一种电—气串联混合动力客车动力系统的方案设计

1 前言

    随着能源危机和环境污染问题的日趋严重，近10年来全球各汽车制造商纷纷推出各种型式的电动汽车。混合动力汽车技术作为一项在短期内可有效降低汽车能源消耗和排放的汽车新技术，已经成为世界汽车行业研究焦点之一。我国科技部将其作为“十五”863重大专项的内容，目前混合动力汽车产品已进入国家公告程序，初步具备产业化条件。电一气串联混合动力汽车综合了混合动力汽车和天然气汽车的优势，进一步改善了车辆燃油经济性和排放性。

    本文基于对电一气串联混合动力客车运行目标驾驶循环的分析，对其动力系统进行方案设计，以保证在满足车辆动力性要求的前提下，提高整车燃油经济性。

2 电-气串联混合动力客车整车参数和技术指标

    所研究的电一气串联混合动力客车基础车型为长11.4 m的二级踏步城市客车，整车参数如表1所列。

3 混合动力系统结构

    目前，混合动力电动汽车动力系统的结构主要分为串联式、并联式和混联式3种。由于城市公交车经常工作在行驶速度低、起停频繁的工况下，所以更适合采用串联式混合动力系统，以使发动机始终在最佳工作区域内运行，减少发动机燃油消耗和排放。同时，串联式混合动力汽车由于电机功率较大，有利于较多地回收制动能量［5〕。因此，本文研究的混合动力电动客车采用的是如图1所示的串联式动力系统。

    研究所选择的发动机为压缩天然气发动机，燃料采用混氢压缩天然气（HONG），以获得更佳的排放性。发电机选择交流同步发电机。电动机选择交流电动机，通过电动机控制器连接到直流总线。由发动机、发电机及整流器组成APU（功率辅助单元），根据整车控制器的命令输出功率或关闭。蓄电池直接并联在直流总线上，以补偿APU输出功率与电动机输人功率的差值，并在制动过程中吸收反馈的制动能量。蓄电池选择镍氢蓄电池。

4 基于城市公交驾驶循环分析的零部件选型计算

    与传统的内燃机汽车相比，混合动力汽车的能量经济性更易受到不同驾驶循环的影响。因此，必须选择能够较好地反映车辆实际运行条件的驾驶循环。本文以中国汽车技术研究中心承担的“863”项目“我国典型城市行驶工况”的研究成果“城市公交循环”为基础，进行零部件的选型计算。

    HONG混合动力客车的零部件参数主要根据城市公交驾驶循环的需求来制定。图2所示为城市公交驾驶循环的工况数据，循环总运行时间为1304s，行驶里程为5.840km，最高车速为60km/h。

　　4.1 电动机参数选择

    根据城市公交驾驶循环的工况车速和整车的相关参数，由以下公式可以计算出电动机驱动和制动的工作工况点（图3）：

    式中，Tm为电动机转矩，N·m；nm为电动机转速，r/min；Fi、Fw、Fj分别为整车的坡度阻力、空气阻力、滚动阻力和加速阻力，N；Rr为车轮滚动半径，m；ig、io分别为变速器和主减速器的速比；ηT为传动效率。

    选择电动机转速在2000r/min以下，720 N·m恒转矩及电动机转速在2 000 r/min以上，150 kW恒功率线包络图3中的工况点，可以据此选取电动机的外特性参数。

    通过计算电动机工作工况点，还可以得到电动机驱动转矩及功率响应速度。城市公交循环要求：电动机的转矩上升速度不低于566N·m/s，下降速度不低于588N·m/s；电动机驱动功率上升速度不低于104kW/s，下降速度不低于128kW/s，，

    对于电动机工作高效区的选择，引人平均驱动能量的概念，即单位里程内电动机在一定工作区域内的驱动能量：

    式中，Ev为平均驱动能量kJ/km ；Pmotor，k为电动机在各区域内驱动能量，kJ；S为电动机在各区域内的行驶路程，km。

    经计算，电动机在各工作区域内的平均驱动能量如图4所示。

    根据计算得到的电动机在各工作区域的平均驱动能量，选择在平均驱动能量高区域内具有较高驱动效率的电动机，由此提高整个循环内的电动机驱动效率和整车经济性。

    同理，可以根据城市公交驾驶循环和制动能量回馈的需要，选择电动机制动状态的相应参数。经过计算，选择了株洲所的JD14X2交流异步电动机，其额定功率为100kW，峰值功率为150kW，转速在1000 r/min以下时转矩达1000 N·m，为提高整车爬坡性能和加速性能留有裕量。

