李 冰

(濰坊職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊261041)

我國(guó)為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,在汽車領(lǐng)域著重推廣新能源汽車技術(shù)。在當(dāng)前政策法規(guī)的引導(dǎo)下,各個(gè)整車廠及科研院校重點(diǎn)關(guān)注新能源混合動(dòng)力城市公交車的發(fā)展。

作為公共交通工具,城市公交車的發(fā)展趨勢(shì)是逐漸淘汰小型公交車,大力發(fā)展10m以上車型。從市場(chǎng)情況看,12m車的市場(chǎng)占有率最高且比重有增加的趨勢(shì),并聯(lián)技術(shù)路線是L≥11m車輛中主要的技術(shù)路線,其中單軸并聯(lián)是一種常見(jiàn)的技術(shù)方案。采用單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)與低速大扭矩永磁同步電機(jī)同軸布置具有結(jié)構(gòu)緊湊,機(jī)械效率高和可靠性好的特點(diǎn),應(yīng)用頗為廣泛。本文就以12m單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力城市公交車為目標(biāo),研究其關(guān)鍵零部件匹配計(jì)算及選型方法。

1 輸入數(shù)據(jù)

1.1 城市公交車設(shè)計(jì)目標(biāo)

以12米混合動(dòng)力公交車的設(shè)計(jì)目標(biāo)作為匹配計(jì)算的重要輸入(試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 19752-2005):最高車速70km/h,最大爬坡度≥20%;0～50km/h加速時(shí)間≤25s。

以12米傳統(tǒng)城市公交車的基礎(chǔ)參數(shù)作為計(jì)算分析的輸入:基礎(chǔ)車整備質(zhì)量12500kg,滿載質(zhì)量18000kg,輪胎型號(hào)275/70 R22.5,輪胎半徑0.4541米,輪胎行駛阻力系數(shù)0.0057+0.000084×v。

1.2 設(shè)置循環(huán)工況

仿真所用循環(huán)工況為GB/T 19754-2005中規(guī)定的中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況,詳細(xì)情況如圖1所示。

1.3 建立仿真模型

使用Simulink軟件建立12米城市公交車整車物理模型和控制模型,進(jìn)行循環(huán)工況下的數(shù)據(jù)分析。依據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)的相關(guān)公式建立仿真模型。物理模型主要由行駛循環(huán)工況模塊、輪胎模塊、整車模塊、差速器模塊和主減模塊構(gòu)成。通過(guò)模擬仿真計(jì)算,可以得到該車輛數(shù)據(jù)下的循環(huán)工況對(duì)應(yīng)的需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速和需求功率。[1]建立的整個(gè)仿真物理模型的示意圖如圖2所示。

圖2 建立的仿真模型

根據(jù)建立的仿真物理模型,建立控制模型,進(jìn)行計(jì)算,控制模型如圖3所示,其中紅色為來(lái)自仿真物理模型的輸入,綠色為控制輸出。

圖3 控制模型

在控制模型中進(jìn)行怠速、啟動(dòng)等各種不同模式的計(jì)算,控制邏輯模型如圖4所示。

不同的模式下的驅(qū)動(dòng)算法的函數(shù)模塊如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)算法函數(shù)模塊

2 分析計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)、基礎(chǔ)車型數(shù)據(jù)、循環(huán)工況要求和政策要求,確定各個(gè)零部件的選型范圍。

2.1 車橋

混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系包括主減速器和變速箱,傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比為主減速比和變速箱傳動(dòng)比的乘積。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速、整車最高車速的設(shè)計(jì)目標(biāo)和整車的滾動(dòng)半徑,按公式(1)計(jì)算最大總傳動(dòng)比kmax。

式中:

nmax——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速,r/min;

Vmax——整車設(shè)計(jì)的最高車速,km/h;

r——整車的滾動(dòng)半徑,m。

根據(jù)Vmax的設(shè)計(jì)目標(biāo)70km/h、變速箱速比取1、nmax為2300r/min和輪胎半徑0.4541m,計(jì)算車橋速比≤5.6;根據(jù)Vmax的設(shè)計(jì)目標(biāo)70km/h、變速箱速比取0.78、nmax為2300r/min和輪胎半徑0.4541m,計(jì)算車橋速比≤7.2;根據(jù)Vmax的設(shè)計(jì)目標(biāo)70km/h、變速箱速比取0.73、nmax為2300r/min和輪胎半徑0.4541m,計(jì)算車橋速比≤7.7;

