增程式公交客車動力系統設計與仿真研究

余弢　王哲　尹兆雷　孫晨樂　章桐

摘 要：為了提高城市公交客車的燃油經濟性，針對城市公交客車行駛工況的特點，提出一種功率平衡型的增程式公交客車動力系統設計方案，并對其動力系統零部件（主驅動電機、增程器、動力電池）進行了選型計算。基于AVL-Cruise仿真平臺，采用增程器定點能量管理策略，對設計的動力系統的燃油經濟性和動力性進行了仿真分析。仿真結果表明，提出的動力系統能夠滿足整車動力性能要求，并在4種不同城市工況下的百公里油耗平均水平較傳統柴油客車降低了30.1%。

關鍵詞：功率平衡；增程器；公交客車；動力系統設計；動力性仿真；燃油經濟性

中圖分類號：U469.72文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.09

增程式公交客車（Range-Extended Electric Bus，REEB）是一種能以純電形式行駛的插電式串聯混合動力公交客車[1-4]。傳統的REEB主要有3種工作模式：純電行駛模式、電量保持模式、夜間充電模式。當動力電池荷電狀態（State of Charge，SOC）高于設定閾值時，整車工作在純電行駛模式下，增程器（Auxiliary Power Unit，APU）關閉，由電池提供車輛行駛所需的功率；當動力電池SOC低于設定閾值時，整車工作模式切換為電量保持模式，此時APU系統開啟，輸出整車行駛所需要的功率，同時向電池充電[5]。為了保證一定的純電續駛里程，傳統的REEB需要選擇容量相對較大的動力電池。由于動力電池容量及質量的增大，整車質量也相應增大，進而影響整車動力性及燃油經濟性。

而對于中國城市公交客車，其運行工況具有如下特點：（1）平均車速低（大中城市平均車速為15～25 km/h），且車輛最高車速不高（大多城市公交客車最高車速限制為60 km/h）。（2）車輛行駛過程中經常堵車，車輛慢行工況頻繁，發動機長時間工作于怠速或低效、高排放狀態。（3）公交客車頻繁起步、制動，制動及停車時間長。根據城市公交客車行駛工況的特點及傳統REEB的工作模式切換要求，當整車工作在電量保持模式下的時候，動力電池的SOC值已經相對較低，無法再向外輸出功率，這就要求APU系統輸出的功率必須隨著工況需求功率的變化而變化。此時，內燃機難以工作在最佳油耗曲線附近，其排放性能較差，工作效率較低。

針對傳統REEB的上述問題，本文提出了一種功率平衡型的REEB動力系統設計方案。在該方案下，整車在行駛過程中一直工作在電量保持模式下，動力電池的SOC值一直保持在一個充放電效率較高的值，且APU系統也一直工作在最佳工作點，輸出REEB城市行駛工況所需的平均功率。當APU系統輸出功率高于行駛工況實時需求功率時，APU系統向動力電池充電；當APU系統輸出功率低于行駛工況實時需求功率時，動力電池給主驅動電機供電，輔助APU系統驅動車輛。該功率平衡型的REEB由于APU系統常開且滿足REEB城市行駛工況所需的平均功率，動力電池可以選用容量較小的功率型電池，電池重量變輕，整車整備質量下降，進而燃油經濟性得到提高。同時，APU系統可以始終工作在高效工作點，效率較高，排放較好。

從工程實際的角度出發，結合4種不同的城市公交工況，本文著重分析了關鍵零部件（主驅動電機、動力電池和APU系統）的選型匹配對整車燃油經濟性的影響，并通過AVL-Cruise仿真軟件對其動力性能和燃油經濟性進行了相關仿真研究。

1 REEB動力系統結構和性能指標

功率平衡型REEB的動力系統結構如圖1所示。該系統為串聯混合動力結構，整車始終由主驅動電機直接驅動車輛。在該系統中，整車主要工作在電量保持模式下，APU系統作為動力系統的主要動力源，提供整車行駛工況平均需求功率。動力電池作為輔助動力單元，在加速、爬坡等高功率需求時給主驅動電機供電，輔助APU系統驅動車輛。整車制動時，主驅動電機工作在發電模式，機械能轉化為電能儲存在電池中。整車的基本參數與動力性能指標見表1。

