并聯式混合動力公交車關鍵零部件匹配方法研究*

李 冰

(濰坊職業學院,山東 濰坊261041)

我國為實現節能減排的可持續發展戰略,在汽車領域著重推廣新能源汽車技術。在當前政策法規的引導下,各個整車廠及科研院校重點關注新能源混合動力城市公交車的發展。

作為公共交通工具,城市公交車的發展趨勢是逐漸淘汰小型公交車,大力發展10m以上車型。從市場情況看,12m車的市場占有率最高且比重有增加的趨勢,并聯技術路線是L≥11m車輛中主要的技術路線,其中單軸并聯是一種常見的技術方案。采用單軸并聯式結構,發動機與低速大扭矩永磁同步電機同軸布置具有結構緊湊,機械效率高和可靠性好的特點,應用頗為廣泛。本文就以12m單軸并聯式混合動力城市公交車為目標,研究其關鍵零部件匹配計算及選型方法。

1 輸入數據

1.1 城市公交車設計目標

以12米混合動力公交車的設計目標作為匹配計算的重要輸入(試驗方法依據GB/T 19752-2005):最高車速70km/h,最大爬坡度≥20%;0～50km/h加速時間≤25s。

以12米傳統城市公交車的基礎參數作為計算分析的輸入:基礎車整備質量12500kg,滿載質量18000kg,輪胎型號275/70 R22.5,輪胎半徑0.4541米,輪胎行駛阻力系數0.0057+0.000084×v。

1.2 設置循環工況

仿真所用循環工況為GB/T 19754-2005中規定的中國典型城市公交循環工況,詳細情況如圖1所示。

1.3 建立仿真模型

使用Simulink軟件建立12米城市公交車整車物理模型和控制模型,進行循環工況下的數據分析。依據車輛動力學的相關公式建立仿真模型。物理模型主要由行駛循環工況模塊、輪胎模塊、整車模塊、差速器模塊和主減模塊構成。通過模擬仿真計算,可以得到該車輛數據下的循環工況對應的需求扭矩、需求轉速和需求功率。[1]建立的整個仿真物理模型的示意圖如圖2所示。

圖2 建立的仿真模型

根據建立的仿真物理模型,建立控制模型,進行計算,控制模型如圖3所示,其中紅色為來自仿真物理模型的輸入,綠色為控制輸出。

圖3 控制模型

在控制模型中進行怠速、啟動等各種不同模式的計算,控制邏輯模型如圖4所示。

不同的模式下的驅動算法的函數模塊如圖5所示。

圖5 驅動算法函數模塊

2 分析計算

根據設計目標、基礎車型數據、循環工況要求和政策要求,確定各個零部件的選型范圍。

2.1 車橋

混合動力公交車傳動系包括主減速器和變速箱,傳動系的總傳動比為主減速比和變速箱傳動比的乘積。

根據發動機最大轉速、整車最高車速的設計目標和整車的滾動半徑,按公式(1)計算最大總傳動比kmax。

式中:

nmax——發動機最大轉速,r/min;

Vmax——整車設計的最高車速,km/h;

r——整車的滾動半徑,m。

根據Vmax的設計目標70km/h、變速箱速比取1、nmax為2300r/min和輪胎半徑0.4541m,計算車橋速比≤5.6;根據Vmax的設計目標70km/h、變速箱速比取0.78、nmax為2300r/min和輪胎半徑0.4541m,計算車橋速比≤7.2;根據Vmax的設計目標70km/h、變速箱速比取0.73、nmax為2300r/min和輪胎半徑0.4541m,計算車橋速比≤7.7;

根據發動機最小穩定轉速、整車的最小穩定車速和整車滾動半徑,按公式(2)計算最小總傳動比kmin。

式中:

nmin——發動機最小穩定轉速,r/min;

Vmin——整車最小穩定車速,km/h;

根據nmin一般為550r/min、600r/min、750r/min,本仿真中取nmin為800r/min。

根據Vmin為5km/h、變速箱速比取6.39、發動機轉速為800r/min和輪胎半徑0.4541m,計算車橋速比≥4.3;

根據Vmin為5km/h、變速箱速比取7.08、發動機轉速為800r/min和輪胎半徑0.4541m,計算車橋速比≥3.9;