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、整車的最小穩(wěn)定車速和整車滾動(dòng)半徑,按公式(2)計(jì)算最小總傳動(dòng)比kmin。

式中:

nmin——發(fā)動(dòng)機(jī)最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,r/min;

Vmin——整車最小穩(wěn)定車速,km/h;

根據(jù)nmin一般為550r/min、600r/min、750r/min,本仿真中取nmin為800r/min。

根據(jù)Vmin為5km/h、變速箱速比取6.39、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min和輪胎半徑0.4541m,計(jì)算車橋速比≥4.3;

根據(jù)Vmin為5km/h、變速箱速比取7.08、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min和輪胎半徑0.4541m,計(jì)算車橋速比≥3.9;

綜上所述,推薦常用速比后橋,其速比范圍[4.3,5.6]。

依據(jù)循環(huán)工況,取后橋主減的機(jī)械效率為0.98,仿真得到主減輸入端的最大功率為140kW。因此,要求后橋主減的額定輸入功率≥140kW。

驅(qū)動(dòng)橋所能承受的載荷要符合12m公交車的需求,即后橋載荷≥13000kg。

2.2 變速箱

根據(jù)對(duì)標(biāo)車情況,選用前進(jìn)擋位在5～6個(gè)的AMT變速箱。

取變速箱平均機(jī)械效率為0.95,得出主減輸入端最大功率147.4kW,為滿足循環(huán)工況功率需要,變速箱額定輸入功率≥147.4kW。

變速箱輸入端轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)耦合轉(zhuǎn)速,因此變速箱最大輸入轉(zhuǎn)速≥發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)

根據(jù)整車最高車速的設(shè)計(jì)目標(biāo),求最高車速需求功率Pmax1。計(jì)算公式見(jiàn)下式(3)。

式中:

Pmax1——車輛以最高車速行駛,需求的功率,kW;

Vmax——最高車速,km/h;

ηt——總傳動(dòng)系效率;

m——滿載質(zhì)量,kg;

f——滾動(dòng)阻力系數(shù);

CD——空氣阻力系數(shù);

A——迎風(fēng)面積,m2。

根據(jù)最高車速70km/h勻速行駛,計(jì)算得出最高車速行駛時(shí)需求功率59.24kW。

根據(jù)整車最大爬坡度的設(shè)計(jì)目標(biāo),計(jì)算最大爬坡度的需求功率Pmax2。計(jì)算公式見(jiàn)下式(4)。

式中:

Pmax2——車輛爬最大坡度,需求的功率,kW;

vi——爬坡車速,km/h;

ηt——總傳動(dòng)系效率;

m——滿載質(zhì)量,kg;

f——滾動(dòng)阻力系數(shù);

αmax——最大爬坡角度;

CD為空氣阻力系數(shù);

A為迎風(fēng)面積,m2。

以5km/h車速爬20%的坡度,需求功率為58.21kW;以30km/h爬4%的坡,需求功率為83.2kW。

綜合上述計(jì)算,考慮輔機(jī)功率消耗12kW,按照30km/h爬4%的坡,發(fā)動(dòng)機(jī)提供功率應(yīng)≥95.2kW,即≥129.5馬力。

2.4 電機(jī)

循環(huán)工況下需要電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)提供的最大總功率為147.4kW。發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足輔機(jī)運(yùn)行的情況下,能夠提供最大功率為83.2kW,因此要求電機(jī)的峰值功率≥64.2kW。

根據(jù)《關(guān)于繼續(xù)開(kāi)展新能源汽車推廣應(yīng)用工作的通知》(財(cái)建〔2013〕551號(hào))中要求,當(dāng)前國(guó)家政策補(bǔ)貼對(duì)象是插電式混合動(dòng)力城市公交車。

而根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車節(jié)油率與最大電功率比檢驗(yàn)大綱》中規(guī)定,只有滿足以下兩點(diǎn)才能認(rèn)為是插電式混合動(dòng)力。一是裝備有可以在正常使用情況下從非車載裝置中獲取能量的裝置;二是十米以上城市公交車的純電動(dòng)模式續(xù)駛里程不低于30km。

