李中延，熊金峰，鄧忠偉

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026）

插電式純電驅(qū)動(dòng)社區(qū)巴士的開發(fā)

李中延，熊金峰，鄧忠偉

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215026）

結(jié)合當(dāng)前的新能源技術(shù)與市場(chǎng)需求，介紹一款插電式純電驅(qū)動(dòng)社區(qū)巴士的總體情況，論述其整車動(dòng)力系統(tǒng)及控制策略的匹配設(shè)計(jì)，并通過對(duì)樣車的道路測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性。

社區(qū)巴士；插電式純電動(dòng)；動(dòng)力系統(tǒng)；匹配設(shè)計(jì)

整車新產(chǎn)品的開發(fā)主要從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造，包含了整個(gè)過程中各業(yè)務(wù)部門責(zé)任和活動(dòng)的全部［1］。相對(duì)于乘用車，客車具有開發(fā)周期短、工藝設(shè)計(jì)簡單，而生產(chǎn)成本高等特點(diǎn)。所以客車開發(fā)能夠快速把握市場(chǎng)需求，及時(shí)地推出相符的產(chǎn)品。本文結(jié)合新能源市場(chǎng)需求，運(yùn)用簡單成熟的串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，開發(fā)一款插電式純電驅(qū)動(dòng)社區(qū)巴士。

1　社區(qū)巴士總體介紹

在人口密集的老城區(qū)和一些大型社區(qū)，受道路限制，不適合采用大型客車，迫切需要一種中小型的大容量客車解決“最后一公里”交通的問題。如圖1所示，蘇州360路公交線全長5.3 km。采用“微循環(huán)”公交模式，具有站距密、車型小、路線短等特點(diǎn)，在位置偏遠(yuǎn)的小區(qū)設(shè)置，效率更高，可以把這些區(qū)域的乘客集中送到公交線網(wǎng)更密集的站點(diǎn)。

針對(duì)一些區(qū)域難以被公共交通覆蓋，造成交通出行不便的情況，“微循環(huán)”公交模式考慮了公交無障礙化，提高上下車速度，適應(yīng)人口老齡化趨勢(shì)。同時(shí)，社區(qū)巴士瞄準(zhǔn)國際上的先進(jìn)水平，采用低地板、獨(dú)立懸架配置，通過加大軸距來增加載客容量，社區(qū)巴士應(yīng)具有狹窄道路的通過能力，故要求其轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)［2］。

圖1　蘇州微循環(huán)公交360線路圖

根據(jù)市場(chǎng)需求，我司開發(fā)了一款低地板、大容量的插電式串聯(lián)混合動(dòng)力社區(qū)巴士。圖2顯示了該車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中控制部件包括整車控制器VCU、電機(jī)控制器DM、電池管理系統(tǒng)BMS、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU；驅(qū)動(dòng)部件采用單電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用功率型電池組。整車的能量流為發(fā)動(dòng)機(jī)→發(fā)電機(jī)→電池組→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→車輪，其主要特點(diǎn)有［3］:發(fā)動(dòng)機(jī)工況可指定，有利于排放與節(jié)能；發(fā)動(dòng)機(jī)起停易實(shí)現(xiàn)；車輛平順性好；能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，轉(zhuǎn)換效率低。

圖2　動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在串聯(lián)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率只用于發(fā)電，因此發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的位置可以根據(jù)實(shí)際空間要求，選擇合適的位置安裝。如圖3所示，為方便安裝，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)采用偏置布置的方式。

圖3　動(dòng)力系統(tǒng)布置

2　整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及控制策略的設(shè)計(jì)

2.1整車動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池組等與整車配置的設(shè)計(jì)計(jì)算［4］。該車相關(guān)參數(shù):整備質(zhì)量M=7 400 kg，滿載質(zhì)量m=11 200 kg，風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.6，迎風(fēng)面積A=4.5m2，滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.01，車輪半徑r=0.419m，主減速比i0=5.125，傳動(dòng)效率η= 0.96。該車相關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo):最高車速Vmax=69 km/h，最大爬坡度i=15%，0～50 km/h加速時(shí)間t=15 s，單次充電續(xù)駛里程k=30 km。

根據(jù)整車相關(guān)參數(shù)及設(shè)計(jì)指標(biāo)，可分別計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)需求的相關(guān)參數(shù)。

1）根據(jù)整車最高車速Vmax，計(jì)算最大需求功率Pmax1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nemax和最大扭矩Temax:

2）根據(jù)最大爬坡度i，計(jì)算最大需求功率Pmax2和驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩Temax:

式中:vi為爬坡速度，取10 km/h。

3）根據(jù)加速性能，計(jì)算最大需求功率Pmax3和驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩Temax:

式中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.1；dv/dt為加速度，取0.93m/s2。

通過以上公式，分別得到相應(yīng)條件下的功率、轉(zhuǎn)速及扭矩需求，如表1所示。整車最大需求功率Pmax為58.9 kW。

表1　整車動(dòng)力需求

2.2驅(qū)動(dòng)及儲(chǔ)能部件選擇

串聯(lián)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和扭矩需大于整車最大需求功率Pmax和最大需求扭矩Tmax。根據(jù)整車動(dòng)力需求，綜合市場(chǎng)上現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，最終選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定/峰值功率為60/100 kW，額定/峰值扭矩為860/1 500 N·m，額定/最高轉(zhuǎn)速為1 000/ 2 600 r/min。由于電池組可以儲(chǔ)存一定的電量，用于純電行駛。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)非直接驅(qū)動(dòng)車輛，可以一直運(yùn)行于高效區(qū)。功率選擇應(yīng)大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，且保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳油耗及排放區(qū)域。最終選擇一款高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定扭矩為350 N·m/（2 000 r/min），額定功率為105 kW/（3 200 r/min）。運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)要產(chǎn)生足夠的電量，功率的選擇要小于發(fā)動(dòng)機(jī)且比驅(qū)動(dòng)電機(jī)要大一些。因此選擇發(fā)電機(jī)額定/峰值功率為85/140 kW，額定/峰值扭矩為350/ 600N·m，額定/最高轉(zhuǎn)速為2 300/3 600（r/min）。

