基于超级电容的混合动力客车动力系统设计

尹安东， 冯 瑞， 赵 韩

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

目前，低排放、低能耗的混合动力客车(H ybrid Electric Bus，简称HEB)得到世界各大汽车厂商关注。目前HEB应用的储能装置一般为电化学电池、镍氢电池和锂离子电池等。电化学电池充放电特性及寿命不能很好满足城区客车的要求;镍氢电池、锂离子电池等因价格昂贵，限制了使用。超级电容器具有比功率大、充放电量大而快、循环寿命长、价格适中等优点，近年在HEB上得到应用。此外HEB的动力系统设计和参数匹配与行驶工况、控制策略密切相关[1-4]。

本文以某传统燃油城市客车为原型车，以超级电容为储能装置进行HEB的动力系统设计和参数匹配研究。首先，从设计要求出发确定了发动机、电机、传动系及超级电容等关键部件参数，然后基于CRUISE软件进行了整车建模仿真分析，最后通过设计的PHEB样车试验检验了动力系统设计和参数匹配的可行性与合理性。

1 动力系统设计技术要求

本文以某传统燃油城市客车为原型车，进行HEB的动力系统设计和参数匹配[5]，根据城市公交车的运行状况以及道路条件，确定设计车型的基本参数和技术要求见表1所列，并选择中国典型城市公交循环工况作为仿真和试验工况，如图1所示。

表1 设计车型的基本参数

图1 中国典型城市公交循环工况

2 混合动力系统设计

2.1 HEB动力系统构型设计

混合动力客车(HEB)通常有串联式、并联式、混联式及复合式等4种型式，并联式具有以下优点:效率高，驱动特性更符合实际路况;结构简单，成本较低;技术要求比较低;可以很好地实现制动能量回馈等。设计基于超级电容的并联式混合动力客车(Parallel H ybrid Electric Bus，简称PHEB)动力系统结构如图2所示。

图2 PHEB动力系统结构图

2.2 PHEB控制策略设计

PHEB动力系统的参数选择与控制策略有直接的关系[6-8]，因此在动力系统参数匹配前要先制定PHEB的控制策略。本文采用以发动机为主，电机为辅的电机辅助控制策略。控制逻辑设计如下:

(1)当汽车起步时，速度低于所设定值，电机单独驱动整车。

(2)当车速达到所设定值，电机关闭，发动机单独驱动整车，富裕功率向超级电容充电。

(3)当汽车在加速、爬坡及大负荷情况下，发动机和电机共同驱动整车。

(4)当汽车在制动时，电机转换为发电机，尽可能地回收能量。

2.3 动力系统参数选择与匹配

2.3.1 发动机参数选择

发动机选型和参数选择对混合动力客车性能影响较大，选择过小，增大了电机的工作机会，动力性差，且超级电容放电过度，影响超级电容性能及整车续驶里程;选择过大，经济性、排放性差，且不能合理利用电机。根据上述控制策略，以满足汽车最高车速行驶要求确定发动机的功率[9]:

其中，Pemax为发动机的最大功率;m为总质量; v max为最高车速;f为滚动阻力系数;C D为空气阻力系数;A为迎风面积;ηT为传动系效率。

根据表1和(1)式，最后选择功率为162 kW的柴油发动机，其外特性如图3所示。

图3 柴油发动机外特性图

2.3.2 驱动电机参数选择

根据设计要求，电机应在起步、加速、爬坡时提供辅助动力，在制动或下坡时进行能量回馈，且使发动机有更多的机会在经济转速范围内工作。根据发动机外特性图最后确定选用的电机额定转速为2 700 r/min，最高转速为5 000 r/min，额定功率为45 kW的交流永磁同步电机。

