Plug-in混合动力城市公交车方案设计与仿真

陈刚,武蕾

（1.三明学院机电工程学院，福建三明365004；2.三明机械CAD工程研究中心，福建三明365004）

Plug-in混合动力城市公交车方案设计与仿真

陈刚1,2,武蕾1,2

（1.三明学院机电工程学院，福建三明365004；2.三明机械CAD工程研究中心，福建三明365004）

在原传统内燃机汽车基础上进行了并联式Plug-in混合动力系统结构设计和主要参数的匹配，提出了一种混合动力汽车设计方案，建立了混合动力主要部件和整车的Simulink模型，并在中国城市公交循环工况和CYC_UDDS循环工况下进行了仿真研究。仿真结果的各项指标均达到了设计要求，混合动力汽车的燃油经济性和排放性均比原车型有明显改善，表明设计方案是合理的。

Plug-in混合动力公交车；并联结构；方案设计；仿真分析

目前，摆在汽车工业面前的一个严重问题就是如何减少能源消耗和环境污染。因此，新能源汽车将是未来汽车的发展方向。其中纯电动汽车可以实现零排放，但目前还存在一些局限性，如：（1）续航里程短；（2）需建设充电站等基础设施；（3）电池制造成本高且寿命较短；（4）充电时间较长[1]。普通混合动力汽车由于仅能由发动机提供能量或回收部分能量，其电池容量较小，很难实现以纯电动模式行驶较长距离。而插电式混合动力汽车电池容量较大，可直接使用外部电源充电，发动机富余能量、下坡和制动等能量也可回收给电池充电。因此，插电式混合动力汽车是传统内燃机汽车向纯电动汽车过渡的理想产品之一。

1 Plug-in混合动力电动汽车设计方案

1.1 动力系统结构设计与分析

根据并联式混合动力系统的设计思路和要求，图1为混合动力汽车的动力结构示意图。其能量流动方式有如下几种。

（1）汽车起步及低负荷情况，蓄电池单独工作：蓄电池—控制器—电动机—变速器—驱动桥—后轮；

（2）中高负荷，发动机单独工作：发动机—变速器—驱动桥—后轮；

（3）高负荷，蓄电池与发动机同时并行工作：蓄电池—控制器—电动机—动力耦合装置—变速器—驱动桥—后轮，发动机—动力耦合装置—变速器—驱动桥—后轮；

（4）蓄电池充电与能量回收：家用220V—充电器—蓄电池；发动机—电动机—控制器—蓄电池。

图1 动力系统示意图

1.2 混合动力系统主要部件参数匹配

1.2.1 整车功率需求

文章所研究的是一款动力总成后置、后轮驱动的城市公交，原车型的基本参数如表1。

表1 原型车基本参数

汽车动力性能的评价指标主要是最高行驶速度，最大加速度和最大爬坡度[2]。据此提出了混合动力汽车的设计要求和指标如下：（1）最高车速umax≥80 km/h；（2）0～50 km/h加速时间≤30 s；（3）以速度um=10 km/h，最大爬坡度≥20％；（4）燃油经济性比原传统汽车降低30％。

根据设计要求提出的最大车速、加速性能和爬坡性能确定的最大功率分别为：

式中：δ为汽车质量换算系数，αmax=arctanimax。

根据设计指标与汽车参数计算得Pmax1=64.2 kW，Pmax2=65.6 kW，Pmax3=67.3 kW，故混合动力系统最大功率Pmax=max（Pmax1，Pmax2，Pmax3）=67.3 kW，考虑到发动机应有一定的后备功率，并且发动机附件（空调、风扇等）需消耗功率，最终确定最大功率Ptotal=85 kW。

1.2.2 关键参数设计

（1）发动机参数。要求发动机需满足汽车以最高车速在平坦路面行驶的功率需求，在加速和爬坡情况所需的峰值功率通过蓄电池组提供，因此，发动机的额定功率应取Pe≥64.2 kW。

（2）电动机参数。分别要求车辆能以纯电动最高车速20 km/h运行，以及纯电动在5％的坡度上以10 km/h的速度行驶，计算这两种情况下最大功率为29.3 kW，考虑附件消耗功率，电动机选择功率35 kW的永磁电动机。

（3）蓄电池参数。蓄电池组电池数量应满足两个条件：电池组电压和驱动电机的额定电压保持一致；纯电动行驶，能满足续驶里程要求[4]。该方案所选电动机的额定工作电压是350 V，蓄电池单体额定电压是3.2 V，可计算出单体电池个数应大于350/3.2=110节。由纯电动模式下续驶里程要求，计算蓄电池额定容量为95.04 kWh。

