胡 軍，嚴(yán)程健，龐 成

(揚州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚州 225217)

近年來，隨著國家和行業(yè)對客車節(jié)能減排問題的重視，混合動力客車得到了極大的發(fā)展。相比于純電動客車，混合動力客車克服了續(xù)航里程短、充電樁建設(shè)密度小帶來的發(fā)展瓶頸，平衡了客車對動力性和燃油經(jīng)濟性的雙重追求[1-2]，更加適合于目前國內(nèi)復(fù)雜多變的路況環(huán)境。

ISG(混聯(lián)式)混合動力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，采用發(fā)動機和電機同軸并聯(lián)的方式進行動力混合[3-5]，可以方便地實現(xiàn)快速啟停功能，降低怠速油耗[5-11]。另外，面向不同的行駛工況要求，其發(fā)動機扭矩與電機扭矩可以進行多種形式的疊加以實現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)動效率，同時在減速和制動時能夠進行自動能量回收，使電機發(fā)電并儲存能量于動力儲能裝置中(動力電池)。

1 設(shè)計背景

1.1 整車主要參數(shù)

ISG混合動力客車主要參數(shù)如表1所示。

1.2 技術(shù)指標(biāo)要求

整車設(shè)計需要達到的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 電機、控制器電磁、電氣設(shè)計方案

電壓平臺為250～650 V DC，其中400 V DC以下平臺(250～400 V)電機額定電壓設(shè)定為380 V， 400 V DC以上臺(400～650 V)電機額定電壓設(shè)定到220 V。

表1ISG混合動力客車主要參數(shù)
Table1Main parameters of ISG hybrid power bus

基本參數(shù)數(shù)值 輪胎半徑r/mm506 整備質(zhì)量m/kg11600 最大總質(zhì)量M/kg16500 主減速器比I06.143 迎風(fēng)面積A/m29 風(fēng)阻系數(shù)Cd0.65 滾動阻力系數(shù)f0.0085 傳動效率ηt/%0.95 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)δ1.05 空氣密度ρ/(kg·m-3)1.29

表2ISG混合動力客車動力性指標(biāo)
Table2Power performance index of ISG hybrid power bus

指標(biāo)項目要求最高車速Vmax/(km·h-1)70爬坡度(滿載)20km/h的車速通過15%的坡度;0～20km/h的加速時間tm/s≤50～50km/h的加速時間tm/s≤20城市工況平均油耗Q/(L·(100km)-1)≤15續(xù)航里程半載40km/h不低于50km

2 ISG系統(tǒng)匹配設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計

ISG系統(tǒng)主要適用于城市客車。城市客車運行工況比較穩(wěn)定，一般車速不高，且低速運行情況較多，加速減速頻繁。為提高城市客車整車燃油經(jīng)濟性，應(yīng)盡量使整車低速時運行在純電動模式，中高速時采取混動模式。ISG混合動力系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)型如圖1所示。

圖1 ISG混合動力系統(tǒng)方案Fig 1 ISG hybrid power system scheme

2.2 主要部件選型及參數(shù)匹配

2.2.1 發(fā)動機選型

ISG系統(tǒng)發(fā)動機驅(qū)動運行一般適用于車速較高的情況，低速爬坡和加速時一般由電機單獨完成或者兩者混合驅(qū)動。因此，發(fā)動機最大功率一般按照最高車速匹配，即發(fā)動機在滿足單獨驅(qū)動汽車以最高車速行駛時的功率下，還留有一定的富余功率給儲能裝置充電。

Pemax≥

(1)

式中：Pemax為發(fā)動機最大輸出功率,kW;Vmax為最高車速,m/h。

考慮到發(fā)動機附件(動力轉(zhuǎn)向助力泵和風(fēng)扇等)消耗的功率(按20 kW計算)、發(fā)動機的預(yù)留功率(假設(shè)預(yù)留功率20 kW給儲能裝置充電)、發(fā)動機的后備功率(供加速和超速時使用)，同時保證整車的動力性，根據(jù)發(fā)動機現(xiàn)有型號，選用濰柴發(fā)動機的WP6.220E50，其最大功率為162 kW。

2.2.2 電機組的選型

2.2.2.1 驅(qū)動電機的選型

驅(qū)動電機主要在低速、爬坡和起步加速3種模式下工作，所以電機須滿足車輛低速即在純電動模式下最高車速(此處暫定30 km/h)行駛的要求和爬坡、加速的要求。

(1)低速行駛要求

在對電機的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性作一定限制的情況下，通過理論計算，車輛以30 km/h純電動行駛時所需的功率為：

