并联式混合动力公交车关键零部件匹配方法研究*

李 冰

(潍坊职业学院,山东 潍坊261041)

我国为实现节能减排的可持续发展战略,在汽车领域着重推广新能源汽车技术。在当前政策法规的引导下,各个整车厂及科研院校重点关注新能源混合动力城市公交车的发展。

作为公共交通工具,城市公交车的发展趋势是逐渐淘汰小型公交车,大力发展10m以上车型。从市场情况看,12m车的市场占有率最高且比重有增加的趋势,并联技术路线是L≥11m车辆中主要的技术路线,其中单轴并联是一种常见的技术方案。采用单轴并联式结构,发动机与低速大扭矩永磁同步电机同轴布置具有结构紧凑,机械效率高和可靠性好的特点,应用颇为广泛。本文就以12m单轴并联式混合动力城市公交车为目标,研究其关键零部件匹配计算及选型方法。

1 输入数据

1.1 城市公交车设计目标

以12米混合动力公交车的设计目标作为匹配计算的重要输入(试验方法依据GB/T 19752-2005):最高车速70km/h,最大爬坡度≥20%;0～50km/h加速时间≤25s。

以12米传统城市公交车的基础参数作为计算分析的输入:基础车整备质量12500kg,满载质量18000kg,轮胎型号275/70 R22.5,轮胎半径0.4541米,轮胎行驶阻力系数0.0057+0.000084×v。

1.2 设置循环工况

仿真所用循环工况为GB/T 19754-2005中规定的中国典型城市公交循环工况,详细情况如图1所示。

1.3 建立仿真模型

使用Simulink软件建立12米城市公交车整车物理模型和控制模型,进行循环工况下的数据分析。依据车辆动力学的相关公式建立仿真模型。物理模型主要由行驶循环工况模块、轮胎模块、整车模块、差速器模块和主减模块构成。通过模拟仿真计算,可以得到该车辆数据下的循环工况对应的需求扭矩、需求转速和需求功率。[1]建立的整个仿真物理模型的示意图如图2所示。

图2 建立的仿真模型

根据建立的仿真物理模型,建立控制模型,进行计算,控制模型如图3所示,其中红色为来自仿真物理模型的输入,绿色为控制输出。

图3 控制模型

在控制模型中进行怠速、启动等各种不同模式的计算,控制逻辑模型如图4所示。

不同的模式下的驱动算法的函数模块如图5所示。

图5 驱动算法函数模块

2 分析计算

根据设计目标、基础车型数据、循环工况要求和政策要求,确定各个零部件的选型范围。

2.1 车桥

混合动力公交车传动系包括主减速器和变速箱,传动系的总传动比为主减速比和变速箱传动比的乘积。

根据发动机最大转速、整车最高车速的设计目标和整车的滚动半径,按公式(1)计算最大总传动比kmax。

式中:

nmax——发动机最大转速,r/min;

Vmax——整车设计的最高车速,km/h;

r——整车的滚动半径,m。

根据Vmax的设计目标70km/h、变速箱速比取1、nmax为2300r/min和轮胎半径0.4541m,计算车桥速比≤5.6;根据Vmax的设计目标70km/h、变速箱速比取0.78、nmax为2300r/min和轮胎半径0.4541m,计算车桥速比≤7.2;根据Vmax的设计目标70km/h、变速箱速比取0.73、nmax为2300r/min和轮胎半径0.4541m,计算车桥速比≤7.7;

根据发动机最小稳定转速、整车的最小稳定车速和整车滚动半径,按公式(2)计算最小总传动比kmin。

式中:

nmin——发动机最小稳定转速,r/min;

Vmin——整车最小稳定车速,km/h;

根据nmin一般为550r/min、600r/min、750r/min,本仿真中取nmin为800r/min。

根据Vmin为5km/h、变速箱速比取6.39、发动机转速为800r/min和轮胎半径0.4541m,计算车桥速比≥4.3;

根据Vmin为5km/h、变速箱速比取7.08、发动机转速为800r/min和轮胎半径0.4541m,计算车桥速比≥3.9;

