P K6113 P HEV混合動力城市客車研發(fā)

莊 勛

（安源客車制造有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

我國政府根據(jù)國情和汽車技術(shù)發(fā)展趨勢，制定了“公交優(yōu)先”的電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略。在公交市場上，純電動車因電池技術(shù)無法取得實質(zhì)性的突破，發(fā)展比較緩慢，而混合動力客車則因政府支持發(fā)展比較迅速，較為成熟的混合動力技術(shù)客車也成為各大客車廠家競爭新能源市場的主要產(chǎn)品。

1 工作原理

PK6113PHEV是我公司根據(jù)市場需要，聯(lián)合南車時代研制開發(fā)的并聯(lián)式混合動力城市客車。整車動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、電機(jī)及控制器、超級電容和整車控制器（VCU）等組成，如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)控制原理

車輛控制器通過采集駕駛員踏板、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位、離合器狀態(tài)，判斷駕駛員的駕駛意圖，并計算出目標(biāo)牽引力矩，以發(fā)動機(jī)油耗最小為原則，同時參考電機(jī)外特性、發(fā)動機(jī)外特性和儲能系統(tǒng)的各項邊界條件，對電機(jī)和發(fā)動機(jī)進(jìn)行力矩分配，最終實現(xiàn)電機(jī)、發(fā)動機(jī)力矩耦合，按照駕駛員的意圖驅(qū)動整車運行。

該車保留了常規(guī)機(jī)械制動的主要部件，且直接在后軸上添加了電制動，并由車輛控制器予以控制。車輛控制器的控制是基于車速和制動踏板的位置信號，而車速和制動踏板的位置信號則顯示了期望的制動強(qiáng)度，以及預(yù)置在車輛控制器中的制動控制策略[1]。這種制動系統(tǒng)的特色僅在于其電制動力是通過電氣控制的，而機(jī)械制動力則是由駕駛員通過制動踏板予以控制的。在這個系統(tǒng)的設(shè)計和控制中，關(guān)鍵問題是為了回收盡可能多的制動能量，應(yīng)正確控制其電制動。該系統(tǒng)制動踏板的前段是電制動，后段氣制動也將工作，因此，駕駛員對車輛制動踏板運用的好壞是節(jié)油與否的關(guān)鍵所在[2]。由于公交車運營線路固定，因此，在制動時要有預(yù)見性。在預(yù)備進(jìn)站時，提前踩制動踏板，利用制動踏板前段行程（氣制動暫時未動作）輸出電信號，使驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)變工作狀態(tài)，給超級電容充電；速度較高時，可踩下較大行程，更多地給儲能系統(tǒng)充電。駕駛員在正常減速時，應(yīng)使用電制動來回收制動能量，停車時才使用氣制動。

1.2 工作模式

1）傳統(tǒng)工作模式。電機(jī)既不參與制動，也不參與驅(qū)動。當(dāng)電驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可切換到傳統(tǒng)的工作模式繼續(xù)工作。能量流動線路為發(fā)動機(jī)→離合器→變速器→驅(qū)動輪。

2）發(fā)動機(jī)輕載發(fā)電模式。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載較輕時，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電工況，增加發(fā)動機(jī)載荷，從而改善發(fā)動機(jī)排放，并一定程度上減少油耗。能量流動線路為發(fā)動機(jī)→離合器→變速器→驅(qū)動輪，發(fā)動機(jī)→離合器→變速器→驅(qū)動電機(jī)→電機(jī)控制器→儲能系統(tǒng)。

3）驅(qū)動助力模式。當(dāng)電池系統(tǒng)或超級電容系統(tǒng)電能達(dá)到一定容量時，根據(jù)駕駛員的駕駛意圖，電機(jī)轉(zhuǎn)為驅(qū)動工況，為整車起步和加速提供助力，從而減少發(fā)動機(jī)的功率輸出以減少油耗。能量流動線路為發(fā)動機(jī)→離合器→變速器→驅(qū)動輪，儲能系統(tǒng)→電機(jī)控制器→電機(jī)→車輪。

4）電制動模式。車輛制動時，電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電工況，由電機(jī)將車輛制動時產(chǎn)生的制動能量轉(zhuǎn)化為電能存儲到儲能系統(tǒng)。這時的能量流動線路為驅(qū)動車輪→電動機(jī)→電機(jī)控制器→儲能系統(tǒng)。

PK6113PHEV混合動力客車為低入口柴-電混合動力系統(tǒng)，采用簡單易行的并聯(lián)驅(qū)動方式，適合經(jīng)常加速行駛的干線城市客車或快速公交，適用于站點距離長或者具有全封閉行駛路權(quán)的公交線路[3]。

2 底盤與車身設(shè)計

2.1 整車關(guān)鍵零部件布置

PK6113PHEV型混合動力城市客車采用我公司自制的混合動力專用客車底盤，配裝玉柴YC6J190-30型發(fā)動機(jī)、美國Maxwell Technologies公司的48V/165F超級電容、湖南南車公司的TQD101永磁同步電機(jī)組成的南車電動混合動力總成。車身方面裝配的是已公告的PK6112AG3型城市客車車身。具體布置如圖2所示。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