2 ADVISOR仿真分析

2.1 Simulink仿真模型

根据整车受力情况以及车辆动力学平衡的条件建立动力学模型，见式（4）～（5）：

式中：ΣF为汽车行驶所受总阻力，Pf为总阻力功率。

Simulink模型建立的思想：依据循环工况下汽车的速度和加速度请求，由上述公式计算出总阻力，然后向车轮提出车速和驱动力或功率请求，控制器根据车轮速度和功率请求，将需求动力信号发送给发动机和电动机，发动机与电动机再将动力经传动系统输出给车轮。依据此思想文章建立了各个部件和整车的Simulink模型，图2为本文并联式混合动力顶层模块图，图3为整车模块图。

图2 并联式混合动力顶层模块图

图3 整车模块图

2.2 中国城市公交循环工况下仿真分析

在ADVISOR中有各国典型的道路循环工况，如美国CYC-EUDS、日本CYC-1015、欧洲CYCNEDC等56种标准的道路循环工况[5]。不同循环工况对仿真结果会产生不同的影响，因此必须选择合适的循环工况。为了使仿真更接近实际情况，本文将中国城市公交典型工况导入了ADVISOR，并选择此为仿真的循环工况。该循环一共用时1340 s，平均车速16.1 km/h，行驶距离5.83km[6]。从图4可以看出，该循环工况的车速变化非常平繁，其中怠速占28.45％，加减速行驶时间占63.88％，匀速工况仅占7.67％，大部分时间工作在加减速的变化工况。这很好地反应了本文所研究的城市公交行驶特点。由于中国城市公交循环工况的仿真车速上限是60 km/h，因此文章又选择了美国环境保护署城市道路循环工况CYC-UDDS对混合动力汽车进行最高车速的仿真，图5是该循环工况下的速度仿真结果曲线图。

图4 中国城市公交循环工况

图5 混合动力车速仿真曲线

按照设计指标对仿真的相关参数进行了设置，从仿真结果可以看出，所设计的混合动力汽车比原传统汽车在燃油经济性和排放性方面有了较大提高，动力性能指标也达到了设计要求，表2为混合动力汽车与原车型性能比较。图6～7是通过仿真输出output check plots得到的电机仿真效率图和动力传动系仿真效率图，从图中可以看出，仿真过程中电机的工作效率点和传动系仿真效率大部分在0.8以上，说明选取的零部件参数可以较好地满足整车的设计要求。

图6 电机仿真效率

图7 动力传动系统仿真效率

表2 混合动力汽车与原车型性能比较

3 结论

插电式混合动力系统蓄电池模块可以提供较大的功率需求，从而可减小发动机功率需求，能使车辆燃油经济性和排放性较大地提高。仿真结果表明，设计方案中动力系结构的设计和零部件参数的计算、选择是有效的，仿真结果较好地达到了所设计的各项指标。但还可以使用约束条件和优化目标对混合动力系统进行优化设计，还有进一步研究的空间。

[1]SHIZUO ABE.Development of toyota plug-in hybrid vehicle［J］.Journal of Asian Electric Vehicles，2010，8（2）：12.

［2］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［3］曾小华，王庆年.汽车功率需求的简单求解方法［J］.吉林大学学报：工学版，2011，41（3）：613-617.

［4］杨芸芸.充电式混合动力城市客车设计及仿真［D］.武汉：武汉理工大学学，2010.

［5］SAM G.Optimization of plug-in hybrid electric vehicle［D］.Thesis：Georgia Institute of Technology，2006.

［6］陈龙.混合动力电动汽车动力性与经济性分析［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

Design and Simulation of Plug-in Hybrid Electric City Bus

CHEN Gang1,2，WU Lei1,2
（1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China 2.Sanming Engineering Research Center of Mechanical CAD,Sanming 365004,China）

A parallel Plug-in hybrid system based on a conventional city bus,and the structure and parameters of the power system are designed and a new hybrid vehicle design method is proposed in this paper.The Simulink models of the major components and the whole vehicle is established.Then the simulation study in China city bus cycle and CYC_UDDS cycle in ADVISOR is conducted.The simulation results show that the indicators meet the design requirements and the fuel economy and emissions performances are significantly improved,which indicates the design is reasonable.

Plug-in hybrid electric city bus;parallel;design;simulation analysis

U469.72

A

1673-4343（2013）06-0040-05

2013-09-23

福建省教育厅科技项目（JK2013050）

陈刚，男，湖南衡阳人，助教。研究方向：车辆工程。