油電混合商用車動力系統匹配設計研究及應用

徐世福 梁帥 孫哲 靳永剛

（1. 陜西保利特種車制造有限公司 西安710200; 2. 陜汽集團商用車有限公司 寶雞722405）

主題詞：HEV 驅動電機 動力電池 自動變速器 分動器 整車控制器

縮略語

1 前言

隨著現代汽車工業的發展，人們對環境保護的意識日益提高。隨著汽車網聯化、智能化、電動化和共享化發展，對車輛智能化的要求和對車輛經濟性要求相應提高。尤其是由于一些特殊作業的需求，對車輛電力需求的加大，油電混合動力商用車可以很好地滿足這些需求，混合動力商用車具有動力性好、排放低、油耗低、無需外部充電、無需建基礎設施、自充電、自備移動電源和燃油經濟性好的特點，車輛起步、加速由電機輔助驅動，也可由電池供電，實現電機單獨驅動，從而使車輛實現排放低、動力性強和噪音低。發展混合動力汽車技術是商用車實現低碳化的重要技術方向之一。

2 油電混合商用車動力系統匹配

2.1 油電混合動力商用車基本參數及設計要求

油電混合動力（HEV）系統主要由發動機、自動離合器、發電驅動一體電機組（ISG）、自動變速器（AMT）、驅動橋、磷酸鐵鋰動力電池和電池控制器構成，混合動力系統構架見圖1，整車基本參數見表1。兩套動力總成系統可以分別獨立地驅動汽車，動力可以互相疊加輸出，也可以單獨輸出驅動。

圖1 油電混合商用車動力系統構架

表1 油電混合商用車整車基本性能及設計參數

2.2 發動機的匹配計算

油電混合動力系統中的發動機決定著整車動力性能和經濟性能。根據商用車的最高車速、最大爬坡度及最大加速度要求選擇發動機。

2.2.1 滿足最高車速的功率需求

油電混合動力商用車最高車速持續正常運行最高功率為：

式中，P為最高車速時消耗的功率；為最高車速；為整車總質量；為重力加速度；為滾動阻力系數；C為風阻系數；為迎風面積；η為傳動系統總效率。

當以最高車速100 km/h行駛時，通過計算得到所需的最大功率為160 kW。

2.2.2 滿足最大爬坡能力的功率需求

車輛最大爬坡度下需要的最大功率為：

式中，P為最大功率；為坡度角；為最低速度。

當以車速大于10 km/h（坡度60%）行駛時，通過計算得到所需要的功率為255 kW。

2.2.3 滿足加速時間要求的功率需求

從0～50 km/h的功率需求為：

式中，P為滾動阻力功率；P為空氣阻力功率；P為加速阻力功率；為車速；為旋轉質量換算系數；d/d為加速度。

2.2.4 計算結果

當車輛從0加速到50 km/h，通過計算得到所需的功率為200 kW。

根據整車性能設計要求，選擇發動機功率取最大值，即：

發動機的基本參數見表2。

表2 發動機基本參數

為了滿足整車性能要求，同時考慮到商用混合動力車附加功率需求，主要包括電動轉向泵功率、電動氣泵功率、AMT 電動換擋機功率、空調壓縮機功率后的整車總功率需求是298 kW。

2.3 驅動電機的匹配計算

永磁同步驅動電機具有效率高、節能性好、轉矩大、駐坡啟動比較容易、平滑調速、操作平穩、體積小和重量輕、功率密度高、維修簡單的特性，因此永磁同步電機是驅動電機的最佳方案。

驅動電機決定著整車動力性能和經濟性能。經濟車速、最大爬坡度和最大加速度是選擇驅動電機主要影響因素。混合動力商用車采用發動機與驅動電機共同驅動車輛的方案，發動機與驅動電機各自發揮自己的特長，同時又共同滿足車輛總的性能要求。發動機至少要補充51 kW 的功率才可以滿足車輛最大爬坡度的要求，驅動電機還要滿足純電驅動下最少行駛80 km的設計要求。

