温度参数，转换成信号快速传递给TCU，TCU 根据信号实现自动换挡动作。然后将计算出的结果以命令的形式发送给各执行机构，发出动作命令。TCU 控制系统主要包括系统模块、电机驱动模块、CAN 通讯模块和电源模块。减速机构采用二级齿轮减速装置，运动转换机构采用具有自锁功能的螺旋装置。换挡力在100 N至200 N之间，取最大换挡力为200 N进行计算，结合实际情况选择永磁直流电机作为执行电机。AMT 自动变速器控制器技术参数，如表12所示。

表12 AMT自动变速器控制器（TCU）电气参数

图3 AMT 系统的构架及策略

4.3 动力电池控制器电气参数

动力电池控制器通过控制动力电池，对动力电池进行系统管理及故障监测，最终转换输出不同的电压电流，将满足不同的系统的要求，动力电池控制器参数见表13。

表13 动力电池控制器参数

4.4 整车主要系统及控制器平台电压匹配

根据设计选择驱动电机的直流电压平台为540 V，电压平台电压范围为420～650 V，驱动控制器额定电压为540 V，电压范围为330～750 V，磷酸铁锂动力电池标准电压为540 V，DC/DC 电气输入/输出直流标准电压为540/12 V，电动空压机控制器直流额定电压为540 V，电动转向泵控制器直流额定电压为540 V，AMT自动变速器控制直流额定电压为24 V，电压范围为16～32 V，动力电池控制器直流电压为24 V，电压范围为16～32 V，驱动电机控制器满足驱动电机的使用设计要求，磷酸铁锂动力电池电压满足驱动电机的电压要求，电动空压机、电动转向泵电压需求分别满足控制器电压使用设计要求，AMT自动变速器、动力电池电压需求分别满足控制器电压使用设计要求，DC/DC电气输出标准电压满足整车其它系统取电需求。

5 试验验证

关于多工况油耗量的计算中采用的我国颁布的重型商用车瞬态循环工况，即C-WTVC 循环工况（GB/T 27840—2021），如图4所示。

图4 C-WTVC 循环工况[22]

试验样车进行C-WTVC 循环工况下续驶里程测试，基本性能情况如表14所示。

表14 车辆性能设计与试验对比

通过样车试验结果可知：实际验证的商用车的各项指标已经达到设计值，车辆的最高车速、最大爬坡度、加速时间指标都可以优于理论设计值，超过了车辆开发的目标值，纯电10 km/h 爬坡度与理论设计值持平，纯电动续驶里程试验值低于理论设计值，设计值与试验值重合度基本控制在3%范围以内，所有的指标满足车辆的使用要求，整车可靠性、经济性、动力性、安全性、稳定性都处于良好的水平，总体设计指标与性能满足使用要求。

6 结论

文章针对油电混合商用车使用要求，对油电混合商用车动力传动系统进行匹配设计。依据车辆性能设计要求以及工况使用要求，对发动机、驱动电机、AMT、分动器、动力电池、驱动桥进行匹配设计。为提升油电混合商用车的动力性和续驶里程，进行了驱动电机与AMT组合的动力系统匹配优化，提高了整车经济性。整车具备噪声低、可靠性高、舒适性好、动力强劲、经济性好的优势，采用低转矩、高转速电机，拓宽电机高效区，有效提高最大爬坡度，动力系统结构简单、保养维护容易、维护时间短、维护成本低。