混合动力客车动力系统参数匹配评价分析

郭宽友，简晓春，游国平

(1.重庆交通大学，重庆 400074;2.重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122)

单纯地从混合动力客车的燃料经济性出发，仅仅通过增加动力电池容量、更换大功率电机、提高纯电动行驶车速范围等简单措施就可以获得较为理想的燃料经济性，但这样的代价是高成本、低回报，体现不出混合动力汽车技术的先进性，展现不出其核心竞争力。我国混合动力客车技术从无到有，历经十余年的发展，已渐入在技术路线选择、系统匹配和控制策略等方面进行优化设计的阶段。因而，从试验分析的角度来分析动力系统的工作状态为动力系统参数匹配的优化设计与评价提供了重要的依据，从而优化动力系统的匹配。这样，一方面直接降低了整车动力系统的配置和整车质量，节约了成本;另一方面，由于减少了动力电池等部件的使用量，从而间接降低了电池等其他部件生产环节中所产生的工业污染。

1 混合动力客车参数

某混合动力客车动力系统设计方案如图1所示。该系统与传统车辆动力传动系统相比，其不同之处是在离合器与发动机之间增加了自动控制离合器和ISG电机，系统具有纯电动模式、纯发动机驱动和联合驱动、再生制动等工作模式。

该车设计的基本技术要求为:①0～50 km/h起步换挡，加速性能不超过25 s;②相比于原型车，其燃料经济性提高30%;③最高车速和爬坡度与原型车一致。车辆主要总成配置参数见表1［1］。

图1 某混合动力客车动力系统设计方案

表1 混合动力客车动力整车及总成参数

2 动力系统匹配计算分析

2.1 发动机选型

发动机的参数设计主要根据3个原则:① 满足发动机单独驱动的功率需求;②满足整车动力性要求;③满足整车经济性最佳要求。

在发动机单独驱动达到最大车速umax时计算发动机的额定功率:

取 f=0.01，mt=18000 kg，A=7.1 m2，CD=0.70，ηt=0.85作为设计参数，可得发动机需求功率Pe=83.6 kW。

以车辆20%的爬坡度作为设计要求时，发动机的最大扭矩

为提高车辆燃料经济性，对于混合动力客车，可以设置发动机工作在较为经济的区域。表2为车辆分别在65%和100%载荷时依据式(2)和中国典型城市公交循环工况［2］(图2)计算的需求驱动功率区间分布，车辆最大需求功率为180 kW。

图2 中国典型城市公交循环工况

一般内燃机工作在中等转速和中等负荷时，其燃料经济性最佳。依据表2的数据，若将发动机的工况设计在50～70 kW工作，即可满足约90%的驱动需求。另外，考虑实际情况，需提供空调30 kW的功率需求，即可选择的发动机额定功率约为100 kW。

2.2 电机参数选择

电机的参数设计主要是通过研究电机参数对整车性能的影响，来确定电机的峰值功率、最高转速和额定功率。

研究表明，混合动力车辆的电功率比(电机的峰值功率与车辆总功率之比)与车辆的燃料经济性的提高基本成比例的关系，即电功率比与燃料节油率相当。欲使车辆的燃料经济性提高30%以上，则电机的峰值功率可估计为180×30%=54 kW，当然，这仅仅是初步估算，只作为电机参数选择的初步参考。

混合动力客车提高燃料经济性的最为有效的措施是通过电机再生制动回收整车制动能量。而在动力电池管理系统设计时，需保证电池SOC的平衡，即可认为:电机再生制动回收的能量需满足车辆纯电动行驶的能量需求。

车辆行驶的阻力功率为

式中:m为车辆质量;g为重力加速度;i为道路坡度;δ为车辆旋转质量转换系数;u为车速。

根据表1的车辆参数，依据式(2)和(3)可计算出中国典型城市公交循环工况下车辆行驶的需求功率，如表3所示。

表2 中国典型城市公交循环工况车辆驱动需求功率分布

表3 典型工况下车辆行驶需求功率分段统计(65%载荷)

结合表3中的计算统计数据，若选择最大功率为Pm_max=30 kW的电机，制动需求功率在30 kW以内时，电机可吸收全部制动能量，而在需求制动功率大于30 kW时，电机只吸收30 kW部分能量，因此该工况下的最大能耗节约率为

式中:ηm为电机平均效率，取85%;ηb为电池充电平均效率，取95%。同理，若选择电机的最大功率为Pm_max=50 kW时，能耗节约率为

因此，欲达到提高燃料经济性30%的目的，可选择电机的峰值功率Pm_max=50 kW，同时考虑混合动力客车其他节油措施，如怠速起停、发动机运行区域优化等措施，基本可实现30%的燃料节油率目标。研究表明，并联式混合动力汽车的电机峰值功率一般为额定功率的1.5～2.0倍，因此，电机的额定功率可选择为25～33 kW。

