城際混合動力客車動力系統參數匹配及耗能特性影響因素分析?

陳雪榮，吳新兵，何仁，胡東海

（1.蘇州海格新能源汽車電控系統科技有限公司，江蘇蘇州 215000；2.江蘇大學，江蘇鎮江 212000）

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城際混合動力客車動力系統參數匹配及耗能特性影響因素分析?

陳雪榮1，吳新兵1，何仁2，胡東海2

（1.蘇州海格新能源汽車電控系統科技有限公司，江蘇蘇州 215000；2.江蘇大學，江蘇鎮江 212000）

摘要：針對城際混合動力客車因其特殊運行工況造成的動力系統參數匹配方法缺乏深入研究的問題，首先根據滿足高速循環工況運行的動力性指標，提出城際混合動力客車動力系統參數匹配方法，然后分析了混合動力系統主要參數對系統能耗的影響。結果表明，由于城際混合動力客車經常運行在高速循環工況，在進行混合動力系統匹配設計時，變速器的超速擋速比必須與后橋主減速比匹配，以保證發動機工作在最佳效率區域，降低整車燃油消耗；較大的變速器低速擋速比有利于提高電機運行效率，并降低系統電耗和成本；對于不同配置的城際混合動力客車，變速器的擋位需合理匹配，變速器擋位數量的增加對于系統能耗的提升存在瓶頸。

關鍵詞：汽車；城際混合動力客車；混合動力系統；參數匹配；能耗特性

混合動力汽車具備了未來汽車發展所需求的4個基本要素，即動力性、燃油經濟性、清潔環保性、經濟實用性。為了實現上述技術目標，混合動力汽車需要采用燃油經濟性佳、排放性能優的發動機，選擇效率高、扭矩密度最大的驅動電機，采用充放電能力強、功率密度大的動力電池，提高整車控制、整車能量管理和整車熱管理技術。

動力系統參數匹配是混合動力汽車整車設計和開發的一個重要環節，需根據整車的設計指標對混合動力系統的主要部件進行選型匹配和參數優化，混合動力系統參數匹配方法的優劣會直接影響整車動力性和燃油經濟性。目前國內外對于混合動力汽車動力系統參數匹配方法的研究已日趨完善，主要分為3種：1）以整車動力性為主要目標進行混合動力系統匹配設計，借鑒傳統燃油汽車的匹配設計方法，根據整車的最高速度、加速時間及爬坡度等動力性能指標要求確定混合動力系統關鍵部件的主要參數。2）以燃油經濟性為目標進行動力系統參數優化，針對混聯式混合動力汽車，Zhang X.等分析了離合器個數與系統工作模式之間的關系，以燃油經濟性為優化目標，采用動態規劃的方法對離合器個數進行優化。3）以整車多種性能為目標進行混合動力系統參數優化，采用遺傳算法、模擬退火及粒子群優化等多種優化算法，以燃油經濟性為目標，以整車動力性為約束條件，對驅動電機、動力電池、AMT變速器等動力系統主要部件參數進行優化。

當前，混合動力汽車推廣應用的難點在于其絕對成本過高。相比于傳統燃油汽車，混合動力汽車需安裝動力電池、高壓控制系統、整車控制系統等新能源部件。研究混合動力系統匹配設計方法是解決該難題的重要一環。該文以城際混合動力客車為研究對象，針對城際混合動力客車因特殊運行工況造成其動力系統匹配方法缺乏深入研究的問題，根據滿足高速循環工況運行需求的動力性指標給出城際混合動力客車動力系統匹配設計方法，并分析動力系統參數對系統能耗的影響，為城際混合動力客車整車控制策略的研究及混合動力系統參數優化研究提供理論基礎。

1　城際混合動力客車簡介

在大型車輛上推廣應用混合動力系統以拓寬混合動力系統的應用范圍是混合動力技術發展的一大趨勢，有助于促進混合動力系統應用范圍的拓展。城際客車主要用于滿足城市之間載客需求，城際客車混合動力化對于節能減排、提高乘客舒適性具有重要意義。

城際混合動力客車主要運行在高速循環工況。如表1所示，相比于城市循環工況，高速循環工況中怠速時間比和制動頻繁程度均有大幅度減小，混合動力系統的節能優勢被弱化。因此，城際混合動力客車的開發不能直接套用城市混合動力公交客車的經驗。

