房永強(qiáng)

增程式電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)集成與匹配分析

房永強(qiáng)

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

增程式電動(dòng)客車具備一定里程純電行駛和長距離增程行駛的特點(diǎn)，能緩解純電動(dòng)客車?yán)锍虘n慮問題。文章針對(duì)市場(chǎng)需求和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)增程式電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、增程器總成等核心部件進(jìn)行了性能匹配設(shè)計(jì)，并在MATLAB-Simulink軟件平臺(tái)中建立整車動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型?；诩冸姙橹?、增程為輔的使用特點(diǎn)，制定了增程式動(dòng)力系統(tǒng)總體工作策略，而后對(duì)常用車速巡航維持功率、高速巡航維持功率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)中國重型商用車輛行駛工況（CHTC-C）下增程器輸出功率與動(dòng)力電池能量變化進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明增程器輸出功率越小，需要?jiǎng)恿﹄姵匮a(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)能量越多，當(dāng)達(dá)到某一經(jīng)濟(jì)功率時(shí)動(dòng)力電池電量基本平衡。相比于傳統(tǒng)單一工況匹配增程器功率的方式，文章考慮特定場(chǎng)景具體需求，并對(duì)多種工況下增程器經(jīng)濟(jì)功率和最大輸出功率進(jìn)行分析，為增程器選型及后續(xù)功率跟隨策略的完善提供了思路。

增程式電動(dòng)客車；動(dòng)力系統(tǒng)；集成匹配；控制策略

隨著能源和環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，新能源汽車在國家政策支持下已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向[1]。增程式電動(dòng)客車作為新能源客車的一種類型，將發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)結(jié)合為增程器，使發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)工作在高效率區(qū)間，燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最高[2]。從產(chǎn)品適應(yīng)性和電動(dòng)化政策趨勢(shì)看，增程式電動(dòng)客車在特定場(chǎng)景下，能充分發(fā)揮中短距離純電行駛和長距離增程行駛的優(yōu)勢(shì)，緩解純電動(dòng)客車的里程憂慮問題[3-4]。本文針對(duì)市場(chǎng)實(shí)際需求，對(duì)采用的增程式電動(dòng)客車及其動(dòng)力系統(tǒng)集成匹配進(jìn)行研究。

1 增程式動(dòng)力系統(tǒng)方案

增程式電動(dòng)客車是一種在純電模式下可以達(dá)到其所有的動(dòng)力性能，而當(dāng)車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)無法滿足續(xù)航里程要求時(shí)，打開車載輔助供電裝置為動(dòng)力系統(tǒng)提供電能，以延長續(xù)航里程的電動(dòng)客車，且該車載輔助供電裝置與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒有傳動(dòng)軸（帶）等傳動(dòng)連接[5]。增程式動(dòng)力系統(tǒng)主要組成包括增程器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為唯一動(dòng)力源，動(dòng)力電池為主能量源，增程器作為輔助能量源，由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 增程式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

增程式電動(dòng)客車在行駛過程中，大多數(shù)時(shí)間由動(dòng)力電池提供能量，當(dāng)電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）低于限定值時(shí)增程器開啟，消耗燃油燃料為車輛持續(xù)行駛提供能量，達(dá)到增加續(xù)航里程的目的，同時(shí)富裕能量可為動(dòng)力電池充電并維持電池能量平衡。車輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量也能實(shí)時(shí)回收儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中。

某市場(chǎng)對(duì)新能源車輛性能及使用特定需求有：城市內(nèi)日常用車接待時(shí)采用純電動(dòng)模式，在周邊停車場(chǎng)充電樁進(jìn)行補(bǔ)電；中長途出行及周邊旅游時(shí)采用增程模式，中途或返回點(diǎn)加油進(jìn)行補(bǔ)給，以解決里程焦慮問題。結(jié)合客戶以純電為主、增程為輔的使用需求，采用增程式電動(dòng)客車方案，其整車參數(shù)及主要性能指標(biāo)要求如表1、表2所示。

表1 某款增程式電動(dòng)客車整車參數(shù)

整車參數(shù)符號(hào)數(shù)值 滿載質(zhì)量/kgmmax7 000 迎風(fēng)面積/m2A4.8 輪胎滾動(dòng)半徑/mmr0.372 風(fēng)阻系數(shù)CD0.53 滾動(dòng)阻力系數(shù)f0.009 主減速器傳動(dòng)比i04.88 傳動(dòng)系傳動(dòng)效率ηT0.90