2.3.1 滿足車輛勻速行駛能力的功率需求

車輛以50 km/h勻速行駛時驅動電機的功率為：

式中，P為勻速功率；V為勻速車速；為總質量；為重力加速度；為滾動阻力系數；C為風阻系數；為迎風面積；η為傳動總效率。

通過計算得到，車輛50 km/h 勻速行駛時驅動電機所需的功率為53 kW。

2.3.2 驅動電機峰值轉矩和額定轉矩需求

根據車輛設計要求驅動電機峰值轉矩為：

式中，為驅動電機最大扭矩，R為輪胎滾動半徑，為總質量；為重力加速度；為滾動阻力系數；為最大傳動比；η為傳動總效率。

當以滿載行駛時，驅動電機最大轉矩需要936 N·m。綜合考慮附件對功率的需求，額定功率確定為80 kW。

驅動電機最大轉速為：

式中，為驅動電機最大轉速；為最高車速；為最小傳動比，為滾動半徑。

通過計算可知驅動電機轉速為2 500 r/min。

根據車輛設計要求，驅動電機的額定轉速為：

式中，為弱磁倍率，取值范圍為1.2 ～ 3.5，本方案取2.15；n為額定轉速；n為峰值轉速。驅動電機峰值轉矩為：

式中，T峰值轉矩；P為峰值功率；n為額定轉速。

由公式（8）和（9）及最大功率數據，求得驅動電機最大轉矩≥1 273 N·m。

根據計算及設計要求選擇驅動電機參數見表3。

表3 驅動電機基本參數

2.4 AMT參數匹配

油電混合動力商用車變速器采用AMT，可以滿足車輛低速爬坡、最高車速、經濟高效區域運行的要求。采用永磁同步驅動電機與AMT 構成總成的傳動方案,使車輛動力性強、可靠性高、電耗低，并且安全性得到顯著的提升，車輛起步平穩、速比范圍廣、爬坡能力強，使車輛可以適應不同車速、不同工況的要求。由于匹配AMT,駕駛員操作簡單、換擋變速快速準確，能夠較大提升車輛的駕駛舒適性和運營效益，車輛具備限速、限扭功能，提高車輛安全性，具備發動機保護、故障診斷和離合器保護功能，6擋AMT 目前是行業主流、成熟和可靠性好的自動變速器，使用范圍廣，可以滿足經濟性、低擋良好爬坡性和高擋高速性的要求，所以選擇6擋AMT 是本項目商用車最佳方案。

最大傳動比主要是由最大爬坡度、地面附著率和最低穩定車速共同決定。最大傳動比之和為：

式中：Σ總傳動比；η為傳動效率；T為最大轉矩。

通過計算可知：≤5.495，≥2.541，確定總傳動比Σ=26。i為最大速比；i為主減速比；主減速器的傳動比為i=6.733，AMT 速比i=3.86，AMT 基本參數見表4。

表4 AMT基本參數

2.5 自動離合器的參數匹配

自動離合器可以實現發動機與ISG電機的動力斷開與連接，實現動力自由切換的功能。該離合器從動盤采用先進的5 彈簧減振器設計，這樣的設計使離合器剛度低，扭轉角度大，減振性能更優（表5）。蓋總成內置自調節機構，自動提供磨損補償，從而可以延長離合器使用壽命。離合器產品采用高強度沖壓件作為離合器蓋板，采用可靠的膜片彈簧設計，采用高性能摩擦材料以及先進的減振器結構，保證了產品性能和可靠性。

表5 自動離合器速基本參數

2.6 分動器的參數匹配

分動器主要作用是將AMT 輸出的動力分配到不同的驅動橋，達到輸出驅動力的目的。根據整車橋荷承載扭矩、軸荷承受扭矩和不同工況來確定分動器基本參數（表6）。

表6 分動器基本參數

3 動力電池的參數匹配

磷酸鐵鋰電池具有電壓高、密度大、循環次數高、安全性高、自放電率小的特點。選取的動力電池組參數和性能對車輛動力性和續駛里程影響非常大。動力電池組的主要參數有電壓等級、額定容量、充放電倍率和溫度使用范圍參數，其數值的確定取決于電池的功率因素和能量因素,在選定動力電池組的高壓平臺等級時,不僅要兼顧電機和其它輔助電器件的電壓范圍相一致，還要保證動力電池組的放電功率能夠達到驅動電機工作時所需功率的要求，還要滿足車輛設定的續駛里程需求。

