陳剛,武蕾

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004；2.三明機(jī)械CAD工程研究中心，福建三明365004）

Plug-in混合動(dòng)力城市公交車方案設(shè)計(jì)與仿真

陳剛1,2,武蕾1,2

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004；2.三明機(jī)械CAD工程研究中心，福建三明365004）

在原傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車基礎(chǔ)上進(jìn)行了并聯(lián)式Plug-in混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要參數(shù)的匹配，提出了一種混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)方案，建立了混合動(dòng)力主要部件和整車的Simulink模型，并在中國城市公交循環(huán)工況和CYC_UDDS循環(huán)工況下進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性均比原車型有明顯改善，表明設(shè)計(jì)方案是合理的。

Plug-in混合動(dòng)力公交車；并聯(lián)結(jié)構(gòu)；方案設(shè)計(jì)；仿真分析

目前，擺在汽車工業(yè)面前的一個(gè)嚴(yán)重問題就是如何減少能源消耗和環(huán)境污染。因此，新能源汽車將是未來汽車的發(fā)展方向。其中純電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)零排放，但目前還存在一些局限性，如：（1）續(xù)航里程短；（2）需建設(shè)充電站等基礎(chǔ)設(shè)施；（3）電池制造成本高且壽命較短；（4）充電時(shí)間較長[1]。普通混合動(dòng)力汽車由于僅能由發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量或回收部分能量，其電池容量較小，很難實(shí)現(xiàn)以純電動(dòng)模式行駛較長距離。而插電式混合動(dòng)力汽車電池容量較大，可直接使用外部電源充電，發(fā)動(dòng)機(jī)富余能量、下坡和制動(dòng)等能量也可回收給電池充電。因此，插電式混合動(dòng)力汽車是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車向純電動(dòng)汽車過渡的理想產(chǎn)品之一。

1 Plug-in混合動(dòng)力電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)方案

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和要求，圖1為混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力結(jié)構(gòu)示意圖。其能量流動(dòng)方式有如下幾種。

（1）汽車起步及低負(fù)荷情況，蓄電池單獨(dú)工作：蓄電池—控制器—電動(dòng)機(jī)—變速器—驅(qū)動(dòng)橋—后輪；

（2）中高負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作：發(fā)動(dòng)機(jī)—變速器—驅(qū)動(dòng)橋—后輪；

（3）高負(fù)荷，蓄電池與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)并行工作：蓄電池—控制器—電動(dòng)機(jī)—?jiǎng)恿︸詈涎b置—變速器—驅(qū)動(dòng)橋—后輪，發(fā)動(dòng)機(jī)—?jiǎng)恿︸詈涎b置—變速器—驅(qū)動(dòng)橋—后輪；

（4）蓄電池充電與能量回收：家用220V—充電器—蓄電池；發(fā)動(dòng)機(jī)—電動(dòng)機(jī)—控制器—蓄電池。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)主要部件參數(shù)匹配

1.2.1 整車功率需求

文章所研究的是一款動(dòng)力總成后置、后輪驅(qū)動(dòng)的城市公交，原車型的基本參數(shù)如表1。

表1 原型車基本參數(shù)

汽車動(dòng)力性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是最高行駛速度，最大加速度和最大爬坡度[2]。據(jù)此提出了混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)如下：（1）最高車速umax≥80 km/h；（2）0～50 km/h加速時(shí)間≤30 s；（3）以速度um=10 km/h，最大爬坡度≥20％；（4）燃油經(jīng)濟(jì)性比原傳統(tǒng)汽車降低30％。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出的最大車速、加速性能和爬坡性能確定的最大功率分別為：

式中：δ為汽車質(zhì)量換算系數(shù)，αmax=arctanimax。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)與汽車參數(shù)計(jì)算得Pmax1=64.2 kW，Pmax2=65.6 kW，Pmax3=67.3 kW，故混合動(dòng)力系統(tǒng)最大功率Pmax=max（Pmax1，Pmax2，Pmax3）=67.3 kW，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有一定的后備功率，并且發(fā)動(dòng)機(jī)附件（空調(diào)、風(fēng)扇等）需消耗功率，最終確定最大功率Ptotal=85 kW。

1.2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。要求發(fā)動(dòng)機(jī)需滿足汽車以最高車速在平坦路面行駛的功率需求，在加速和爬坡情況所需的峰值功率通過蓄電池組提供，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)取Pe≥64.2 kW。

（2）電動(dòng)機(jī)參數(shù)。分別要求車輛能以純電動(dòng)最高車速20 km/h運(yùn)行，以及純電動(dòng)在5％的坡度上以10 km/h的速度行駛，計(jì)算這兩種情況下最大功率為29.3 kW，考慮附件消耗功率，電動(dòng)機(jī)選擇功率35 kW的永磁電動(dòng)機(jī)。

（3）蓄電池參數(shù)。蓄電池組電池?cái)?shù)量應(yīng)滿足兩個(gè)條件：電池組電壓和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓保持一致；純電動(dòng)行駛，能滿足續(xù)駛里程要求[4]。該方案所選電動(dòng)機(jī)的額定工作電壓是350 V，蓄電池單體額定電壓是3.2 V，可計(jì)算出單體電池個(gè)數(shù)應(yīng)大于350/3.2=110節(jié)。由純電動(dòng)模式下續(xù)駛里程要求，計(jì)算蓄電池額定容量為95.04 kWh。