2.3 动力电池组参数

动力电池组参数的确定主要包括电池电压和电池容量的选择。通常应根据电池供应商提供的单体电池参数(如内阻、充放电功率、最大电流等)来确定电池组的总容量及连接方式。混合动力客车在无确定纯电动续驶里程设计要求时，通常以电池组的功率要求为出发点进行电池参数的设计。因此，电池主要作用是为电机提供足够的输出功率，同时存储回收的能量。为此电池放电功率PB必须满足:

以某锂离子单体电池平均内阻R0=20 mΩ估算，其单体电池的最大放电功率可用式(4)估算［3］。

式中:Pbmax为单体电池最大放电功率(W);Ub为单体电池额定电压(V);R0为单体电池放电内阻(Ω)。代入数据，可得所需要的单体电池个数为

在车用电池的使用过程中，电池的最大电流不应超过200 A，根据Pm_max确定电池的电压等级V0应满足如下关系式［4］:

统计表明，采用串并联结构的混合动力客车以及纯电动客车的电压主要在350～650 V［4］。因此，需要的串接电池组数为N=U/Ub=350/3.2=109，取偶数为110组。如每3个单体电池为一组，则单体电池总数为330个，不满足电机功率的需求，因此，至少应每4个单体并联为一组，方可满足电机功率的需求，即电池组的额定电压U=110×3.2=352 V，总单体电池数为 110 ×4=440个。

3 动力系统匹配试验

3.1 发动机选型

图3为该混合动力客车以65%的载荷在典型城市循环工况下进行燃料消耗量测试时的发动机的状态监控数据。图4为根据发动机的实时监控数据而进行的发动机负荷率分布统计特性。

从图3和图4可以得知:

1)在20%以内的发动机低负荷区域，占发动机总运行时间的60.0%，如区域A。

2)在60% ～80%的中等负荷区域，占发动机运行总时间比率仅为9.3%，发动机的效能没有充分发挥，如区域B。

3)在40% ～60%的低负荷率区域，占发动机运行总时间比率为18.8%，而在80% ～100%的高负荷区域，仅占总时间的2.2%，因此可进一步降低发动机的功率。

图3 发动机运行区域分布

图4 发动机运行负荷率分布时间统计

3.2 电机选型

图5为根据该混合动力客车电机的状态监控数据而绘制的电机运行区域分布。图6为根据电机的实时监控数据得到的功率时间分布统计特性。

图5 电机运行区域分布

图6 电机运行功率分布时间统计特性

从图5和图6可以得知:

1)在20 kW以内的电机低负荷低效区域，占总运行时间的75.1%，即电机绝大部分时间运行在低负荷区域。

2)在40～60 kW的电机额定功率也仅占6.2%，可见电机运行在高效工作区域的时间较少。

3)在80～100 kW的高负荷区域也仅占电机总运行时间的0.2%，即电机大功率的优势特点没有得到较好的利用。

3.3 动力电池容量

图7为试验过程中的动力电池SOC的时间历程。

图7 动力电池SOC时间历程

从图7中可以得知，在该试验循环过程中，SOC最小为51%，最大为53%，两者偏差值仅为2%。对于该混合动力客车，SOC的变化区间的设计值为40%～60%，而造成SOC变化区间非常小的原因为可能为:①动力电池的容量选择过大，可大幅度减小;②电机没有充分发挥作用，且负荷率偏低。

4 结论

1)典型城市循环工况下的车辆行驶需求功率特性分析能较好地运用于车辆动力总成的选型设计。

2)该混合动力客车的动力系统的发动机和电机功率余量匹配偏大，可大幅度降低电机功率，从而可降低电池总容量的要求。

3)随着混合动力客车动力系统匹配和控制策略的进一步优化，该车的成本可大幅度降低。

［1］国家客车质量监督检验中心.混合动力客车定型试验报告［R］.H1266，2009.

［2］中华人民共和国国家标准.GB/T 19754—2005重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［3］庄建兵.超轻度混合动力传动系统匹配控制及仿真研究［D］.重庆:重庆大学，2007.

［4］初亮.混合动力总成的控制算法和参数匹配研究［D］.长春:吉林大学，2002.

［5］叶磊，游国平.基于多种循环工况的混合动力客车制动能量回收对燃油经济贡献率的研究［J］.客车技术与研究，2011(2):13－15.

［6］高锋，张强，严臣树，等.基于电压的微混蓄电池状态监测技术［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2010(12):1－5.

［7］欧健，熊峰.并联混合动力汽车起步过程TCS研究［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2011(11):1－6.

［8］游国平，陈德兵，郭宽友.混合动力客车循环工况下燃料经济性分析［J］.客车技术与研究，2011(2):16－18.

［9］游国平，郭宽友，陈德兵，等.混合动力客车技术路线分析［J］.客车技术与研究，2010(3):1－4.