趙敏，胡建成，湛先好，李松

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 整車構(gòu)型選型

本文所研究的城市公交車，運(yùn)行環(huán)境基本都是平緩的馬路，路線比較固定，且市內(nèi)對(duì)排放性要求高；工況情況是頻繁的啟動(dòng)、停車、加速、減速，而且車速一般都不高，單次行駛距離較短。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)更適合市區(qū)或市郊交通比較擁擠的區(qū)域。汽車在怠速、起步和低速等工況下可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電池組驅(qū)動(dòng)汽車，效率更高，排放更低，同時(shí)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)開發(fā)成本相對(duì)比較低，市區(qū)內(nèi)電力設(shè)施比較完善，便于蓄電池充電，因此確定采用如圖所示的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 整車構(gòu)型原理圖

2 整車參數(shù)

整車基本參數(shù)如下表1所示。

目標(biāo)插電式串聯(lián)混合動(dòng)力公交車動(dòng)力性指標(biāo)如下表2所示。

表1 原車型基本參數(shù)

表2 整車性能指標(biāo)

本文研究的串聯(lián)式 PHEV公交車參數(shù)匹配包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系速比、動(dòng)力電池、APU系統(tǒng)的選型和匹配。動(dòng)力系統(tǒng)的匹配不僅關(guān)系到整車的成本，跟對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著決定性的影響。根據(jù)車輛運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)該選用高功率的電池、比容量和比能量雙高的動(dòng)力電池。發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為之提供電能的裝置要求較低，在滿足發(fā)電要求的前提下盡量選擇體積、質(zhì)量雙小，效率較高的型號(hào)。

3 總成參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率與額定功率

最高功率需要滿足的條件有最高車速、最大爬坡度和要求的加速時(shí)間。分別算出每種條件下的電機(jī)峰值功率，取最大值。

1）電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定。

（1）滿足最高車速條件vmax下的最高功率：

式中，ηt：傳動(dòng)效率，0.92；cD：空氣阻力系數(shù)，0.55；m：客車滿載質(zhì)量，900kg；

f：滾動(dòng)阻力系數(shù)，0.55；g：重力加速度，0.98m/s2；A：迎風(fēng)面積，7.6m2；

當(dāng)客車達(dá)到最高車速80km/h時(shí)，式3.1中的各項(xiàng)值如上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率為：72.8kw

（2）滿足最大爬坡度條件下的最高功率：

式中，最大爬坡度 αmax設(shè)計(jì)為 20%，此時(shí)的車速為10km/h，則帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算最大功率為：75.42kw

（3）滿足加速性能條件下的功率：

δ：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；If：飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0.22kgm2；Iw：四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，5.6 kgm2；r：車輪滾動(dòng)半徑，140mm；

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到：pmax3為114.53kw

由于電機(jī)的最大功率必須同時(shí)滿足上述三個(gè)條件，所以：

考慮到汽車上各種電子附件的消耗，故而使總功率上浮10%-20%

那么，額定功率

式中，pe為電機(jī)的額定功率；λ為電機(jī)過載系數(shù)取為1.5

3.1.2 電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不但影響混合力汽車傳動(dòng)系的尺寸，而且影響電動(dòng)機(jī)的扭矩。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系，以及相應(yīng)的支撐條件，需要綜合考慮電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)大恒功區(qū)系和傳動(dòng)系的體積尺寸。一般情況下，永磁交流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在4000～10000r/min。

本文中用到的電機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速的換算關(guān)系為：

將最大車速80km/h，主減速器傳動(dòng)比6.333，最高檔變速器傳動(dòng)比3.40476，車輪的半徑等數(shù)值帶入計(jì)算得到：

由最高轉(zhuǎn)速得到額定轉(zhuǎn)速：

3.1.3 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩

根據(jù)最大功率可以求得電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，其公式為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入其中，可以得到最大轉(zhuǎn)矩：

額定轉(zhuǎn)矩為：

上述計(jì)算，得到電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，列表如下：

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)表

3.2 傳動(dòng)系速比的確定

傳動(dòng)系速比的選擇要滿足車輛的最高車速和最大爬坡度的要求而且當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，電機(jī)要工作在高效區(qū)。

3.2.1 最小傳動(dòng)比的確定

最小傳動(dòng)比由最高車速確定，且此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大：強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入，可得：因?yàn)?/p>

3.2.2 最大傳動(dòng)比的確定

最大傳動(dòng)比由最大爬坡度確定，且此時(shí)電機(jī)應(yīng)達(dá)到轉(zhuǎn)矩最大：帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到：因?yàn)?/p>

3.3 動(dòng)力電池的選擇

動(dòng)力電池是整車的唯一動(dòng)力源。電池容量越大，汽車的儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，以純電動(dòng)行駛的距離越長(zhǎng)。但是另一方面容量大了，質(zhì)量和體積也增大，對(duì)車輛的動(dòng)力性和整車的布置產(chǎn)生不良影響。因此，要綜合考慮車輛的性能要求和電池的比功率和比能量來(lái)合理的選擇電池。鎳氫電池在比功率和比能量方面都是比較高的，尤其是比功率1350w/kg，是其他電池?zé)o法企及的。而本文中的車輛是城市公交車，啟停很頻繁，起動(dòng)需要大功率放電，以便能迅速啟動(dòng)，所以本文選取鎳氫電池。