2 主驅動電機選型匹配

2.1 最高轉速nmax和基速nb

主驅動電機的最高轉速nmax和整車最高車速vmax之間存在如下關系式：

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經過計算可以得到主驅動電機最高轉速為nmax=9 000 r/min。選擇電機的基速比為4.29，根據公式：

。

計算得到電機基速nb=2 120 r/min。據此，主驅動電機的最高轉速和基速選取為9 000 r/min和2 120 r/min。

2.2 電機峰值功率Pmax和額定功率Pe

主驅動電機的峰值功率由整車動力性能指標最高車速、最大爬坡度和最小加速時間決定。最高車速對主驅動電機的功率需求Pmax1如式（3）所示。

。

式中，vmax為最高車速，km/h；m為整車總質量，kg；

g為重力加速度，m/s2；f為滾動阻力系數；Cd為風阻系數；Af為迎風面積，m2。

按照原型車設計參數，該車需以20 km/h的車速通過20%的坡度，則其對功率的需求Pmax2如式（4）所示。

。

式中，vc為爬坡車速，km/h。

根據該車0-50 km/h加速時間不超過30 s，則主驅動電機所需輸出功率Pmax3如式（5）[6]所示。

式中，vf為電機基速對應的車速，m/s；vb為加速終了車速，m/s。

通過式（6）可計算得到vf =5.58 m/s，同理可得vb為13.89 m/s。

。

式中，nb為電機基速，r/min。

根據式（3）～（5），分別可以計算得最高車速需求功率Pmax182.16 kW，滿足爬坡要求的功率Pmax2218.48 kW，滿足0-50 km/h加速時間的需求功率Pmax390.36 kW。取三者最大值并取整，則主驅動電機最大功率Pmax取值為220 kW。按照過載系數2.5進行匹配，則其額定功率Pe取為88 kW，取整為90 kW，滿足車輛以最高車速行駛時對功率的需求。

2.3 主驅動電機峰值轉矩Tmax和額定轉矩Te

主驅動電機的峰值轉矩Tmax由最大爬坡度決定，其計算公式如式（7）所示。

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經計算得，Tmax980 N·m。則主驅動電機的額定轉矩可由式（8）確定，經計算得Te405 N·m。

。

式中，Te為額定轉矩，N·m；Pe為電機額定功率，kW。

綜上所述，主驅動電機的選型如下：最高轉速9 000 r/min，基速2 120 r/min；峰值功率220 kW，額定功率90 kW；峰值轉矩982 N·m，額定轉矩405 N·m。

3 APU系統的選型匹配

APU系統主要由發動機和發電機構成，對于功率平衡型REEB，整車主要工作在電量保持模式下，因此APU系統的選型匹配以及APU系統的工作效率對于整車的燃油經濟性影響很大。本文主要針對Artemis城市工況、歐洲城市工況、中國城市工況、日本城市工況[7-9]這4種城市運行工況進行了相關研究，各城市運行工況如圖2所示。

功率平衡型REEB的能量管理策略如下：動力電池初始SOC設定在50%，APU系統處于常開狀態，提供在整個城市工況行駛所需的平均功率，以保證電池始終維持在50%。同時采用APU定點能量管理策略，分析上述4種不同工況下的平均功率需求，即APU應發出的功率。如圖3和圖4所示，不考慮整車空調功率，在Artemis城市工況下，當APU輸出功率恒定在29 kW時，電池的SOC值從50%變到50.3%；在歐洲城市工況下，當APU的輸出功率為25 kW時，電池SOC值從50%變到50.3%；在中國城市工況下，APU輸出功率為27 kW時，電池SOC值從50%變到50.08%；在日本城市工況下，當APU輸出功率為25 kW時，電池SOC值從50%變到50.07%。取上述4種工況的平均值，當APU輸出功率為26.25 kW時，可以滿足整車在整個工況行駛過程中的平均功率需求。