表2 某款增程式電動(dòng)客車主要性能指標(biāo)要求

性能指標(biāo)符號(hào)技術(shù)要求 最高車速/(km/h)vmax120 百公里加速時(shí)間/stmax≤24 (10 km/h)最大爬坡度/%imax≥25 (20 km/h)持續(xù)爬坡度/%icon≥9 4%坡度最高車速/(km/h)vi4≥60 (40 km/h等速)純電里程/kmSE≥300 (40 km/h等速)增程里程/kmSR≥400

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

汽車功率平衡方程式[6]如式（1）所示：

式中，e為車輛驅(qū)動(dòng)功率，kW；為車輛質(zhì)量，kg；為車輛行駛車速，km/h；為坡度，%；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.01。

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足最高車速要求，如式（2）所示。

式中，max為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；g為變速箱速比，取1。

計(jì)算可得最高轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于4 176 r/min，通常永磁同步電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比值在2～4，此處取2.8，則額定轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于1 491 r/min。

在爬坡工況下，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性，額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩模式，額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)為恒功率模式。恒轉(zhuǎn)矩模式下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)影響最大爬坡度和起步加速能力[7]，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力如式（3）所示。

式中，e為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，N；i為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；g為變速箱傳動(dòng)比，取1。

車輛爬坡時(shí)需要克服風(fēng)阻和滾阻，結(jié)合式（3）進(jìn)一步可得電機(jī)轉(zhuǎn)矩需滿足式（4）。

在加速工況下，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，車輛速度從零加速到100 km/h要求小于24 s，電機(jī)功率[8]如式（5）所示。

式中，a為加速功率，kW；a為加速時(shí)間，s；f為加速最終速度，m/s；b為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的車速，可由式（2）計(jì)算得到，m/s；a為空氣密度，取1.225 8 N·s2·m-4。

此外，為接近實(shí)際運(yùn)行情況，基于中國重型商用車輛行駛工況（China Heavy-duty commercial vehicle Test Cycle-City coaches, CHTC-C）[9]模擬，經(jīng)仿真計(jì)算，該車型在工況下行駛需求功率譜如圖2所示，其中最大行駛需求功率為88.54 kW。

圖2 CHTC-C工況下整車行駛需求功率圖

綜上，在不同行駛工況下，將表1、表2參數(shù)分別代入以上各公式，計(jì)算整理得到表3。

表3 各特定工況下需求的最大功率、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速

特定行駛工況最大需求功率/kW最大需求轉(zhuǎn)矩/(N·m)最高需求轉(zhuǎn)速/(r/min) 滿載最高車速勻速工況（m=mmax；v=vmax；i=0）87.02 4 176 滿載百公里加速工況（m=mmax；v=100 km/h；i=0）182.59 滿載最大爬坡度勻速工況（m=mmax；v=10 km/h；i= imax）53.2381 504.89 滿載4%坡度最高車速工況（m=mmax；v=vi4；i=4%）70.22321.192 088 滿載9%持續(xù)爬坡勻速工況（m=mmax；v=20 km/h；i= icon）42.05575.22 滿載CHTC-C行駛工況（m=mmax；i=0）88.54

電機(jī)峰值功率應(yīng)同時(shí)滿足以上滿載最高車速、百公里加速時(shí)間、最大爬坡度以及CHTC-C工況的功率要求，則峰值功率應(yīng)不低于182.59 kW。電機(jī)額定功率應(yīng)同時(shí)滿足以上滿載最高車速、穩(wěn)定車速持續(xù)4%坡度爬坡的功率要求，并且峰值功率與額定功率比值一般在2～3倍，則額定功率可取87.02 kW。

電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩要滿足最大爬坡度要求，則峰值轉(zhuǎn)矩應(yīng)不低于1 504.89 N·m。電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩要滿足9%爬坡度下持續(xù)爬坡需求，并且額定轉(zhuǎn)矩要滿足式（6）計(jì)算關(guān)系，則額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)接近575.22 N·m。

式中，e為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；e為電機(jī)額定功率，kW；e為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m。