3.1 動力電池組容量計算

動力電池組的容量需要綜合考慮車輛設定的行駛里程需要消耗的能量，比功率、比能量、能量效率、自放電水平和循環壽命是選擇動力電池的重要參數。

一般情況下先按照車輛以50 km/h速度勻速行駛80 km 工況下整車消耗的能量來確定，此時整車的功率需求為：

式中，=50 km/h。

根據整車其它參數，獲得整車功率需求=53 kW。

動力電池組能量為：

式中，W為動力電池組實際續航能量；為續駛里程；為續駛時間；

由式（12）計算得出W=91.3 kW·h；

式中，W按照消耗的電量20%計算；ξ為有效放電容量系數，按照0.8計算。

通過計算可得W=28 kW·h；

式中，W為電池組總能量；為電池組電壓；為電池組容量。

計算可知電池容量=275 A·h。

3.2 動力電池組數目選擇

根據鋰電池的結構和特點，動力電池組一般都是由眾多單體電芯通過串、并聯組合的方式組成，成組后滿足續駛里程時的能量為：

式中，為電池單體個數；為單體電池工作電壓；為單體電池容量；η為電池組平均放電率。

動力電池的基本參數見表7。

表7 磷酸鐵鋰動力電池基本參數

4 整車控制系統構架設計及參數匹配

4.1 整車控制器系統參數匹配

整車一體化控制器系統根據駕駛員的駕駛意圖、車輛行駛狀態和整車零部件（包含AMT 自動變速箱、驅動電機、動力電池等）的運行狀態，來實現車輛的自動起步、自動換擋和決定驅動電機的轉矩輸出、高壓電的閉合和斷開、驅動電機啟動或者停機狀態。整車控制器系統主要包括驅動電機驅動控制器、TCU、動力電池控制控制器等共9 項控制子系統（圖2），實現電驅動、變速器、動力電池、電動轉向助力油泵驅動、電動氣泵驅動、DC/DC、絕緣監測儀、電動空調壓縮機和高壓倉（快充、電加熱、上裝的高壓配電）功能。

圖2 整車控制系統構架

4.1.1 ISG電機控制器電氣參數

ISG電機控制器通過控制ISG電機的啟動、停止、加速、減速、制動來實現對車輛的動力輸出，根據ISG電機以及平臺電壓要求確定ISG電機控制器的技術參數，如表8所示。

表8 ISG電機控制器電氣參數

4.1.2 電動轉向泵控制器電氣參數

電動轉向泵控制器是電動助力轉向系統的主要組成部分，通過電機控制器控制車輛的轉向泵，按駕駛員意圖控制車輛行駛方向，同時確保轉向的靈活性、操控性、穩定性和舒適性。根據車輛總質量以及平臺電壓確定電動轉向泵控制器的技術參數，如表9所示。

表9 電動轉向泵控制器電氣參數

4.1.3 電動空壓機控制器電氣參數

電動空壓機控制器是通過變頻控制空氣壓縮機來實現給車輛提供制動以及控制部件的氣源。根據儲氣筒氣壓以及平臺電壓確定電動空壓機控制器的技術參數，如表10所示。

表10 電動空壓機控制器電氣參數

4.1.4 DC/DC電氣參數

DC/DC變換器由功率模塊、驅動模塊、控制模塊3個部分組成，功能是為動力轉向系統、空調和其它輔助設備提供所需的電源。根據車輛負載部件的電壓需求和平臺電壓確定DC/DC變換器的技術參數，如表11所示。