GB/T 18386《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程檢驗(yàn)方法》中對(duì)續(xù)駛里程試驗(yàn)方法有如下要求:確認(rèn)車輛達(dá)到生產(chǎn)廠家聲稱的SOC狀態(tài),采用純電動(dòng)駕駛模式,在道路上進(jìn)行40±2km/h的等速檢驗(yàn)。因此,為了滿足上述第二條要求,計(jì)算電機(jī)額定功率需要≥28.6kW。

電機(jī)純電動(dòng)起步運(yùn)轉(zhuǎn),需要覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的低速高油耗區(qū),因此確定電機(jī)基速≥900r/min。電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸,要求電機(jī)最大轉(zhuǎn)速≥發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.5 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池通過(guò)電機(jī)控制器給電機(jī)提供電量,因此要求動(dòng)力電池的輸出功率與電機(jī)功率匹配。動(dòng)力電池的電壓與電機(jī)控制器電壓相匹配。

按照插電式混合動(dòng)力公交車財(cái)政補(bǔ)貼要求,需要?jiǎng)恿﹄姵嘏溆蟹擒囕d裝置中獲取能量的裝置,同時(shí)需要車輛在40km/h下能夠行駛30km。由于能量為功率和時(shí)間的乘積,通過(guò)計(jì)算,此種情況下電源系統(tǒng)最少應(yīng)能對(duì)外提供能量≥21.5kWh。

根據(jù)動(dòng)力電池電壓為400V,充放電效率為97%,電池SOC使用90%,計(jì)算動(dòng)力電池容量≥62Ah。

根據(jù)動(dòng)力電池電壓為355V,充放電效率為97%,電池SOC使用90%,計(jì)算動(dòng)力電池容量≥70Ah。綜上計(jì)算,要求動(dòng)力電池的容量≥70Ah。

根據(jù)《關(guān)于2016-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政支持政策的通知(征求意見(jiàn)稿)》,純電動(dòng)行駛里程大于50km,則可以免去購(gòu)置稅、車船稅等。此條件對(duì)電池能量提出了更高的要求,通過(guò)計(jì)算,此種情況下電源系統(tǒng)最少應(yīng)能對(duì)外提供能量≥35.8Wh。同理,滿足該項(xiàng)政策的情況下,要求動(dòng)力電池的容量≥100Ah。

2.6 計(jì)算結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算,得出關(guān)鍵零部件主要參數(shù)范圍,結(jié)果匯總見(jiàn)表1:

表1 關(guān)鍵零部件主要參數(shù)列表

3 關(guān)鍵零部件數(shù)據(jù)庫(kù)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

混合動(dòng)力系統(tǒng)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)是將同排量傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)合理修改后的專用發(fā)動(dòng)機(jī),其最大的特點(diǎn)是適應(yīng)頻繁的起停工況。為此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化,提升軸系抗扭能力、耐磨性、抗疲勞,還需要優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)。頻繁起停對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理也提出了更高的要求。[2]

根據(jù)計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),要求發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大于95.2kW(130馬力),轉(zhuǎn)速大于2300r/min。根據(jù)公交公司要求,發(fā)動(dòng)機(jī)排量要大于等于5L。綜合考慮實(shí)際情況,發(fā)動(dòng)機(jī)推薦如下幾個(gè)型號(hào):Eng5L、Eng6L和Eng7L。其具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)

3.2 電機(jī)/發(fā)電機(jī)

混合動(dòng)力系統(tǒng)中使用的電機(jī)/發(fā)電機(jī)是指具有驅(qū)動(dòng)和發(fā)電功能的一體機(jī)。電機(jī)常選用永磁同步電機(jī)中的內(nèi)永磁電機(jī),具有高速時(shí)效率高,低速時(shí)效率中等,高速功率高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)成本、扭矩密度、噪音居于中等水平,是市場(chǎng)成熟的產(chǎn)品,綜合各個(gè)方面是較優(yōu)選擇。另外,并聯(lián)系統(tǒng)需要綜合考慮電機(jī)的高效區(qū)及發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)。

按照零部件參數(shù)范圍,要求電機(jī)的額定功率大于28.6kW,峰值功率大約64.2kW,基速大于900r/min。推薦以下Motor1和Motor2兩款電機(jī),如表3所示。

表3 所選電機(jī)的參數(shù)