    4.2 APU参数选择

    APU的经济性和排放性直接决定了整车的经济性和排放性。由于APU与传动系统没有直接机械连接，因此APU的工作转速可以自由选取，只需选择APU的发电功率即可。假设电动机需要的电能全部由APU提供，则计算得到的APU不同发电功率段发电能量的分布如图5所示，APU的平均发电功率（循环总发电功率除以循环驱动过程总时间）为38.9 kW。 

 从图5可看出，APU的发电能量大部分分布在2070 kW功率范围内。由于APU发出的电能经蓄电池储存再输出是一个低效的过程，因此应尽量使APU发出的电能直接供给电动机驱动，这就要求APU在图5中能量分布较高的区间（20～70kW）里的发电效率尽可能高且排放性良好。

    本文选择的是4CT180 CNC发动机，配备UC224G三相交流同步发电机。发电机转速在1500r/min时的额定功率为68kW；转速在1800r/min时的额定功率为78kW。采用三相全波不可控整流器，功率范围为10～120kW。

    4.3 蓄电池参数选择

    假设APU恒定发出平均发电功率为38.9kW，其它部分由蓄电池补充，则可以计算出蓄电池最大放电电流及持续时间。经计算，蓄电池最大放电电流为332.7A，最大放电功率为127.8kW。各放电电流持续时间如表3所列。

    由于电动机最大回馈功率为150kW，蓄电池充电功率约为135kW，充电电流为351A，假设制动过程中最大限度发挥电动机的回馈制动能力，则计算出的蓄电池最大充电电流及持续时间如表4所列。

    根据表3和表4的数据，选择了有色金属研究院研发的80Ah镍氢蓄电池，其额定电压为384V，短时间最大放电电流和最大充电电流基本满足需求。

5 整车仿真验证

    为了对各零部件的选型进行验证，建立了整车仿真模型，如图6所示。由城市公交驾驶循环计算出电动机所需功率并传送给整车控制器，再由整车控制器决定APU和蓄电池之间的能量分配，电动机根据实际接收的指令和APU、蓄电池当前实际发出的功率计算出实际输出转矩，传送给底盘一路面模型以计算车速。

　　通过仿真计算，得出整车的最高车速≥70km/h，0～50km/h的加速时间为16.7s，最大爬坡度为22%，整车动力性均达到了技术指标的要求。图7为仿真得到的混合动力客车加速过程。

    整车的经济性通过运行城市公交循环来检验选择开关式和功率跟随式相结合的优化控制策略使整车模拟连续运行5个城市公交循环，得到整车燃料消耗量和蓄电池SOC值的变化，如图8所示。

    5个工况循环后，共消耗燃料7.47kg，SOC值从80%下降到66%。对于蓄电池电量的改变量，采用如下公式换算为燃料消耗量：

    式中，MbattHCNG为等效燃料消耗量，kg；Ek为消耗的电量，kW·h；QHCNGIow为HONG的低热值，J/9；ηAM为APU的平均发电效率。

    根据公式将下降的SOC值折合为燃料，消耗，得到5个工况循环后燃料消耗为8.20kg；折合百公里燃料消耗为28.1kg。

    CNG基础车型百公里燃料消耗为33.2kg，混合动力城市客车比基础车型节省燃料15.4%，达到了技术指标的要求。

    目前，对于传统大型客车排放性能的测试主要采用发动机工况法。串联式混合动力客车采用电动机驱动，发动机与传动系统没有直接机械连接，因此发动机的工作区域可以得到较大改善。根据仿真分析，在城市公交驾驶循环工况卞，发动机的怠速时间可以缩短到传统车的10%，发动机主要工作在1200～1500r/min的高效区域，避免了在低负荷和高负荷工况下运行，因此其HC和CO的排放明显比基础车型降低。

6 结束语

    介绍了一种基于驾驶循环对混合动力电动客车进行方案设计的方法。通过城市公交驾驶循环数据和整车既定参数，计算出整车动力系统主要零部件（电动机、APU、蓄电池）的参数，为零部件选型提供了依据。建立了整车仿真模型，对整车零部件的选型结果进行了仿真验证。仿真结果表明，所选择的零部件可以满足整车动力经济性技术指标和城市公交驾驶循环的需要。