2.3.3 传动系速比选择

(1)主减速器i0的选择。i0的选择应满足最高车速要求，且能使发动机在最高车速时仍能发挥出最大功率[10]，即

其中，N emax为发动机最高稳定转速;R r为车轮滚动半径;N ep为发动机最大功率点对应的转速。最后经计算选择i0=5.125。

(2)最小传动比的选择。传动系最小传动比根据发动机单独驱动时，最高车速的功率平衡点进行选择，即

经计算得imin=3.21。

(3)最大传动比的确定。最大传动比需要满足最大爬坡度及附着条件的要求，即

其中，M 2为驱动轴荷质量;φ为附着系数。

经计算28.11≤imax≤70，即发动机驱动时最大传动比应设计在28.11～70之间。此外最大传动比要满足发动机和电机混合驱动时的附着条件，并考虑到在满足动力性的条件相邻挡位之间应尽可能有小的传动比，最后选择i max=32.95。

(4)变速器挡位数和传动比的选择。挡位的合理选择对整车动力性、经济性以及排放性能都有很大的影响。结合上面计算结果以及参考同类型车的变速器，应用等比级数分配传动比，初步确定变速器的挡位和速比见表2所列。

表2 变速器挡位数和速比

(5)超级电容参数选择。超级电容的选择不仅要考虑满足提供电功率的需要，还要考虑满足动力性要求，一般只对超级电容的功率和容量进行选择。

功率的确定:超级电容功率主要满足电机输入功率需求，即

其中，P m、ηm分别为电机额定功率和效率。经计算可得P s≥50 kW。

容量的确定:在加速过程中，若电机以额定功率运转，则

其中，P s、T分别为超级电容功率和加速时间。经计算得E=0.416 kW◦h。根据电机要求，选用E=0.34 kW◦h的超级电容。

3 PHEB样车性能仿真分析

3.1 PHEB仿真模型建立

根据所设计的PHEB动力系统结构特点，在CRUISE下建立整车模型，该模型包括发动机模块、离合器模块、变速器模块、电机模块、超级电容模块和控制模块等。各模块有机械接口、电气接口或者数据接口[11，12]。

3.2 样车动力性和经济性仿真测试

基于PHEB整车模型和表1的数据，进行最高车速、各挡爬坡度、0～50 km/h加速性能仿真测试，并在中国典型城市公交循环工况下进行油耗与超级电容SOC值的仿真分析，部分结果如图4、图5所示。

图4 PHEB样车各挡爬坡度曲线

图5 超级电容SOC变化曲线

仿真结果表明:最高车速为88.9 km/h(≥80 km/h)，最大爬坡度为39.9%(≥20%)，0～50 km/h加速时间为23.6 s(≤30 s)，百公里油耗为27.8 L(≤32 L)，能够满足设计要求，并且在整个循环中超级电容SOC值在限定范围内波动。

4 PHEB样车道路测试分析

4.1 PHEB样车道路测试

根据文献[13-16]，应用汽车综合试验仪、功率分析仪及信号处理系统等测试仪器进行PHEB样车最高车速、最大爬坡度、百公里油耗及0～50 km/h加速时间等道路性能测试，测试结果见表3所列。

表3 PHEB样车道路测试结果

可见，所设计的PHEB样车最高车速、最大爬坡度、0～50 km/h加速时间及百公里油耗等道路性能测试值均满足设计要求，从而验证了PHEB动力系统设计和参数匹配的可行性。

4.2 PHEB样车道路测试结果分析

4.2.1 道路测试结果对比分析

针对同类型传统燃油城市客车(原型车)进行对比测试，并与设计的PHEB样车测试结果进行比较，见表4所列。

表4 对比测试结果表

由表4可知，与原车型相比，PHEB样车的动力性和经济性都得到改善，百公里油耗降低了29.3%。

4.2.2 模型验证

将本文所建PHEB模型的仿真值与PHEB样车的道路测试值对比，结果见表5所列。

表5 PHEB样车测试值与仿真值对比表

可见，仿真值与测试值的误差均小于5%，从而验证了基于CRUISE的PHEB整车仿真模型的准确性和适用性。

5 结束语

本文设计了基于柴油发动机-超级电容的PHEB动力系统结构设计，通过汽车理论及工程分析进行了发动机、电机、传动系及超级电容等关键部件参数匹配。基于CRU ISE建立了PHEB的整车仿真模型，并进行了PHEV样车仿真测试和道路测试分析，验证了PHEB动力系统设计和参数匹配的可行性和基于CRUISE所建立的PHEB模型的适用性。

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