表1　城市循環工況與高速循環工況主要參數對比

從降低成本的角度出發，城際混合動力客車宜采用并聯混動的底盤結構形式。該文以單軸并聯式帶AMT混合動力系統為研究對象，其主要動力系統部件為發動機、驅動電機、變速器和動力電池（如圖1所示）。

圖1　城際混合動力客車動力系統的結構

2　城際混合動力客車參數匹配

根據城際混合動力客車的使用環境，對整車動力性能作如下要求：最高車速為120 km/h；0～50 km/h加速時間小于30 s；50～80 km/h加速時間小于40 s；能以10 km/h的速度爬上20%的坡，連續爬坡時間大于3 min。

2.1發動機匹配設計

2.1.1峰值功率

根據整車動力性能需求，城際混合動力客車的最高行駛速度需達到120 km/h，發動機的峰值功率應滿足最高車速的要求。假設車輛勻速行駛，沒有坡度阻力和加速阻力，發動機峰值功率的表達式為：

式中：Ft為車輛的驅動力（N）；umax為車輛的最高行駛速度（m/s）；G為車輛的總重量（N）；fR為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為迎風面積（m2）；ρ為空氣密度。

考慮到附件需要消耗功率20 k W，發動機的最大功率選為187.9 k W。

2.1.2額定功率

如表1所示，當城際混合動力客車運行在高速循環工況時，其穩定行駛最高速度一般為80 km/h，該時間段內主要為發動機進行驅動，由驅動電機進行“削峰填谷”，發動機的額定功率要滿足穩定行駛最高速度需求。發動機額定功率表達式為：

式中：ua為車速（m/s）。

考慮到附件消耗功率20 k W，發動機的額定功率選為96.5 k W。

2.1.3最高轉速

城際混合動力客車的最高速度決定發動機的最高轉速。根據最高車速為120 km/h，假設此時變速器處于直接擋，則發動機最高轉速的表達式為：

式中：i0為主減速比；r為車輪滾動半徑（m）。

按式（3）計算，得到發動機的最高轉速為2 966 r/min。

2.1.4峰值扭矩

對于傳統內燃機車輛，需根據爬坡和加速能力計算得到發動機的峰值扭矩。但在城際混合動力客車中，驅動電機將提供主要的爬坡和加速驅動力，發動機和驅動電機可滿足加速能力的需求。因此，無需計算發動機的峰值扭矩。

2.2驅動電機匹配設計

2.2.1峰值功率

驅動電機的峰值功率根據最大爬坡性能確定。設計要求車輛能以10 km/h的速度爬上20%的坡，由于車速較低，計算過程中忽略空氣阻力、加速阻力。驅動電機峰值功率的表達式如下：

式中：α為坡度。

2.2.2峰值扭矩

驅動電機的峰值扭矩也由車輛的爬坡性能決定。由于車速較低，計算中忽略空氣阻力；由于勻速行駛，沒有加速阻力。由此得驅動電機峰值扭矩的表達式如下：

2.2.3最高轉速

車輛的最高速度決定驅動電機的最高轉速。車輛最高速度為120 km/h，當變速器處于直接擋時，驅動電機最高轉速的表達式如下：

計算得到電機的最高轉速為2 966 r/min。

2.3變速器匹配設計

變速器速比選擇與汽車的動力性、燃油經濟性有密切的關系。就動力性而言，變速器擋位數多，增加了發動機在其最大功率附近工作的機會，提高了汽車的加速與爬坡能力；就燃油經濟性而言，擋位數越多，發動機在低燃油消耗率區工作的可能性更大，能降低油耗。同時對變速箱的擋位數和速比進行匹配設計時，必須兼顧車輛的最高速度及最大爬坡度的要求。變速器擋位速比確定步驟如下：