綜上，結(jié)合電機(jī)型譜選擇額定功率為90 kW；峰值功率為188 kW；額定轉(zhuǎn)矩為588N·m；峰值轉(zhuǎn)矩為1 700 N·m；額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min；峰值轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2 動(dòng)力電池

由于特定市場(chǎng)需求明確，電池電量首先需滿足純電行駛里程需要，由表2可知車輛40 km/h等速下純電里程要求不低于300 km，由此對(duì)動(dòng)力電池電量進(jìn)行計(jì)算。

式中，40為車速，取40 km/h；40為勻速行駛需求功率，kW；H為動(dòng)力電池荷電狀態(tài)上限值，取100%；L為動(dòng)力電池荷電狀態(tài)下限值，取10%；E為動(dòng)力電池總電量，kWh。

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得E為83.33 kW。同時(shí)，電池功率需滿足整車在純電動(dòng)模式下的性能需求，即電池最大功率應(yīng)覆蓋驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率需求，并且滿足整車電附件最大功率需要。

式中，bat為電池最大放電功率，kW；mot為電機(jī)最大功率，取182.59 kW；aux為整車電附件綜合功率，取10 kW。

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得bat為192.59 kW。

綜上，結(jié)合電池型譜選擇電池電量為83.33 kWh；額定電壓為537.6 V；最大輸出功率為210 kW的磷酸鐵鋰電池組。

2.3 增程器

增程器由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，對(duì)外機(jī)械解耦，只輸出電能，因此增程式電動(dòng)客車行駛模式主要有純電動(dòng)模式和增程發(fā)電模式。處于純電動(dòng)模式時(shí)，要求動(dòng)力電池最大輸出功率滿足整車純電動(dòng)行駛需求；當(dāng)電池電量不足時(shí)，增程器啟動(dòng)供電驅(qū)動(dòng)整車行駛，富裕功率可為動(dòng)力電池充電。

增程器功率需確保整車在各種行駛工況下動(dòng)力電池不虧電，并且在大多數(shù)使用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)盡量維持在萬有特性曲線的高效率、低排放區(qū)間?；诔Ｓ闷骄囁傩旭偣β蔥10]、高速最低巡航車速行駛功率[11]、模擬循環(huán)工況下電量平衡功率[12]等工況下對(duì)增程器維持整車功率進(jìn)行計(jì)算。

表4 特定行駛下需求的維持功率

特定行駛工況需求功率/kW備注 常用平均車速（m=mmax；v=60 km/h；i=0）19.45由式（1）計(jì)算 高速最低巡航車速（m=mmax；v=80 km/h；i=0）34.25由式（1）計(jì)算 CHTC-C模擬循環(huán)工況（m=mmax；i=0）24圖5仿真結(jié)果

增程器最大輸出功率應(yīng)滿足高速最低巡航車速行駛功率，則最大輸出功率應(yīng)不低于34.25 kW，選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速高效率經(jīng)濟(jì)區(qū)功率值，應(yīng)盡量接近常用平均車速行駛功率19.45 kW，以及實(shí)際運(yùn)行路況（以CHTC-C模擬工況為參考）下維持動(dòng)力電池能量平衡的最小功率24 kW。

由此，依據(jù)增程器發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性和發(fā)電機(jī)工作特性曲線，綜合選型燃油消耗率在20～25 kW特性曲線區(qū)域整體較低，且最大輸出功率不低于35 kW的增程器方案。結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有資源選定某款40 kW增程器方案，進(jìn)而可按式（10）計(jì)算需要的油箱容積[13]。

式中，v為油箱容積，L；e為發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率，取220 g/kWh；g為汽油密度，取0.752 g/cm3。

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得v為43.88 L，結(jié)合市場(chǎng)資源選擇45 L的油箱。