串聯(lián)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)要求高，需要較高的充放電倍率，故選擇鈦酸鋰電池。動(dòng)力電池的電壓平臺(tái)需要與發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)保持一致，所以電池組電壓選擇331 V。電池組的能量需滿足單次充電后的續(xù)駛里程，即30 km，該車能量消耗率約為0.4 kW·h/km，因此，該車所裝備的動(dòng)力電池能量應(yīng)大于12 kW·h。電池組的額定容量可通過能量除以電壓得到，即12 000/331≈36Ah?？紤]到整車在滿足規(guī)定的續(xù)駛里程后動(dòng)力電池需有一定的剩余能量，故動(dòng)力電池的相關(guān)參數(shù)選擇如下:額定能量13.2 kW·h，額定容量40 Ah，額定工作電壓331 V。

2.3整車控制策略設(shè)計(jì)

串聯(lián)混合動(dòng)力客車現(xiàn)有的控制策略主要是基于邏輯門限值控制，具體包含恒溫器控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨控制策略、恒溫器+功率跟隨控制策略和發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化控制策略［5］。本文采用最成熟的恒溫器控制策略，其原理如圖4所示。

圖4　恒溫器控制策略

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量狀態(tài)（SOC）降到設(shè)定的低門限值，即45%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，并以高轉(zhuǎn)速2 250 r/min運(yùn)行，在最低油耗或排放點(diǎn)按恒功率輸出，一部分功率通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于滿足車輪驅(qū)動(dòng)的功率要求，另一部分功率向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC上升到所設(shè)定的高門限值，即70%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以低轉(zhuǎn)速1 800 r/min運(yùn)行，以提升效率，同時(shí)防止電池過壓，因此，基于最小燃油經(jīng)濟(jì)性考慮，將發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常性工作點(diǎn)控制在2 000 r/min附近；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC上升到100%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，完全由儲(chǔ)能系統(tǒng)將功率傳遞給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪［6-7］。

該策略需要儲(chǔ)能系統(tǒng)能滿足所有瞬時(shí)功率的要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)多次充放循環(huán)所引起的損失可能會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化所帶來的好處；該策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比較有利而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不利［8-9］。為了提高電池組的使用效率及壽命，可使其在40%～70%SOC區(qū)間內(nèi)工作，淺充淺放，同時(shí)保證制動(dòng)回饋存電空間。采用發(fā)電機(jī)調(diào)速，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)扭的控制方式，以提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3　樣車驗(yàn)證

圖5為試制的樣車，額定載客60人（20座位40站位）。經(jīng)過實(shí)車道路測(cè)試得到樣車相關(guān)性能指標(biāo)見表2。

圖5　樣車試制

表2　樣車實(shí)測(cè)性能指標(biāo)

由表2所測(cè)數(shù)據(jù)表明該車所匹配的相關(guān)動(dòng)力總成滿足相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4　結(jié)束語

社區(qū)巴士能有效解決大型社區(qū)居民出行“最后一公里”的問題。本文針對(duì)現(xiàn)有的新能源技術(shù)與市場(chǎng)需求，介紹了一款插電式純電驅(qū)動(dòng)社區(qū)巴士車型開發(fā)的匹配設(shè)計(jì)過程。經(jīng)過樣車試制和驗(yàn)證，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)需求。在同類產(chǎn)品中，該車型具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭力，期待其未來良好的市場(chǎng)表現(xiàn)。

［1］彭劍，項(xiàng)嬌.整車產(chǎn)品開發(fā)流程淺析［J］.上海汽車，2010（8）: 43-47.

［2］周文杰.大城市社區(qū)巴士的公共交通新選擇［J］.客車技術(shù)與研究，2007，29（1）:53-55.

［3］襲著永.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的仿真研究及優(yōu)化［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

［4］侯賽因.純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ):第2版［M］.林程，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［5］王巖.串聯(lián)混合動(dòng)力客車控制策略研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.

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［8］巴特.混聯(lián)混合動(dòng)力客車的參數(shù)匹配與控制策略研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2012.

［9］申彩英.串聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量優(yōu)化管理策略研究［D］.天津:天津大學(xué)，2010.

修改稿日期:2016-07-29

Developmentof a Plug-in PureElectric Community Bus

LiZhongyan，Xiong Jinfeng，Deng Zhongwei
（Higer BusCompany Limited，Suzhou 215026，China）

Combiningwith the currentnew energy technology and themarket demand，the authors introduce the overall circumstancesof a plug-in pure electric community bus，discuss thematching design of the vehicle powertrain system and control strategy，and through the road testof the sample bus，they verify the correctnessof the design scheme.

community bus；plug-in pureelectric；powertrain system；matchingdesign

U469.72；U463.23

B

1006-3331（2016）05-0016-03

李中延（1965-），男，碩士；高級(jí)工程師；主要從事客車技術(shù)研發(fā)和管理工作。