另外，設定整車空調等負載的功率為30 kW，則當APU系統輸出功率為57 kW時，即可滿足空調開啟工況下的功率需求。根據功率需求，本文匹配了一款輸出功率滿足要求的永磁同步發電機，其標定工作轉速為2 250 r/min，標定輸出功率為57 kW，發電機在工作點附近效率為90%，因此，要求與之相匹配的發動機在轉速為2 250 r/min的情況下輸出的功率為64 kW。本文選擇了一款峰值功率為90 kW的發動機。該款發動機的外特性曲線如圖5所示。

采用定點控制策略，使APU中發動機始終工作在2 250 r/min，此時發動機滿足APU輸出功率要求，且該轉速下發動機效率較高，燃油經濟性較好。

4 動力電池選型匹配

動力電池作為REEB的重要供能部件，其選型對整車的動力性和經濟性均有著重要的影響[10]。根據動力電池在整個動力系統中是作為主動力源還是輔助動力源，動力電池分為功率型電池和能量型電池。對于功率型電池，電池主要起到輔助驅動的作用，需要在短時間內提供或者吸收較大的功率。而對于能量型電池，電池需要提供整車純電行駛一定里程所需要的電量，因此電池的容量較為重要。而對于功率平衡型REEB，動力電池作為輔助動力源，在整車加速或爬坡等功率需求較高時提供瞬時高功率，要求電池具有瞬間大電流充放電能力。雖然電池充放電電流較大，但由于持續時間較短，電池的充放電深度都不大，電池的SOC值波動范圍不大。

本文從動力電池質量、制動能量回收量等角度對用于功率平衡型REEB的動力電池選型進行了分析。首先仿真分析了動力電池質量對整車性能的影響。圖6為整車質量對百公里油耗的影響，可以看出當整車質量為13 000 kg時，整車百公里油耗為34.74 L；當整車質量為22 000 kg時，整車百公里油耗為42.72 L。可以算出整車質量每增加1 000 kg，百公里油耗平均增加0.89 L。

圖7所示為電池質量與額外百公里油耗同續駛里程的關系。取鋰離子電池能量密度為75 Wh/kg，電池開路電壓為512 V，并考慮電池SOC變化范圍約為20%～90%。經分析，在中國城市公交工況下，純電續駛里程為20 km時，電池所需電量為41.1 kWh，電池所需容量為80.3 Ah，對應電池質量為819 kg，額外百公里油耗0.72 L。隨著純電續駛里程的增加，電池電量、容量、對應的電池重量和額外百公里油耗均有所增加。當純電動續駛里程為100 km時，電池所需電量205.5 kWh，電池容量401.32 Ah，對應電池質量4 028 kg，額外百公里油耗3.59 L。

通常情況下，城市公交客車的行駛里程約在200 km。中國城市工況下，在傳統REEB控制策略中，若REEB純電續駛里程為100 km，當電池SOC值消耗到20%時，APU系統開啟，在剩下100 km行駛范圍內，整車需要負載一個重達4 t的電池，造成整車質量的上升和油耗的增加。根據文獻[11]，非高溫季節，傳統柴油公交客車的百公里油耗為38 L，則由于電池質量的增加帶來油耗的增加占到了9.4%，因此傳統REEB整車控制策略存在著較大的不足。而本文提出的功率平衡型REEB可以較好地避免整車質量過重的缺點。由于APU始終開啟，動力電池只需要提供工況所需功率與APU提供的功率的差值，具備短時間的大功率充放電能力即可，而動力電池的容量可以相對較低。動力電池容量可由式（8）決定。

