李一鳴，何 鋒，蔣雪生，楊 綠

LI Yi-ming1，HE Feng1，JIANG Xue-sheng2，YANG Lv1

（1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.奇瑞萬達貴州客車股份有限公司，貴陽 550025）

0 引言

混合動力汽車采用發(fā)動機和電動機作為動力，成為解決能源危機和環(huán)境污染問題的有效手段[1,2]。發(fā)動機、動力電池、電機參數(shù)匹配結(jié)果的優(yōu)劣決定著汽車的動力性和經(jīng)濟性[3]。

國內(nèi)外學者對混合動力汽車動力系統(tǒng)匹配已經(jīng)開展了一系列的研究，Sheu對混合動力汽車傳動系參數(shù)匹配進行了研究，建立了混合動力汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)評價方法[4]。Ehsani提出了并聯(lián)混合動力汽車的動力總成參數(shù)設(shè)計原則和匹配方法[5]。S.Rinderknecht結(jié)合變速器對混合動力電動汽車的動力參數(shù)進行匹配分析[6]。清華大學盧蘭光針對混合動力汽車提出了一種基于道路工況和整車功率需求分析的系統(tǒng)匹配方法[7]。重慶大學王錕應用正交試驗法，以車輛的燃油經(jīng)濟性作為目標對氣電混合動力客車動力參數(shù)進行匹配與優(yōu)化[8]。

本文針對山區(qū)城市道路行駛的油電混合動力客車進行研究，對其發(fā)動機、電機以及動力電池組進行了選型，對其動力系統(tǒng)參數(shù)進行匹配，并通過ADVISOR軟件進行仿真分析。

1 參數(shù)匹配的初始條件和要求

1.1 整車參數(shù)

某型號油電混合動力城市客車采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其整車參數(shù)如表1所示。

1.2 設(shè)計目標

根據(jù)城市客車道路循環(huán)工況，并充分考慮山區(qū)道路條件，需增大車輛爬坡能力，混合動力城市客車的動力性能要求如表2所示。

表1 整車參數(shù)

表2 混合動力客車動力要求

2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計

2.1 發(fā)動機選型

混合動力城市客車的發(fā)動機采用柴油發(fā)動機，提供驅(qū)動力，克服客車行駛阻力，保證最高車速。

最高車速下的發(fā)動機功率計算如式(1)。

當混合動力混合客車以20km/h的速度爬坡15%時，發(fā)動機功率需求應滿足式(2)。

為滿足客車0～50km/h加速時間小于35s，發(fā)動機功率計算如式(3)。

從滿足混合動力客車動力性角度考慮，發(fā)動機功率選擇應為Pel、Pe2和Pe3中的最大者?？紤]到發(fā)動機所帶的附件功率及空調(diào)負荷（約10kw），并有1%～2%的爬坡功率裕量和10%的功率裕量為動力電池組充電，因此發(fā)動機選取功率按照式(4)計算。

通過計算，并充分考慮動力性因素，混合動力城市客車發(fā)動機選擇功率為150kw。

2.2 電機選型

混合動力城市客車發(fā)動機采用永磁同步電機，由于在客車起步時發(fā)動機處于低轉(zhuǎn)速，效率低，造成高油耗和高污染，所以混合動力城市客車起步采用電機驅(qū)動。

在山區(qū)道路條件下，客車在坡道起步時，起步轉(zhuǎn)矩不僅克服傳動系統(tǒng)的靜態(tài)阻力和路面靜摩擦力，還要用來克服坡道阻力，起步之后立即加速，一般要求起步車速達到3km/h～5km/h，設(shè)計要求客車的最大爬坡度為20%，混合動力客車電機最大功率計算如式(5)。

根據(jù)公式(5)，計算得出混合動力城市客車電機的最大功率為59kw。

2.3 動力電池組選型

動力電池的主要作用是在車輛起步、怠速等發(fā)動機效率較低狀態(tài)下為電機提供所需能量，在減速、制動時吸收反饋能量，本混合動力城市客車選用錳酸鋰電池。

客車起步時，動力電池組以瞬間高功率的形式向電機提供電能，因此電池組的功率必須大于電機輸出的最大功率，即：

動力電池組用作峰值電源，能量不能完全地用于向驅(qū)動系傳遞功率，其SOC值在0.3～0.8之間時，內(nèi)阻較小，動力電池效率較高，因此，僅有部分存儲在動力電池組的能量得到有效的應用，動力電池的容量通過能量狀態(tài)來計算，即：

因此，動力電池組的最小容量為5.5kw·h，功率為66.7kw。

3 性能仿真及結(jié)果分析

在仿真軟件ADVISOR中建立后驅(qū)并聯(lián)混合動力城市客車模型，并將匹配參數(shù)導入模型，在UDDS工況循環(huán)下進行仿真，循環(huán)工況、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩以及動力電池組SOC值變化情況如圖1～圖4所示。

圖1 UDDS道路循環(huán)工況

圖2 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線

圖3 電機轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 動力電池組SOC變化曲線

從圖1～圖4中可以看出，當?shù)缆费h(huán)工況中車速需求較大時，發(fā)動機與電機共同工作，動力電池組SOC值下降，為電機提供能量。當?shù)缆费h(huán)工況中車速需求明顯減小或制動時，電機進行根據(jù)動力電池組的SOC值情況，提供轉(zhuǎn)矩或者對動力電池進行充電。

整車性能仿真結(jié)果與設(shè)計要求對比如表3所示。

表3 整車性能仿真結(jié)果

從表3可以看出，仿真結(jié)果符合匹配設(shè)計要求。該混合動力城市客車與同型號傳統(tǒng)燃油客車相比，節(jié)油率可達到28.2%，具有良好的動力性和節(jié)油率。

4 結(jié)論

根據(jù)整車動力性要求，針對山區(qū)城市道路條件下某型號并聯(lián)式混合動力城市客車的動力系統(tǒng)進行動力系統(tǒng)選型和參數(shù)匹配，并通過ADVISOR軟件對該混合動力城市客車進行仿真分析，結(jié)果表明該混合動力城市客車動力性滿足設(shè)計要求，適于山區(qū)城市道路條件，且具有良好的燃油經(jīng)濟性。

[1]Mehrdad Ehssani,Yimin Gao,Ali Emadi.Modern electric,hybrid electric,and fuel cell vehicles:fundamentals,theory,and design second edition[M].Taylor&Francis Group LLC,2010:11-13.

[2]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:58-59.

[3]景柱,符純明,干年妃.純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的匹配與仿真[J].汽車工程學報.2013.3(1):54-58.

[4]Sheu K B.Analysis and evaluation of hybrid scooter transmission systems[J].Applied Energy.2007,84:1289-1304.

[5]Ehsani,M.,Yim in,Gao.Modern Electric,Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles[M].Texas A&M University,TX.US 2009.

[6]RINDERKNECHT S,MEIER T.Electric Power Train Configurations and Their Transmission Systems[C].International Symposium on Power Electronics,Electrical Drives,Automation and Motion,2010:1564-1568.

[7]吳曉剛,盧蘭光.插電式串聯(lián)混合動力汽車的系統(tǒng)匹配與仿真[J].汽車工程.2013.35(7):573-618.

[8]王錕.氣/電混合動力客車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配與優(yōu)化研究[D].重慶:重慶大學.2010.5.