表11 DC/DC電氣參數

4.2 AMT控制器電氣參數

AMT 自動變速器控制器（Transmission Control Unit，TCU）接受到整車控制器的信號，通過轉換輸出信號，通過AMT 換擋電機實現選擋、離合器分離和結合進行聯合操縱，驅動換擋撥叉實現不同工況、不同車速下的自動換擋目的。AMT 系統主要包括傳感器、TCU、自動離合控制、選檔、換擋機構以及顯示設備（圖3），AMT 自動變速器控制器（TCU）電氣參數見表12。傳感器測試到速度、位移、溫度參數，轉換成信號快速傳遞給TCU，TCU 根據信號實現自動換擋動作。然后將計算出的結果以命令的形式發送給各執行機構，發出動作命令。TCU 控制系統主要包括系統模塊、電機驅動模塊、CAN 通訊模塊和電源模塊。減速機構采用二級齒輪減速裝置，運動轉換機構采用具有自鎖功能的螺旋裝置。換擋力在100 N至200 N之間，取最大換擋力為200 N進行計算，結合實際情況選擇永磁直流電機作為執行電機。AMT 自動變速器控制器技術參數，如表12所示。

表12 AMT自動變速器控制器（TCU）電氣參數

圖3 AMT 系統的構架及策略

4.3 動力電池控制器電氣參數

動力電池控制器通過控制動力電池，對動力電池進行系統管理及故障監測，最終轉換輸出不同的電壓電流，將滿足不同的系統的要求，動力電池控制器參數見表13。

表13 動力電池控制器參數

4.4 整車主要系統及控制器平臺電壓匹配

根據設計選擇驅動電機的直流電壓平臺為540 V，電壓平臺電壓范圍為420～650 V，驅動控制器額定電壓為540 V，電壓范圍為330～750 V，磷酸鐵鋰動力電池標準電壓為540 V，DC/DC 電氣輸入/輸出直流標準電壓為540/12 V，電動空壓機控制器直流額定電壓為540 V，電動轉向泵控制器直流額定電壓為540 V，AMT自動變速器控制直流額定電壓為24 V，電壓范圍為16～32 V，動力電池控制器直流電壓為24 V，電壓范圍為16～32 V，驅動電機控制器滿足驅動電機的使用設計要求，磷酸鐵鋰動力電池電壓滿足驅動電機的電壓要求，電動空壓機、電動轉向泵電壓需求分別滿足控制器電壓使用設計要求，AMT自動變速器、動力電池電壓需求分別滿足控制器電壓使用設計要求，DC/DC電氣輸出標準電壓滿足整車其它系統取電需求。

5 試驗驗證

關于多工況油耗量的計算中采用的我國頒布的重型商用車瞬態循環工況，即C-WTVC 循環工況（GB/T 27840—2021），如圖4所示。

圖4 C-WTVC 循環工況[22]

試驗樣車進行C-WTVC 循環工況下續駛里程測試，基本性能情況如表14所示。

表14 車輛性能設計與試驗對比

通過樣車試驗結果可知：實際驗證的商用車的各項指標已經達到設計值，車輛的最高車速、最大爬坡度、加速時間指標都可以優于理論設計值，超過了車輛開發的目標值，純電10 km/h 爬坡度與理論設計值持平，純電動續駛里程試驗值低于理論設計值，設計值與試驗值重合度基本控制在3%范圍以內，所有的指標滿足車輛的使用要求，整車可靠性、經濟性、動力性、安全性、穩定性都處于良好的水平，總體設計指標與性能滿足使用要求。

6 結論

文章針對油電混合商用車使用要求，對油電混合商用車動力傳動系統進行匹配設計。依據車輛性能設計要求以及工況使用要求，對發動機、驅動電機、AMT、分動器、動力電池、驅動橋進行匹配設計。為提升油電混合商用車的動力性和續駛里程，進行了驅動電機與AMT組合的動力系統匹配優化，提高了整車經濟性。整車具備噪聲低、可靠性高、舒適性好、動力強勁、經濟性好的優勢，采用低轉矩、高轉速電機，拓寬電機高效區，有效提高最大爬坡度，動力系統結構簡單、保養維護容易、維護時間短、維護成本低。