。

式中，Cb為電池容量；Pre為主驅動電機峰值功率與APU輸出功率的差值；k為動力電池的放電倍率；Um為動力電池的母線電壓。

其中，kW，母線電壓選擇為512 V，電池的放電倍率選擇5 C，則所需電池容量Cb為64 Ah，取整為70 Ah。

其次，動力電池的選型應保證增程式公交客車在制動過程中具有最大的制動能量回收的能力。圖8為在中國城市公交工況下動力電池的充放電電流和充放電功率的關系。可以看出，整個工況過程中電池最大充電電流為314 A，最大放電電流為189 A，動力電池最大充電功率為171 kW，最大放電功率為99 kW。而上文所選電池最大充放電功率可以達到179 kW，最大充放電電流可以達到350 A，能夠滿足中國城市工況所需的充放電功率和電流的要求。

5 整車性能仿真

根據上述分析，確定了增程式公交客車動力系統各部件的參數，具體見表2。根據選定的各動力系統參數，基于AVL-Cruise仿真平臺，對設計的動力系統進行了仿真驗證。整車模型如圖9所示，包括發動機模型、發電機模型、主驅動電機模型、動力電池模型等。

5.1 動力性能仿真

根據動力性能要求，對前文選取的整車動力性能指標進行仿真分析及驗證，主要分析并驗證的參數有最高車速、最大爬坡度和整車0-50 km加速時間。

圖10顯示的是整車的爬坡性能仿真圖，由圖可知，整車能夠以20 km/h的速度通過39%的坡度，并以30 km/h的速度通過26.5%的坡度，滿足整車的爬坡性能要求。

圖11為整車的加速性能和最大車速的仿真，可以看出，整車的最大速度超過設計指標中規定的80 km/h，并且0-50 km/h加速時間小于30 s。故本文設計的動力系統能夠很好地滿足整車的動力性能指標要求。

5.2 燃油經濟性仿真

針對Artemis城市工況、歐洲城市工況、中國城市工況和日本城市工況，分別對整車的燃油經濟性進行仿真。

設定動力電池初始SOC為50%，發動機始終工作在最佳工作轉速下。當動力電池SOC值高于90%時，發動機關閉；當動力電池SOC值低于40%時，發動機開啟。各個工況下，整車的百公里綜合油耗見表3。其中Artemis城市工況百公里綜合油耗34.76 L，歐洲城市工況百公里油耗24.40 L，中國城市工況百公里油耗26.70 L，日本城市工況百公里油耗19.34 L。4種工況的平均油耗水平為26.30 L，與參考文獻[11]中傳統柴油公交客車百公里油耗38 L的水平相比，本文設計的功率平衡型REEB節油率平均可以達到30.1%。

6 結論

針對傳統REEB燃油經濟性差的問題，根據城市公交客車行駛工況特點，以整車動力性能指標為約束條件，并以整車燃油經濟性最優為目標，設計了一套動力系統參數選型匹配的方法，并基于AVL-Cruise軟件搭建了系統仿真模型，同時基于4種不同的城市公交客車運行工況，對所設計的動力系統及所采用的APU定點能量管理策略進行了仿真分析與驗證，主要結論如下：

（1）根據功率平衡型REEB動力性能指標對整車動力系統進行設計。經動力系統匹配計算得到主驅動電機額定功率為90 kW，額定轉矩為405 N·m，發動機運行功率約為64 kW。與傳統REEB相比，本文設計的動力系統在滿足整車動力性能指標的基礎上，發動機排量較小，動力系統質量也較小，提高了整車的燃油經濟性。

（2）根據4種不同的公交客車城市運行工況，分析獲得了APU系統的基本功率需求，并基于功率平衡型REEB特點，開發了APU定點工作控制策略。同時考慮動力電池的重量對燃油經濟性影響及電池最大充放電功率是否滿足加速、制動工況需求等因素對動力電池進行選型。經分析計算得到所選動力電池容量為70 Ah，與傳統REEB相比，動力電池容量及質量均較小，有利于整車燃油經濟性的提高。

（3）在AVL-Cruise環境下搭建了整車仿真模型，根據4種不同的公交客車城市運行工況，對設計的功率平衡型REEB的動力性和燃油經濟性進行仿真研究。仿真結果表明，該動力系統滿足整車動力性能要求，并且與傳統柴油公交客車相比，燃油經濟性平均提高了30.1%。

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