汪桂金 孫克亮 姜杰峰 闞衛(wèi)峰

摘要：通過對(duì)雙輸入插電式混合動(dòng)力客車的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，闡述了雙輸入插電混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：雙輸入；插電式混合動(dòng)力客車；設(shè)計(jì)開發(fā)；動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)

1 前言

目前，我國新能源汽車示范應(yīng)用基本為城市客車，隨著國家對(duì)節(jié)能減排要求越來越高，給新能源客車也帶來了快速發(fā)展的機(jī)遇，同時(shí)國家也加大了節(jié)能補(bǔ)貼的標(biāo)準(zhǔn)，政策激勵(lì)促使用戶開始采購新能源客車。雙輸入插電式混合動(dòng)力公交客車是一款具有更高綜合性能的新能源公交平臺(tái)。

2 整車開發(fā)目標(biāo)參數(shù)

整車設(shè)計(jì)性能技術(shù)參數(shù)見下表1

3 整車動(dòng)力系統(tǒng)總成的選用及仿真

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總成的選用

發(fā)動(dòng)機(jī)的功率選擇主要由混合動(dòng)力客車在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的最高車速和爬坡度要求決定。但后者確定出的發(fā)動(dòng)機(jī)排量較大，使整車經(jīng)濟(jì)性的提高受到一定制約。因此，本文按滿足汽車最高車速的行駛要求確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe。

公式中，vmax為最高車速，km/h；m為滿載整車質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ηt為傳動(dòng)效率。

由式（1）計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)功率，再加上附件消耗功率率就得到發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用

電動(dòng)機(jī)功率的選擇電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)包括額定功率、峰值功率和額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的功率主要依據(jù)汽車動(dòng)力性來確定。電動(dòng)機(jī)額定功率Pmr應(yīng)大于或等于車輛以純電動(dòng)最高車速行駛時(shí)行駛阻力功率：

公式中，Vmm為純電動(dòng)行駛最大車速，Km/h。

電機(jī)峰值功率需滿足混合動(dòng)力客車的加速性能，由汽車加速時(shí)間所需要的功率去發(fā)動(dòng)機(jī)功率，即得電機(jī)峰值功率。電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmmax與額定轉(zhuǎn)速nmr的比值稱為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β。β增大有利于降低電機(jī)的起動(dòng)功率，但同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之增大。由于高轉(zhuǎn)矩需要較大的電機(jī)電流，進(jìn)而增大了功率變換器的尺寸和損耗，因此，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不宜過高。一般來說，

式中，nm max為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速，r/min；β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，取值范圍4-6。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可求得電機(jī)轉(zhuǎn)矩：

公式中，Pm為電機(jī)功率，kW；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的選用

混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主減速比應(yīng)滿足汽車最高車速的要求。按汽車的最高車速等于或略小于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的車速來選取主減速比I：

傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比I要滿足汽車在純發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大爬坡度要求：

公式中，Te max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N.m。

3.4 動(dòng)力電池的選用

動(dòng)力電池組的確定電池參數(shù)主要由兩個(gè)因t素決定：功率需求和能量需求。目前市場(chǎng)上化學(xué)電池的單節(jié)電壓是確定的。因此，對(duì)電池容量的選擇就轉(zhuǎn)化為對(duì)電池節(jié)數(shù)的選擇

nb=IOOOSW/（UCηmηt）

（6）

公式中，U為單節(jié)電池電壓，V；C為單節(jié)電池額定容量，A.h；ηm為電機(jī)效率；W為純電動(dòng)行駛lkm所消耗的電池能量，kW·h/km；S為純電動(dòng)續(xù)駛里程，km。

3.5 插電式混聯(lián)混合動(dòng)力整車參數(shù)

混聯(lián)混合動(dòng)力整車參數(shù)見下表2

3.6 整車動(dòng)力系統(tǒng)的控制模式

本車通過整車控制器，把整車控制分為爬坡模式、純電動(dòng)模式、增程模式、直驅(qū)模式、能量回收模式等5個(gè)模式。各模式特點(diǎn)如下：爬坡模式：爬坡?lián)跤行?，AMT系統(tǒng)進(jìn)低擋，動(dòng)力系統(tǒng)在滿載情況下可實(shí)現(xiàn)整車20%的爬坡能力。此模式只用于極端坡道或特殊大動(dòng)力工況，在此模式下最高車速受到限制，電機(jī)功率和扭矩全開。解除方法為取消爬坡?lián)跤行А?/p>

a）純電動(dòng)模式：電池電量超過55%的情況下只采用前驅(qū)動(dòng)電機(jī)高擋直接驅(qū)動(dòng)，能滿足城市12%的爬坡能力，電池電量45-55%是一個(gè)過渡區(qū)間，如果此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)是處于工作狀態(tài)則動(dòng)力系統(tǒng)為增程模式，如果此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài).則動(dòng)力系統(tǒng)為純電動(dòng)模式。

b）增程模式：電池電量少于45%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)進(jìn)入增程模式，增程模式下如果電量超過55%則發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入純電動(dòng)模式。增程模式下前電機(jī)高擋驅(qū)動(dòng)，ISG電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況。