(2)

式中：Vi為當(dāng)前車輛速度，即30 km/h。

(2)爬坡要求

參考設(shè)計要求，車輛以20 km/h的車速通過15%的坡度所需功率為:

(3)

(3)起步加速要求

根據(jù)起步加速性能來確定最大功率。假設(shè)汽車在無坡度的公路上加速，根據(jù)汽車加速過程中的動力學(xué)方程，得知汽車的總功率為:

P=Pj+Pf+Pw=

(4)

式中：Pj為加速功率，kW;Pf為滾動阻尼功率，kW;Pw為空氣阻力功率，kW;v為車輛瞬間速度，km/h;V為車輛穩(wěn)定速度,km/h。

車輛起步加速過程的需求功率按0～20 km/h滿載加速要求進行匹配，加速時間為5 s，最大需求功率P3可根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算。

(5)

根據(jù)上述按設(shè)計指標(biāo)匹配計算的3種最大功率，驅(qū)動電機峰值功率Pmax須滿足所有上述的設(shè)計需求，即Pmax≥max(P1,P2,P3)。

電動機額定功率可根據(jù)峰值功率由下式求出。

(6)

式中：Pmax為電機峰值功率,kW；P額為電機額定功率,kW；λ為電機過載系數(shù)，一般取2～3，本文計算中選取λ=2。

為保證車輛在起步階段有較大的加速能力，需要保證電機在低速時有較大的輸出扭矩。由驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩特性可知，電機在額定轉(zhuǎn)速以下具有恒定的峰值輸出扭矩，超過額定轉(zhuǎn)速后電機功率恒定，轉(zhuǎn)矩下降。因此，車輛在沒有變速箱的情況下，爬坡能力主要受驅(qū)動電機峰值的限制，且電機峰值扭矩越大，整車加速性能越強，加速時間越短。驅(qū)動電機最大扭矩匹配可通過下式計算。

T≥

(7)

式中：T為驅(qū)動電機最大扭矩,N·m；V為車輛速度,km/h。

城市客車考核的工況一般為中國典型城市的公交循環(huán)工況(CCBC)，因此在選擇驅(qū)動電機時也要其有一定的工況適用性(經(jīng)濟性角度)。運用MATLAB計算工具可以求出CCBC工況下驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及工況分布需求圖(圖2，其中數(shù)字越大代表功率等級越大)。純電動模式時客車功率需求一般在1～3級。

圖2 驅(qū)動電機工況需求分布圖Fig 2 Distribution diagram driving motor condition demand

2.2.2.2 ISG電機的選型

ISG電機的作用主要有兩個方面：第一、快速啟動發(fā)動機，其功率應(yīng)大于發(fā)動機總附件功率；第二、為動力電池充電。為避免車輛在加速或者爬坡時，動力電池出現(xiàn)虧電的情況，ISG電機的功率應(yīng)盡量大些。因此，結(jié)合2.2.2.1發(fā)動機附件功率，ISG電機的功率應(yīng)在此基礎(chǔ)上再預(yù)留一部分功率裕量。

考慮到電機控制器的控制效率問題(一般在95%左右)，以及其他一些系統(tǒng)影響因素的存在，在對驅(qū)動電機進行選擇的時候應(yīng)該使其功率稍大于上述計算值。經(jīng)綜合考慮并結(jié)合主流電機產(chǎn)品，選用的驅(qū)動電機和ISG電機的參數(shù)如表3所示。

表3TM(驅(qū)動電機)及ISG電機組參數(shù)
Table3TM (drive motor) and ISG power set parameters

類別TM(驅(qū)動電機)ISG電機額定功率/kW75 48 額定扭矩/(N·m)1023 327 額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)700 1400 峰值功率/kW150 70 峰值扭矩/(N·m)2046 478 峰值電流/A350 165 最高轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3000 3000

電機控制器主要根據(jù)電機的峰值電流和電池的電壓平臺來選擇。電池的電壓應(yīng)用平臺為500 V，結(jié)合表3電機參數(shù)，同時考慮空間布置與零部件體積，控制器采用二合一集成電機控制器，其參數(shù)如表4所示。