綜上所述,推薦常用速比后橋,其速比范圍[4.3,5.6]。

依據循環工況,取后橋主減的機械效率為0.98,仿真得到主減輸入端的最大功率為140kW。因此,要求后橋主減的額定輸入功率≥140kW。

驅動橋所能承受的載荷要符合12m公交車的需求,即后橋載荷≥13000kg。

2.2 變速箱

根據對標車情況,選用前進擋位在5～6個的AMT變速箱。

取變速箱平均機械效率為0.95,得出主減輸入端最大功率147.4kW,為滿足循環工況功率需要,變速箱額定輸入功率≥147.4kW。

變速箱輸入端轉速為發動機與電機耦合轉速,因此變速箱最大輸入轉速≥發動機的最大轉速。

2.3 發動機

根據整車最高車速的設計目標,求最高車速需求功率Pmax1。計算公式見下式(3)。

式中:

Pmax1——車輛以最高車速行駛,需求的功率,kW;

Vmax——最高車速,km/h;

ηt——總傳動系效率;

m——滿載質量,kg;

f——滾動阻力系數;

CD——空氣阻力系數;

A——迎風面積,m2。

根據最高車速70km/h勻速行駛,計算得出最高車速行駛時需求功率59.24kW。

根據整車最大爬坡度的設計目標,計算最大爬坡度的需求功率Pmax2。計算公式見下式(4)。

式中:

Pmax2——車輛爬最大坡度,需求的功率,kW;

vi——爬坡車速,km/h;

ηt——總傳動系效率;

m——滿載質量,kg;

f——滾動阻力系數;

αmax——最大爬坡角度;

CD為空氣阻力系數;

A為迎風面積,m2。

以5km/h車速爬20%的坡度,需求功率為58.21kW;以30km/h爬4%的坡,需求功率為83.2kW。

綜合上述計算,考慮輔機功率消耗12kW,按照30km/h爬4%的坡,發動機提供功率應≥95.2kW,即≥129.5馬力。

2.4 電機

循環工況下需要電機與發動機提供的最大總功率為147.4kW。發動機在滿足輔機運行的情況下,能夠提供最大功率為83.2kW,因此要求電機的峰值功率≥64.2kW。

根據《關于繼續開展新能源汽車推廣應用工作的通知》(財建〔2013〕551號)中要求,當前國家政策補貼對象是插電式混合動力城市公交車。

而根據《節能與新能源汽車節油率與最大電功率比檢驗大綱》中規定,只有滿足以下兩點才能認為是插電式混合動力。一是裝備有可以在正常使用情況下從非車載裝置中獲取能量的裝置;二是十米以上城市公交車的純電動模式續駛里程不低于30km。

GB/T 18386《電動汽車能量消耗率和續駛里程檢驗方法》中對續駛里程試驗方法有如下要求:確認車輛達到生產廠家聲稱的SOC狀態,采用純電動駕駛模式,在道路上進行40±2km/h的等速檢驗。因此,為了滿足上述第二條要求,計算電機額定功率需要≥28.6kW。

電機純電動起步運轉,需要覆蓋發動機的低速高油耗區,因此確定電機基速≥900r/min。電機與發動機同軸,要求電機最大轉速≥發動機轉速。

2.5 動力電池

動力電池通過電機控制器給電機提供電量,因此要求動力電池的輸出功率與電機功率匹配。動力電池的電壓與電機控制器電壓相匹配。

按照插電式混合動力公交車財政補貼要求,需要動力電池配有非車載裝置中獲取能量的裝置,同時需要車輛在40km/h下能夠行駛30km。由于能量為功率和時間的乘積,通過計算,此種情況下電源系統最少應能對外提供能量≥21.5kWh。

根據動力電池電壓為400V,充放電效率為97%,電池SOC使用90%,計算動力電池容量≥62Ah。

根據動力電池電壓為355V,充放電效率為97%,電池SOC使用90%,計算動力電池容量≥70Ah。綜上計算,要求動力電池的容量≥70Ah。

根據《關于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知(征求意見稿)》,純電動行駛里程大于50km,則可以免去購置稅、車船稅等。此條件對電池能量提出了更高的要求,通過計算,此種情況下電源系統最少應能對外提供能量≥35.8Wh。同理,滿足該項政策的情況下,要求動力電池的容量≥100Ah。

2.6 計算結論

經過上述計算,得出關鍵零部件主要參數范圍,結果匯總見表1:

表1 關鍵零部件主要參數列表

3 關鍵零部件數據庫

3.1 發動機

混合動力系統所用的發動機是將同排量傳統發動機經過合理修改后的專用發動機,其最大的特點是適應頻繁的起停工況。為此需要對結構進行強化,提升軸系抗扭能力、耐磨性、抗疲勞,還需要優化潤滑系統。頻繁起停對發動機熱管理也提出了更高的要求。[2]