3.3 AMT變速箱

AMT變速箱是在傳統(tǒng)機(jī)械變速箱的基礎(chǔ)上,添加執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用控制程序自動(dòng)完成選換擋?？梢詼p少不合理?yè)Q擋對(duì)變速箱造成的損害,同時(shí)AMT在成本上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。[3]當(dāng)前市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)化的AMT變速箱主要有兩款,型號(hào)定義為AMT1和AMT2,其主要性能參數(shù)如表4所示:

表4 所選變速箱的參數(shù)

3.4 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池作為新能源汽車的儲(chǔ)能動(dòng)力源發(fā)揮著非常重要的作用,要評(píng)定電池的實(shí)際效應(yīng),主要是看電池的性能指標(biāo),如電壓、容量、內(nèi)阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等,根據(jù)電池種類不同,其性能指標(biāo)也有差異。

動(dòng)力電池系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要包括電池單體、電池模塊、冷卻部件(和加熱部件)、電池管理系統(tǒng)、高壓控制單元、接觸器、保險(xiǎn)、電壓電流和溫度傳感器,這些部件共同保證電池系統(tǒng)工作在安全狀態(tài)。

新能源汽車對(duì)電源系統(tǒng)的要求,[4]比能量高、比功率大、充放電效率高、相對(duì)穩(wěn)定性好、使用成本低。鋰離子電池在眾多電池種類中,綜合性能最高。

按照計(jì)算的零部件參數(shù)范圍,要求動(dòng)力電池的容量大于等于70Ah,并配有外接充電裝置。

市場(chǎng)上常用的動(dòng)力電池產(chǎn)品,滿足要求的有以下五個(gè)型號(hào),見(jiàn)表5,對(duì)此進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)得分滿分10分?？梢?jiàn),得分最高的兩款產(chǎn)品是Battery 4和Battery 5。由于是樣車,考慮到項(xiàng)目成本,選取容量較小、重量較小、應(yīng)用較多的Battery 4,即參數(shù)為355V70Ah動(dòng)力電池。

3.5 電動(dòng)輔機(jī)系統(tǒng)

關(guān)于電動(dòng)輔機(jī)系統(tǒng)中的零部件,如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)空壓機(jī)、逆變器、各種高壓部件等,根據(jù)整車參數(shù)、零部件本身的特點(diǎn)、產(chǎn)品可靠性、安全性等方面進(jìn)行選擇。

表5 五種常見(jiàn)的動(dòng)力電池

3.6 其他零部件參數(shù)

(1)輪胎

輪胎選用傳統(tǒng)公交車所配的輪胎,型號(hào)為275/70 R22.5,屬于子午線輪胎,半徑較小,方便乘客上下車。

(2)后橋

12米公交車需要選配13噸承重載荷的后橋,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,后橋主減速比選用范圍為[4.3,5.6]。由于后橋主減速比大小直接影響整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性,因此本文在所計(jì)算范圍內(nèi),選取了市場(chǎng)上常見(jiàn)的4種速比進(jìn)行仿真計(jì)算。其具體參數(shù)如表6所示。

表6 本方案選用的仿真參數(shù)

當(dāng)前,車橋的發(fā)展方向?yàn)樵诒ＷC其性能的前提下進(jìn)行輕量化處理。因?yàn)榛旌蟿?dòng)力系統(tǒng)添加了電機(jī)、電池等電能系統(tǒng),整車的裝備質(zhì)量有所增加,所以在選擇車橋時(shí),盡量選擇經(jīng)過(guò)輕量化處理的車橋。同時(shí)兼顧降噪、安裝維護(hù)方面的因素進(jìn)行選擇。

4 小結(jié)

本文以12m單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力城市公交車為例。介紹關(guān)于混合動(dòng)力公交車關(guān)鍵零部件匹配計(jì)算及選型方法,為混合動(dòng)力公交車設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵零部件的選擇提供方法和思路。分析計(jì)算以目標(biāo)整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)為輸入,通過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算和仿真計(jì)算得到了車輛關(guān)鍵零部件關(guān)鍵參數(shù)的范圍,按照仿真計(jì)算得出的零部件范圍,并結(jié)合市場(chǎng)成熟度、可靠性、安全性等方面選擇合適的零部件,接下來(lái)根據(jù)所選零部件型號(hào),制定多組方案,通過(guò)仿真并結(jié)合其他條件,完成目標(biāo)車的零部件選型工作。