電池?cái)?shù)量的選擇要從功率需要和純電動(dòng)行駛兩個(gè)方面來(lái)考慮。即，電池組的容量要滿足電動(dòng)機(jī)最大輸出功率要求。

上述公式里，w0為電池組額定容量；pv為某速度行駛的電機(jī)功率；t為行駛時(shí)間；ηm為控制器效率，取值0.8；v為行駛速度；s為行駛距離。根據(jù)性能要求，車輛以40km/h勻速行駛的話，續(xù)駛里程為30km帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到，w0=42.34kwh。

那么額定容量為：

式中UB電池組額定電壓，取為330v。單節(jié)電池電壓為7.2v，電壓變化范圍是（6.0v,9.0v），共需要80塊，分兩個(gè)電池組，串聯(lián)。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的選擇

發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是以輔助供電裝置的角色出現(xiàn)的，用以驅(qū)動(dòng)車輛或?yàn)閯?dòng)力蓄電池充電，其主要的特征有：根據(jù)整車 指令，快速、穩(wěn)定輸出功率；發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最佳燃油消耗/排放區(qū)。所以發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)匹配應(yīng)遵循下面的條件：

（1）使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)；

（2）單獨(dú)供電略高于滿足巡航時(shí)的要求；

當(dāng)電池SOC降到下限以后，發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)電，此時(shí)發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要滿足客車以最高車速 80km/h巡航的條件?？紤]傳遞過程的能量損失的話，取效率為 0.9.則發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率為：

又因?yàn)橐o蓄電池充電，功率要上浮一些，所以去發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率為88kw。發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配就可以了。額定電壓取為330v。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性，基于AVL Cruise軟件搭建了如圖所示的仿真模型。

4.1 整車模型

建模時(shí)，主要設(shè)置的模塊有：

1）車輛模塊-在其中定義：重量、高度和風(fēng)阻參數(shù)等整車參數(shù)；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)模塊-定義所有與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù)和特性曲線；

3）動(dòng)力電池模塊-設(shè)置電池組的參數(shù)和充放電電壓和SOC關(guān)系的曲線；

4）主減速器模塊-設(shè)置主減速比和輸入輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

5）駕駛員模型-定義換擋模式（手動(dòng)/自動(dòng)）、最大制動(dòng)力、油門/離合器/制動(dòng)踏板特性等。

4.2 整車控制策略

考慮到電池的荷電狀態(tài)太低會(huì)對(duì)電池有損傷，又因?yàn)楸疚氖遣咫娛交旌蟿?dòng)力，所以想盡量利用電網(wǎng)充入較為廉價(jià)的電能，減少發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)工作的頻率。盡可能的減少燃油的消耗。本文將電池的SOClow設(shè)定為50%，SOChigh設(shè)定為60%。

圖2 整車模型

當(dāng)動(dòng)力電池的 SOC 大于設(shè)定的低值時(shí)，如果汽車需求的功率小于動(dòng)力電池所能提供的最大功率，則由動(dòng)力電池單獨(dú)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，目標(biāo)功率為 0；如果汽車需求的功率大于動(dòng)力電池所能提供的最大功率，則發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供輔助功率，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率為汽車的需求功率減去動(dòng)力電池的最大功率。當(dāng)動(dòng)力電池的 SOC 達(dá)到或者小于設(shè)定的低值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組單獨(dú)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率即為汽車的需求功率。值得注意的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電的模式下，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，汽車的需求功率是可以包含充電功率的，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，發(fā)出的功率主要用于滿足汽車行駛的功率需求，如果有富余的功率，則用于給動(dòng)力電池充電。據(jù)此可以得到控制策略的流程圖，如圖3所示。

圖3 本文控制策略流程圖

4.3 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

本文研究對(duì)象為城市公交車，所選循環(huán)工況為典型城市循環(huán)工況，以此為例對(duì)整車空載、滿載、半載下的經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)車進(jìn)行了對(duì)比分析。

表4 經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比

通過對(duì)比分析可知，空載、半載、滿載條件下經(jīng)濟(jì)性都有所改善，基本達(dá)到了3%-5%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

各工況下電池SOC的變化如圖4-6所示。

圖4 空載時(shí)電池SOC變化曲線

圖5 半載時(shí)電池SOC變化曲線

圖6 滿載時(shí)電池SOC的變化曲線

5 小結(jié)

全球能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)使得世界各國(guó)都非常重視節(jié)能減排的工作，汽車行業(yè)作為重要的能源消費(fèi)和尾氣排放的行業(yè)首當(dāng)其沖率先進(jìn)行技術(shù)上的升級(jí)改造，走在節(jié)能減排的最前沿。本文就是在這種大的環(huán)境下探索城市公交車節(jié)能減排的方案：基于串聯(lián)混合動(dòng)力構(gòu)型完成了關(guān)鍵部件匹配，提出了整車控制策略，基于AVL cruise搭建了整車仿真模型并進(jìn)行了性能仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：空載、半載、滿載條件下經(jīng)濟(jì)性都有所改善，基本達(dá)到了3%-5%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。