根據計算的發動機參數,要求發動機的功率大于95.2kW(130馬力),轉速大于2300r/min。根據公交公司要求,發動機排量要大于等于5L。綜合考慮實際情況,發動機推薦如下幾個型號:Eng5L、Eng6L和Eng7L。其具體參數見表2。

表2 發動機的參數

3.2 電機/發電機

混合動力系統中使用的電機/發電機是指具有驅動和發電功能的一體機。電機常選用永磁同步電機中的內永磁電機,具有高速時效率高,低速時效率中等,高速功率高等優點,同時成本、扭矩密度、噪音居于中等水平,是市場成熟的產品,綜合各個方面是較優選擇。另外,并聯系統需要綜合考慮電機的高效區及發動機的高效區。

按照零部件參數范圍,要求電機的額定功率大于28.6kW,峰值功率大約64.2kW,基速大于900r/min。推薦以下Motor1和Motor2兩款電機,如表3所示。

表3 所選電機的參數

3.3 AMT變速箱

AMT變速箱是在傳統機械變速箱的基礎上,添加執行機構。利用控制程序自動完成選換擋。可以減少不合理換擋對變速箱造成的損害,同時AMT在成本上具有巨大的優勢。[3]當前市場上產業化的AMT變速箱主要有兩款,型號定義為AMT1和AMT2,其主要性能參數如表4所示:

表4 所選變速箱的參數

3.4 動力電池

動力電池作為新能源汽車的儲能動力源發揮著非常重要的作用,要評定電池的實際效應,主要是看電池的性能指標,如電壓、容量、內阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等,根據電池種類不同,其性能指標也有差異。

動力電池系統在結構上主要包括電池單體、電池模塊、冷卻部件(和加熱部件)、電池管理系統、高壓控制單元、接觸器、保險、電壓電流和溫度傳感器,這些部件共同保證電池系統工作在安全狀態。

新能源汽車對電源系統的要求,[4]比能量高、比功率大、充放電效率高、相對穩定性好、使用成本低。鋰離子電池在眾多電池種類中,綜合性能最高。

按照計算的零部件參數范圍,要求動力電池的容量大于等于70Ah,并配有外接充電裝置。

市場上常用的動力電池產品,滿足要求的有以下五個型號,見表5,對此進行綜合評價,評價得分滿分10分。可見,得分最高的兩款產品是Battery 4和Battery 5。由于是樣車,考慮到項目成本,選取容量較小、重量較小、應用較多的Battery 4,即參數為355V70Ah動力電池。

3.5 電動輔機系統

關于電動輔機系統中的零部件,如電動助力轉向系統、電動空壓機、逆變器、各種高壓部件等,根據整車參數、零部件本身的特點、產品可靠性、安全性等方面進行選擇。

表5 五種常見的動力電池

3.6 其他零部件參數

(1)輪胎

輪胎選用傳統公交車所配的輪胎,型號為275/70 R22.5,屬于子午線輪胎,半徑較小,方便乘客上下車。

(2)后橋

12米公交車需要選配13噸承重載荷的后橋,根據計算結果,后橋主減速比選用范圍為[4.3,5.6]。由于后橋主減速比大小直接影響整車的動力性及經濟性,因此本文在所計算范圍內,選取了市場上常見的4種速比進行仿真計算。其具體參數如表6所示。

表6 本方案選用的仿真參數

當前,車橋的發展方向為在保證其性能的前提下進行輕量化處理。因為混合動力系統添加了電機、電池等電能系統,整車的裝備質量有所增加,所以在選擇車橋時,盡量選擇經過輕量化處理的車橋。同時兼顧降噪、安裝維護方面的因素進行選擇。

4 小結

本文以12m單軸并聯式混合動力城市公交車為例。介紹關于混合動力公交車關鍵零部件匹配計算及選型方法,為混合動力公交車設計時進行關鍵零部件的選擇提供方法和思路。分析計算以目標整車參數及設計目標為輸入,通過車輛動力學計算和仿真計算得到了車輛關鍵零部件關鍵參數的范圍,按照仿真計算得出的零部件范圍,并結合市場成熟度、可靠性、安全性等方面選擇合適的零部件,接下來根據所選零部件型號,制定多組方案,通過仿真并結合其他條件,完成目標車的零部件選型工作。