2.3 整車動力匹配計算

1）發(fā)動機(jī)功率的選擇。其他計算參數(shù)：傳動效率η=0.9；迎風(fēng)面積 A=7.875 m2；空氣阻力系數(shù) Cd=0.48；滾動阻力系數(shù) fr=0.015；最大功率：Pmax=（M×g×fr×Vmax/3600+Cd×A×V3max/76140）/η=（16500×9.8×0.015×76/3600+0.48×7.875×763/76140）/0.9=81.1 kW

發(fā)動機(jī)高效、低油耗區(qū)域位于負(fù)荷率80%～90%之間，因此，發(fā)動機(jī)實際功率應(yīng)再增加15 kW；考慮對汽車動力性的要求，增加安全裕度5 kW；發(fā)動機(jī)附件消耗功率為4～10 kW（轉(zhuǎn)速為2500 r/min，最高限速2200 r/min），空調(diào)功率為10～15 kW。綜合各種因素，初步選取發(fā)動機(jī)功率為125 kW[4]。最后選定為額定功率140 kW、最大扭矩為700 N·m（轉(zhuǎn)速為1200～1700 r/min）、排量為6.5 L的YC6J190-30共軌電噴柴油機(jī)，排放達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性[5]。

2）電動機(jī)功率的確定。由于該車的電動機(jī)只在起步、加速和爬坡時工作，所以電機(jī)功率的選擇須滿足汽車的加速要求和最大爬坡度要求。考慮到整車布置的合理性，所選電機(jī)的體積和質(zhì)量不宜過大，永磁同步直流電動機(jī)具有這方面的優(yōu)勢。另外，永磁直流電動機(jī)具有高功率密度、高轉(zhuǎn)速和高效率的特點[6]。以汽車V=10 km／h速度爬坡25%來計算,該車所需總共功率：

加上其它因素，初步計算整車的功率為176 kW。因此，電動機(jī)加上發(fā)動機(jī)的功率須大于180 kW，已經(jīng)選定的發(fā)動機(jī)額定功率為140 kW，所以選擇驅(qū)動電機(jī)的額定功率為45 kW，峰值功率65 kW，其技術(shù)參數(shù)見表1[7]。

表1 驅(qū)動電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)

3）儲能系統(tǒng)的選擇。以超級電容作為儲能系統(tǒng)，為電機(jī)提供儲存和能量。利用超級電容器的瞬間高功率、充電迅速、壽命長等特點來滿足電動車爬坡、加速所需的瞬間高功率，以及再生制動的高效能量反饋回收[8]。采用Maxwell電容BMOD0165 P048，數(shù)量10個，串聯(lián)連接；管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測這10個電容的電壓、電流和溫度，通過CAN總線上傳顯示數(shù)據(jù)及報警。

2.4 結(jié)構(gòu)與性能特點

PK6113PHEV混合動力城市客車采用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動汽車。發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可分別獨立地向汽車傳動系提供轉(zhuǎn)矩。在不同的路面上，既可共同驅(qū)動，又可單獨驅(qū)動，兩者不存在能量形式的轉(zhuǎn)換，因而能量損失較少[9]。整車在結(jié)構(gòu)上保留了原有的操縱機(jī)構(gòu)，只是在副儀表臺處安裝了一個傳統(tǒng)模式開關(guān)。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問題，駕駛員可按下此開關(guān)切換到傳統(tǒng)的工作模式繼續(xù)工作。這種設(shè)計降低了駕駛員的操縱難度和工作強(qiáng)度，減少了操作失誤的可能性，降低了事故率。

發(fā)動機(jī)型號比傳統(tǒng)車要小，所以直接減少總的尾氣排放量。此外，發(fā)動機(jī)始終處于高效工作區(qū)，這也大大提高了尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，同樣的發(fā)動機(jī)在混合動力工作模式下可以達(dá)到或接近下一個排入標(biāo)準(zhǔn)[10]。利用超級電容的高功率、壽命長等特點作為儲能系統(tǒng)，避免了中途更換電池的成本和工作難度，減少客戶在使用過程中保養(yǎng)的工作量和費用。

這套系統(tǒng)利用電機(jī)的高效率、改善發(fā)動機(jī)的不良工況以及制動能量的回收，最高可以節(jié)油30%，當(dāng)然這是在實驗條件下測得的數(shù)據(jù)，實際情況依據(jù)駕駛員的駕駛習(xí)慣以及路面狀況有所不同。

3 結(jié)束語

在以能源和環(huán)保為主題的今天，低油耗、低污染的混合動力城市客車已逐漸進(jìn)入人們的視野，并開始成為主流。全國各大城市對混合動力城市客車的需求與日俱增。PK6113PHEV一經(jīng)推出，就受到市場的廣泛關(guān)注。通過對整車發(fā)動機(jī)、超級電容、電機(jī)進(jìn)行合理匹配，整個設(shè)計方案能夠達(dá)到城市客車的功能要求，提高了車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

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