2 ADVISOR仿真分析

2.1 Simulink仿真模型

根據(jù)整車受力情況以及車輛動(dòng)力學(xué)平衡的條件建立動(dòng)力學(xué)模型，見式（4）～（5）：

式中：ΣF為汽車行駛所受總阻力，Pf為總阻力功率。

Simulink模型建立的思想：依據(jù)循環(huán)工況下汽車的速度和加速度請(qǐng)求，由上述公式計(jì)算出總阻力，然后向車輪提出車速和驅(qū)動(dòng)力或功率請(qǐng)求，控制器根據(jù)車輪速度和功率請(qǐng)求，將需求動(dòng)力信號(hào)發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)再將動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出給車輪。依據(jù)此思想文章建立了各個(gè)部件和整車的Simulink模型，圖2為本文并聯(lián)式混合動(dòng)力頂層模塊圖，圖3為整車模塊圖。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力頂層模塊圖

圖3 整車模塊圖

2.2 中國城市公交循環(huán)工況下仿真分析

在ADVISOR中有各國典型的道路循環(huán)工況，如美國CYC-EUDS、日本CYC-1015、歐洲CYCNEDC等56種標(biāo)準(zhǔn)的道路循環(huán)工況[5]。不同循環(huán)工況對(duì)仿真結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的影響，因此必須選擇合適的循環(huán)工況。為了使仿真更接近實(shí)際情況，本文將中國城市公交典型工況導(dǎo)入了ADVISOR，并選擇此為仿真的循環(huán)工況。該循環(huán)一共用時(shí)1340 s，平均車速16.1 km/h，行駛距離5.83km[6]。從圖4可以看出，該循環(huán)工況的車速變化非常平繁，其中怠速占28.45％，加減速行駛時(shí)間占63.88％，勻速工況僅占7.67％，大部分時(shí)間工作在加減速的變化工況。這很好地反應(yīng)了本文所研究的城市公交行駛特點(diǎn)。由于中國城市公交循環(huán)工況的仿真車速上限是60 km/h，因此文章又選擇了美國環(huán)境保護(hù)署城市道路循環(huán)工況CYC-UDDS對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行最高車速的仿真，圖5是該循環(huán)工況下的速度仿真結(jié)果曲線圖。

圖4 中國城市公交循環(huán)工況

圖5 混合動(dòng)力車速仿真曲線

按照設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)仿真的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，從仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車比原傳統(tǒng)汽車在燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性方面有了較大提高，動(dòng)力性能指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，表2為混合動(dòng)力汽車與原車型性能比較。圖6～7是通過仿真輸出output check plots得到的電機(jī)仿真效率圖和動(dòng)力傳動(dòng)系仿真效率圖，從圖中可以看出，仿真過程中電機(jī)的工作效率點(diǎn)和傳動(dòng)系仿真效率大部分在0.8以上，說明選取的零部件參數(shù)可以較好地滿足整車的設(shè)計(jì)要求。

圖6 電機(jī)仿真效率

圖7 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真效率

表2 混合動(dòng)力汽車與原車型性能比較

3 結(jié)論

插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)蓄電池模塊可以提供較大的功率需求，從而可減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求，能使車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性較大地提高。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案中動(dòng)力系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和零部件參數(shù)的計(jì)算、選擇是有效的，仿真結(jié)果較好地達(dá)到了所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。但還可以使用約束條件和優(yōu)化目標(biāo)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還有進(jìn)一步研究的空間。

[1]SHIZUO ABE.Development of toyota plug-in hybrid vehicle［J］.Journal of Asian Electric Vehicles，2010，8（2）：12.

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［3］曾小華，王慶年.汽車功率需求的簡單求解方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，41（3）：613-617.

［4］楊蕓蕓.充電式混合動(dòng)力城市客車設(shè)計(jì)及仿真［D］.武漢：武漢理工大學(xué)學(xué)，2010.

［5］SAM G.Optimization of plug-in hybrid electric vehicle［D］.Thesis：Georgia Institute of Technology，2006.

［6］陳龍.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性分析［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

Design and Simulation of Plug-in Hybrid Electric City Bus

CHEN Gang1,2，WU Lei1,2
（1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China 2.Sanming Engineering Research Center of Mechanical CAD,Sanming 365004,China）

A parallel Plug-in hybrid system based on a conventional city bus,and the structure and parameters of the power system are designed and a new hybrid vehicle design method is proposed in this paper.The Simulink models of the major components and the whole vehicle is established.Then the simulation study in China city bus cycle and CYC_UDDS cycle in ADVISOR is conducted.The simulation results show that the indicators meet the design requirements and the fuel economy and emissions performances are significantly improved,which indicates the design is reasonable.

Plug-in hybrid electric city bus;parallel;design;simulation analysis

U469.72

A

1673-4343（2013）06-0040-05

2013-09-23

福建省教育廳科技項(xiàng)目（JK2013050）

陳剛，男，湖南衡陽人，助教。研究方向：車輛工程。