（1）根據最大爬坡度確定低速擋速比：

（2）根據穩定行駛最高速度確定高速擋速比：

式中：nm為驅動電機軸的轉速（r/min）。

（3）進行二、三擋等其他擋位速比設計，設計原則是保證發動機工作在其最佳經濟區域；同時為了保證換擋順利，要求各擋位之間的傳動比值不超過1.8。

2.4動力電池匹配設計

2016年新能源汽車國家補貼標準規定插電式混合動力客車純電續駛里程必須大于50 km。等速工況下動力電池釋放電量的計算公式為：

式中：SOC為動力電池的荷電狀態；QN為動力電池的額定容量（Ah）；U為動力電池的開路電壓（V）。

在車輛以40 km/h勻速行駛的情況下，驅動電機需輸出的力矩為：

式中：ηT為傳動系統的機械效率。

根據車輛行駛速度和驅動電機需求力矩，通過查表得到電機的效率ηm，同時計算得到車輛的驅動功率，則目標續駛里程下需要的動力電池容量為：

式中：Sobj為目標續駛里程（km）。

從成本角度考慮，在滿足城際混合動力客車最低純電續駛里程的前提下，計算得到動力電池的能量為22.3 k W·h。

3　混合動力系統參數對能耗特性的影響

表2　城際混合動力客車動力傳動方案

由于變速器低速擋的速比與驅動電機的峰值扭矩直接相關，低速擋的速比越小，滿足相同爬坡能力的情況下，驅動電機需要的峰值扭矩越大。同時為了考察變速器擋位數和速比對城際混合動力客車能耗特性的影響，設計表2所示3種變速器+驅動電機的城際混合動力客車動力系統方案，考察3種方案的能耗特性。

如圖2所示，典型的高速循環工況沒有包括城際客車從車站出發行駛到高速公路入口這一時間段，而是直接從高速公路入口開始計時，并且持續時間僅765 s（12 min）；而一般城際客車在高速公路上的持續行駛時間超過2 h，這表明使用該高速循環工況進行仿真，不同方案的油耗和電耗細微差別均需要特別注意。

圖2　高速循環工況下時間與速度曲線

3.1系統油耗影響因素分析

如表2所示，方案一的油耗略大于方案三的油耗，而方案二的油耗明顯大于另外兩種方案。造成3種方案油耗存在差異的原因是方案二中發動機的工作點嚴重偏離了發動機的最佳工作區域，而方案三的發動機相比于方案一的發動機能更好地保持在最佳經濟區域（如圖3～5所示）。方案二的發動機不能工作在最佳經濟區域的原因是其變速器沒有超速擋（3種方案變速器換擋曲線如圖6～8所示）。這說明對于運行在高速循環工況的城際混合動力客車，變速器的超速擋必須與主減速比進行匹配以保證發動機工作在最佳效率區域。

圖3　發動機工作點分布（方案一）

圖4　發動機工作點分布（方案二）

圖5　發動機工作點分布（方案三）

圖6　變速器換擋曲線（方案一）

3.2系統電耗影響因素分析

如表2所示，方案三的動力電池的能量消耗遠遠低于方案一和方案二，圖9～11也驗證了這一點。如圖12～14所示，系統電量消耗過大與驅動電機的負荷率較低有關，驅動電機的負荷率低意味著電機效率較低。方案一中驅動電機的負荷率最低，驅動電機的工作點偏離最佳效率區域，而方案三的驅動電機能很好地覆蓋最佳效率區域。造成這種情況的主要原因是變速器低速擋的選擇，方案一中變速器低速擋速比較小，需要峰值扭矩更大的驅動電機，使驅動電機負荷率降低。同時，圖12～14也表明對于該文選擇的目標車型而言，增加變速器的擋位對于增加整車燃油經濟性沒有實際意義，4擋變速箱的低速擋已經可以滿足需求。

圖7　變速器換擋曲線（方案二）

圖8　變速器換擋曲線（方案三）

圖9　動力電池SOC隨時間變化曲線（方案一）

圖10　動力電池SOC隨時間變化曲線（方案二）

4　結論

（1）城際混合動力客車經常運行在高速循環工況，在進行混合動力系統匹配設計時，變速器的超速擋速比必須與后橋主減速比進行匹配，以保證發動機工作在最佳效率區域，有效降低整車燃油消耗。

圖11　動力電池SOC隨時間變化曲線（方案三）

圖12　驅動電機工作點分布（方案一）

圖13　驅動電機工作點分布（方案二）

圖14　驅動電機工作點分布（方案三）

（2）變速器低速擋速比選擇會直接影響驅動電機的使用效率，進而影響整車的電量消耗，選擇較大的低速擋速比有利于降低驅動電機峰值扭矩需求，進而提高驅動電機運行效率、降低系統電耗和成本。

（3）對于不同配置的城際混合動力客車，變速器的擋位數量需合理匹配，變速器擋位數量不合理地增加對于增加整車燃油經濟性沒有實際意義，反而會增加成本和整車布置難度。

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所選用的目標車型的整車參數如下：總質量為17 000 kg；主減速比為4.875；滾動半徑為0.525 m；迎風面積為7 m2；風阻系數為0.6；滾動阻力系數為0.01；旋轉質量換算系數為1.1。

中圖分類號：U469.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0001-06

基金項目：?國家自然科學基金資助項目（51275212）

收稿日期：2015-12-08