综上所述,推荐常用速比后桥,其速比范围[4.3,5.6]。

依据循环工况,取后桥主减的机械效率为0.98,仿真得到主减输入端的最大功率为140kW。因此,要求后桥主减的额定输入功率≥140kW。

驱动桥所能承受的载荷要符合12m公交车的需求,即后桥载荷≥13000kg。

2.2 变速箱

根据对标车情况,选用前进挡位在5～6个的AMT变速箱。

取变速箱平均机械效率为0.95,得出主减输入端最大功率147.4kW,为满足循环工况功率需要,变速箱额定输入功率≥147.4kW。

变速箱输入端转速为发动机与电机耦合转速,因此变速箱最大输入转速≥发动机的最大转速。

2.3 发动机

根据整车最高车速的设计目标,求最高车速需求功率Pmax1。计算公式见下式(3)。

式中:

Pmax1——车辆以最高车速行驶,需求的功率,kW;

Vmax——最高车速,km/h;

ηt——总传动系效率;

m——满载质量,kg;

f——滚动阻力系数;

CD——空气阻力系数;

A——迎风面积,m2。

根据最高车速70km/h匀速行驶,计算得出最高车速行驶时需求功率59.24kW。

根据整车最大爬坡度的设计目标,计算最大爬坡度的需求功率Pmax2。计算公式见下式(4)。

式中:

Pmax2——车辆爬最大坡度,需求的功率,kW;

vi——爬坡车速,km/h;

ηt——总传动系效率;

m——满载质量,kg;

f——滚动阻力系数;

αmax——最大爬坡角度;

CD为空气阻力系数;

A为迎风面积,m2。

以5km/h车速爬20%的坡度,需求功率为58.21kW;以30km/h爬4%的坡,需求功率为83.2kW。

综合上述计算,考虑辅机功率消耗12kW,按照30km/h爬4%的坡,发动机提供功率应≥95.2kW,即≥129.5马力。

2.4 电机

循环工况下需要电机与发动机提供的最大总功率为147.4kW。发动机在满足辅机运行的情况下,能够提供最大功率为83.2kW,因此要求电机的峰值功率≥64.2kW。

根据《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》(财建〔2013〕551号)中要求,当前国家政策补贴对象是插电式混合动力城市公交车。

而根据《节能与新能源汽车节油率与最大电功率比检验大纲》中规定,只有满足以下两点才能认为是插电式混合动力。一是装备有可以在正常使用情况下从非车载装置中获取能量的装置;二是十米以上城市公交车的纯电动模式续驶里程不低于30km。

GB/T 18386《电动汽车能量消耗率和续驶里程检验方法》中对续驶里程试验方法有如下要求:确认车辆达到生产厂家声称的SOC状态,采用纯电动驾驶模式,在道路上进行40±2km/h的等速检验。因此,为了满足上述第二条要求,计算电机额定功率需要≥28.6kW。

电机纯电动起步运转,需要覆盖发动机的低速高油耗区,因此确定电机基速≥900r/min。电机与发动机同轴,要求电机最大转速≥发动机转速。

2.5 动力电池

动力电池通过电机控制器给电机提供电量,因此要求动力电池的输出功率与电机功率匹配。动力电池的电压与电机控制器电压相匹配。

按照插电式混合动力公交车财政补贴要求,需要动力电池配有非车载装置中获取能量的装置,同时需要车辆在40km/h下能够行驶30km。由于能量为功率和时间的乘积,通过计算,此种情况下电源系统最少应能对外提供能量≥21.5kWh。

根据动力电池电压为400V,充放电效率为97%,电池SOC使用90%,计算动力电池容量≥62Ah。

根据动力电池电压为355V,充放电效率为97%,电池SOC使用90%,计算动力电池容量≥70Ah。综上计算,要求动力电池的容量≥70Ah。

根据《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知(征求意见稿)》,纯电动行驶里程大于50km,则可以免去购置税、车船税等。此条件对电池能量提出了更高的要求,通过计算,此种情况下电源系统最少应能对外提供能量≥35.8Wh。同理,满足该项政策的情况下,要求动力电池的容量≥100Ah。

2.6 计算结论

经过上述计算,得出关键零部件主要参数范围,结果汇总见表1:

表1 关键零部件主要参数列表

3 关键零部件数据库

3.1 发动机

混合动力系统所用的发动机是将同排量传统发动机经过合理修改后的专用发动机,其最大的特点是适应频繁的起停工况。为此需要对结构进行强化,提升轴系抗扭能力、耐磨性、抗疲劳,还需要优化润滑系统。频繁起停对发动机热管理也提出了更高的要求。[2]