3 動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析

在MATLAB-Simulink軟件平臺(tái)中建立整車動(dòng)力系統(tǒng)行駛仿真模型，如圖3所示。

基于純電為主、增程為輔的市場(chǎng)使用需求，在駕駛區(qū)設(shè)置模式切換開關(guān)，純電動(dòng)模式及增程模式下都優(yōu)先使用動(dòng)力電池。增程模式下，增程器盡可能多的運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)模式區(qū)間，并采用功率跟隨策略[14]，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍盡可能包含高效率區(qū)間，且增程器輸出功率具備一定的動(dòng)態(tài)跟隨能力，以提高綜合工況下的運(yùn)行效率。當(dāng)動(dòng)力電池低于設(shè)定上限（如60%）且未高于設(shè)定上限（如65%）時(shí)，增程器啟動(dòng)工作，選取發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)聯(lián)合發(fā)電效率最高的工作區(qū)間范圍，作為增程器的經(jīng)濟(jì)輸出功率，整車需求功率超過增程器經(jīng)濟(jì)輸出功率部分，由動(dòng)力電池補(bǔ)充；需求功率小于增程器經(jīng)濟(jì)輸出功率時(shí)，富裕功率對(duì)動(dòng)力電池充電。當(dāng)復(fù)雜路況情況下，電池低于設(shè)定下限（如30%）時(shí)，增程器開啟最大輸出功率，使盡可能快地恢復(fù)到發(fā)電上限（如50%）后增程器恢復(fù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。制定主要的控制策略如圖4所示。

圖3 整車動(dòng)力系統(tǒng)行駛仿真模型

圖4 增程式動(dòng)力系統(tǒng)主要工作策略

以CHTC-C中國普通客車行駛工況作為實(shí)際模擬路況進(jìn)一步仿真分析，能量回收率取70%，初始動(dòng)力電池設(shè)定為50%，在既定控制策略和選定的增程器規(guī)格下，經(jīng)仿真計(jì)算可得圖5－圖6。

圖5 CHTC-C工況下增程器輸出功率與電池能量關(guān)系

圖6 CHTC-C工況下40kW增程器對(duì)應(yīng)電池能量變化

由以上綜合工況仿真結(jié)果可知，增程器輸出功率越小，需要?jiǎng)恿﹄姵匮a(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)能量越多，行車充電越少。當(dāng)增程器輸出功率為24 kW時(shí)，電池能量基本無變化，即制動(dòng)回收的和行車充電的能量等于電池需要補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)能量。

在選定的增程器方案最大輸出功率為40 kW的狀態(tài)下，動(dòng)力電池能量增加了5.22 kWh，能持續(xù)提高或維持在合理水平，即增程器的最大輸出功率能保障動(dòng)力電池不持續(xù)下降到使用下限，并有富裕功率對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)市場(chǎng)需求和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)采用的增程式電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)方案進(jìn)行匹配計(jì)算，建立了整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，基于純電為主、增程為輔的使用需求，制定了增程式動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，并對(duì)常用車速巡航、CHTC-C工況下增程器經(jīng)濟(jì)功率，以及高速巡航增程器維持功率進(jìn)行了計(jì)算與仿真分析，相比于傳統(tǒng)單一工況的匹配方式，本文方案充分考慮特定場(chǎng)景具體需求，更貼近實(shí)際情況，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了增程器方案使用的合理性，有助于提高增程式電動(dòng)客車使用綜合效益。

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Power System Integration and Matching Analysis of Extended Range Electric Bus

FANG Yongqiang

( Xiamen King Long United Automotive Industry Company Limited, Xiamen 361023, China )

Extended range electric bus have the characteristics of pure electric driving and long-distance extended range driving, which can alleviate the concern of pure electric bus mileage. According to the market demand and practical application scenarios, the performance matching design of the drive motor, power battery, range extender-assembly and other core components of the extender-range electric bus power system is carried out in this paper, and the dynamics model of the vehicle power system is established in the software platform of MATLAB-Simulink. Based on the use characteristics of pure electricity as the main and extended range as the auxiliary, the overall working strategy of the extended range power system is formulated, and then the cruise maintenance power at common speed and at high speed is calculated, and the output power of the range extender and the energy change of the power battery are simulated and analyzed under the China heavy-duty commercial vehicle test cycle-city coaches (CHTC-C) integrated working condition. The results show that the smaller the output power of the range extender, the more drive energy needed to be compensated by the power battery. When reaching a certain economic power, the power of the power battery is basically balanced. Compared with the traditional way of matching range extender power under a single working condition, this paper analyzes range extender power under multiple working conditions considering the specific needs of specific scenarios, providing ideas for the selection of range extender and the improvement of subsequent power follow strategy.

Extended range electric bus; Power system; Integrated matching; Control strategy

U469.72

A

1671-7988(2023)20-20-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.005

房永強(qiáng)（1983－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?、氫能源、?chǔ)能領(lǐng)域，E-mail:fangyq @mail.king-long.com.cn。