表4電機控制器參數(shù)
Table4Motor controller parameters

類別ISG電機驅(qū)動電機額定輸入電壓(DC)/V540540輸入電壓(DC)/V200～750200～750額定輸出電流/A21091峰值輸出電流/A380160

根據(jù)匹配試驗得到的驅(qū)動電機效率數(shù)據(jù)，結(jié)合前述的工況選型要求，做設(shè)計驗證如圖3。由圖3可以看出，電機的需求功率一般都處于較高效率點。因此，其選型合理。

圖3 驅(qū)動電機效率及工況需求驗證分布圖 Fig 3 Demand verification distribution diagram drive of motor efficiency and operating condition

2.2.3 動力電池的參數(shù)匹配

根據(jù)整車需求進行動力電池組匹配。電池組匹配一般從以下兩點考慮：一是滿足規(guī)定的純電動模式下續(xù)航里程要求；二是電池放電功率限制，即須滿足最高行駛功率需求。

根據(jù)設(shè)計要求，車輛應(yīng)滿足載荷65%、純電動模式40 km/h勻速行駛工況下，續(xù)航里程不少于50 km。由式(6)求出該工況下車輛平均需求功率P1，則電池的平均放電功率Pb，可通過下式計算。

(8)

式中：ηb為電池能量傳遞環(huán)節(jié)的效率，一般取0.97。

根據(jù)續(xù)航里程需求，可算出所需的能量W0。

(9)

式中：Pb為電池的平均放電率，kW·h;t為續(xù)航時間，h;S為續(xù)航里程，km;v為平均行駛速度,km/h。

ISG系統(tǒng)選用的是磷酸鐵鋰電池。實際運行中，電池一般能以2C倍率持續(xù)放電，或以3C以上倍率峰值放電。結(jié)合上述的電機峰值功率需求，選出推薦的磷酸鐵鋰電池配置參數(shù)如表5。

3 整車仿真驗證

整車動力性仿真分別在純電動、混動、二者疊加的峰值模式下，結(jié)合公交循環(huán)工況，通過MATLAB來完成。中國典型城市的公交循環(huán)工況如圖4所示，主要性能指標(biāo)仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

表5動力系統(tǒng)選型結(jié)果表
Table5Power system selection result table

屬性數(shù)值/類型持續(xù)放電/kW75/2C峰值放電/kW>150/3C電壓范圍/V500～600總能量/(kW·h)50

圖4 中國典型城市公交循環(huán)工況Fig 4 Typical bus cycle in Chinese cities

圖5 系統(tǒng)最大輸出扭矩曲線Fig 5 System maximum output torque curve

圖7 急加速仿真曲線Fig 7 Simulation curve of rapid acceleration

經(jīng)濟性仿真按照CCBC工況進行，仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。其中，圖8中的層疊工況是將CCBC工況進行拆分后，每個工況仿真結(jié)果的疊加，目的是為了便于觀察工況需求分布。

圖8 工況需求功率分布Fig 8 Distribution of power demand under operating conditions

圖9 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分布Fig 9 Drive motor speed torque distribution

圖10 發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分布Fig 10 Engine speed torque distribution

整車燃油經(jīng)濟性仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，整車百公里油耗為14.929 6 L，滿足設(shè)計要求。

圖11 燃油經(jīng)濟性仿真結(jié)果 Fig 11 Fuel economy simulation results

4 結(jié)束語

本文主要研究混合動力系統(tǒng)匹配選型與仿真驗證工作。結(jié)合CCBC工況，著重分析各零部件的工作效率，在滿足燃油經(jīng)濟性的同時兼顧動力性，在此基礎(chǔ)上進一步地仿真、分析和研究，得出該混合動力車型的合理系統(tǒng)匹配選型；針對城市客車運行立體交通、線路固定、載荷多變且時段性明顯等特點，提出ISG并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；通過對城市客車運行工況特點的分析，得出并聯(lián)式混合動力客車適合于在市內(nèi)低速行駛，以及頻繁地停車、啟動、加速的復(fù)雜工況，且運行穩(wěn)定、可靠性高；通過對發(fā)動機扭矩與電機扭矩進行多種形式的疊加，以實現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)動效率，在滿足城市客車運行動力性的基礎(chǔ)上兼顧燃油經(jīng)濟性；最后，仿真結(jié)果表明，該車型的各項指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求，可以為混合動力客車的研發(fā)工作提供參考。