c）直驅(qū)模式：進(jìn)入條件為動(dòng)力系統(tǒng)為增程模式且車速超過55Km/h。直驅(qū)狀態(tài)前電機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于驅(qū)動(dòng)巡航模式（功率受限），ISG電機(jī)為驅(qū)動(dòng)加力。

d）制動(dòng)能量回收模式：能量回收由前驅(qū)動(dòng)電機(jī)或ISG電機(jī)完成，滑行或制動(dòng)信號(hào)有效。

3.7 插電式雙輸入混聯(lián)混合動(dòng)力客車仿真分析

采用美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室仿真分析軟件Advisor在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真軟件開發(fā)。通過Advisor現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型和一個(gè)變速箱模型，并修改各個(gè)模塊（如整車模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、發(fā)電機(jī)及電機(jī)模塊等）的仿真參數(shù)，建立了插電式雙輸入混聯(lián)混合動(dòng)力客車仿真模型，如圖l所示。

根據(jù)模型進(jìn)行仿真，采用整車控制器實(shí)現(xiàn)整車控制，控制模式如上所述，計(jì)算工況選用中國典型城市公交循環(huán)工況如下圖2。

動(dòng)力電池充滿混合動(dòng)力模式續(xù)駛里程與sOc變化情況如上圖3所示，混合動(dòng)力模式（剛好達(dá)到混動(dòng)工作模式下的情況，sOc初始值為0.45，即能量完全來自燃油），SOc允許使用范圍：0.45-0.55。純電動(dòng)模式下最高車速與加速性能如下圖4仿真結(jié)果如下表3

4 整車動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 前后雙向輸入的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以雙輸入軸驅(qū)動(dòng)橋作為動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)，將前驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和后驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)+ISG電機(jī)）進(jìn)行混聯(lián)，動(dòng)力傳動(dòng)系包含了自動(dòng)離合器和二擋AMT。系統(tǒng)構(gòu)建的目的是城市工況節(jié)油和巡航節(jié)油，即動(dòng)力系統(tǒng)能夠覆蓋市內(nèi)和郊區(qū)擁堵工況、高速巡航工況。整車控制系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)和附件系統(tǒng)相互配合，共同形成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制能力，控制系統(tǒng)分為執(zhí)行控制系統(tǒng)和策略分析系統(tǒng)。另外動(dòng)力電池提供Plug-in模式。動(dòng)力系統(tǒng)決定驅(qū)動(dòng)橋?yàn)殡p輸入后橋，即前后均可動(dòng)力輸入，保證動(dòng)力系統(tǒng)的充足。同時(shí)也帶來了一定的限制，即受驅(qū)動(dòng)橋的限制和動(dòng)力雙輸入角度的限制，給設(shè)計(jì)和布置也帶來了一定的難度，整車要做低入口很困難，因?yàn)榍膀?qū)動(dòng)電機(jī)不能下降太多，否則影響前傳動(dòng)軸夾角太大，影響動(dòng)力傳遞效率和加大整車振動(dòng)，降低人的舒適性；做兩級(jí)踏步車則保證前驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)軸夾角在設(shè)計(jì)充許范圍內(nèi)，提高動(dòng)力傳遞效率和提高舒適性。具體形式見下圖5。

4.2 高壓系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的多重保護(hù)措施

本車在混合動(dòng)力高壓安全上采用了主、被動(dòng)安全保護(hù)措施。

主動(dòng)措施采用分箱斷電措施，即把高壓自動(dòng)斷成低壓，提高對(duì)乘客的保護(hù)。安裝絕緣檢測(cè)儀，原理如下圖6，即絕緣監(jiān)控儀內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對(duì)稱的方波信號(hào)，并通過L+/L-和KE/E端子與直流高壓系統(tǒng)和底盤之間的絕緣電阻RF構(gòu)成測(cè)量回路，測(cè)量回路中的電流在取樣電阻Rm上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)取樣電壓，這個(gè)電壓信號(hào)被內(nèi)置微處理器采集，通過運(yùn)算可以得出絕緣電阻的大小。微處理器將計(jì)算得出的絕緣電阻值轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)的占空比，并通過PWM+/PWM-端口對(duì)外輸出，也可以將絕緣電阻值等數(shù)據(jù)按照協(xié)議通過CAN接口輸出。如果絕緣電阻值低于設(shè)定的故障告警值，微處理器將通過ALARM+/ALARM-端口輸出告警信號(hào)。并通過整車控制器信號(hào)控制動(dòng)力電池箱內(nèi)高壓開關(guān)分箱斷開高壓，達(dá)到分箱斷電降低高壓的措施。

主動(dòng)措施二整車裝備了急停開關(guān)，出現(xiàn)緊急情況時(shí)，司機(jī)可手動(dòng)按下急停開關(guān)，斷開高壓，車輛停止前進(jìn)，車門打開，緊急報(bào)警燈閃爍，乘員可安全撤離。

被動(dòng)安全措施主要采用部分高壓原器件提高防護(hù)等級(jí)至IP67，動(dòng)力電池箱及高壓線及插接件均采用IP67防水插接件，提高被動(dòng)防漏電措施。

5 結(jié)束語

SWB6127CHEV經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，基本與理論仿真結(jié)果接近，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于其獨(dú)特的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其動(dòng)力性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，為插電式混聯(lián)混合動(dòng)力設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。