根据计算的发动机参数,要求发动机的功率大于95.2kW(130马力),转速大于2300r/min。根据公交公司要求,发动机排量要大于等于5L。综合考虑实际情况,发动机推荐如下几个型号:Eng5L、Eng6L和Eng7L。其具体参数见表2。

表2 发动机的参数

3.2 电机/发电机

混合动力系统中使用的电机/发电机是指具有驱动和发电功能的一体机。电机常选用永磁同步电机中的内永磁电机,具有高速时效率高,低速时效率中等,高速功率高等优点,同时成本、扭矩密度、噪音居于中等水平,是市场成熟的产品,综合各个方面是较优选择。另外,并联系统需要综合考虑电机的高效区及发动机的高效区。

按照零部件参数范围,要求电机的额定功率大于28.6kW,峰值功率大约64.2kW,基速大于900r/min。推荐以下Motor1和Motor2两款电机,如表3所示。

表3 所选电机的参数

3.3 AMT变速箱

AMT变速箱是在传统机械变速箱的基础上,添加执行机构。利用控制程序自动完成选换挡。可以减少不合理换挡对变速箱造成的损害,同时AMT在成本上具有巨大的优势。[3]当前市场上产业化的AMT变速箱主要有两款,型号定义为AMT1和AMT2,其主要性能参数如表4所示:

表4 所选变速箱的参数

3.4 动力电池

动力电池作为新能源汽车的储能动力源发挥着非常重要的作用,要评定电池的实际效应,主要是看电池的性能指标,如电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等,根据电池种类不同,其性能指标也有差异。

动力电池系统在结构上主要包括电池单体、电池模块、冷却部件(和加热部件)、电池管理系统、高压控制单元、接触器、保险、电压电流和温度传感器,这些部件共同保证电池系统工作在安全状态。

新能源汽车对电源系统的要求,[4]比能量高、比功率大、充放电效率高、相对稳定性好、使用成本低。锂离子电池在众多电池种类中,综合性能最高。

按照计算的零部件参数范围,要求动力电池的容量大于等于70Ah,并配有外接充电装置。

市场上常用的动力电池产品,满足要求的有以下五个型号,见表5,对此进行综合评价,评价得分满分10分。可见,得分最高的两款产品是Battery 4和Battery 5。由于是样车,考虑到项目成本,选取容量较小、重量较小、应用较多的Battery 4,即参数为355V70Ah动力电池。

3.5 电动辅机系统

关于电动辅机系统中的零部件,如电动助力转向系统、电动空压机、逆变器、各种高压部件等,根据整车参数、零部件本身的特点、产品可靠性、安全性等方面进行选择。

表5 五种常见的动力电池

3.6 其他零部件参数

(1)轮胎

轮胎选用传统公交车所配的轮胎,型号为275/70 R22.5,属于子午线轮胎,半径较小,方便乘客上下车。

(2)后桥

12米公交车需要选配13吨承重载荷的后桥,根据计算结果,后桥主减速比选用范围为[4.3,5.6]。由于后桥主减速比大小直接影响整车的动力性及经济性,因此本文在所计算范围内,选取了市场上常见的4种速比进行仿真计算。其具体参数如表6所示。

表6 本方案选用的仿真参数

当前,车桥的发展方向为在保证其性能的前提下进行轻量化处理。因为混合动力系统添加了电机、电池等电能系统,整车的装备质量有所增加,所以在选择车桥时,尽量选择经过轻量化处理的车桥。同时兼顾降噪、安装维护方面的因素进行选择。

4 小结

本文以12m单轴并联式混合动力城市公交车为例。介绍关于混合动力公交车关键零部件匹配计算及选型方法,为混合动力公交车设计时进行关键零部件的选择提供方法和思路。分析计算以目标整车参数及设计目标为输入,通过车辆动力学计算和仿真计算得到了车辆关键零部件关键参数的范围,按照仿真计算得出的零部件范围,并结合市场成熟度、可靠性、安全性等方面选择合适的零部件,接下来根据所选零部件型号,制定多组方案,通过仿真并结合其他条件,完成目标车的零部件选型工作。