增程式公交客车动力系统设计与仿真研究

余弢　王哲　尹兆雷　孙晨乐　章桐

摘 要：为了提高城市公交客车的燃油经济性，针对城市公交客车行驶工况的特点，提出一种功率平衡型的增程式公交客车动力系统设计方案，并对其动力系统零部件（主驱动电机、增程器、动力电池）进行了选型计算。基于AVL-Cruise仿真平台，采用增程器定点能量管理策略，对设计的动力系统的燃油经济性和动力性进行了仿真分析。仿真结果表明，提出的动力系统能够满足整车动力性能要求，并在4种不同城市工况下的百公里油耗平均水平较传统柴油客车降低了30.1%。

关键词：功率平衡；增程器；公交客车；动力系统设计；动力性仿真；燃油经济性

中图分类号：U469.72文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.09

增程式公交客车（Range-Extended Electric Bus，REEB）是一种能以纯电形式行驶的插电式串联混合动力公交客车[1-4]。传统的REEB主要有3种工作模式：纯电行驶模式、电量保持模式、夜间充电模式。当动力电池荷电状态（State of Charge，SOC）高于设定阈值时，整车工作在纯电行驶模式下，增程器（Auxiliary Power Unit，APU）关闭，由电池提供车辆行驶所需的功率；当动力电池SOC低于设定阈值时，整车工作模式切换为电量保持模式，此时APU系统开启，输出整车行驶所需要的功率，同时向电池充电[5]。为了保证一定的纯电续驶里程，传统的REEB需要选择容量相对较大的动力电池。由于动力电池容量及质量的增大，整车质量也相应增大，进而影响整车动力性及燃油经济性。

而对于中国城市公交客车，其运行工况具有如下特点：（1）平均车速低（大中城市平均车速为15～25 km/h），且车辆最高车速不高（大多城市公交客车最高车速限制为60 km/h）。（2）车辆行驶过程中经常堵车，车辆慢行工况频繁，发动机长时间工作于怠速或低效、高排放状态。（3）公交客车频繁起步、制动，制动及停车时间长。根据城市公交客车行驶工况的特点及传统REEB的工作模式切换要求，当整车工作在电量保持模式下的时候，动力电池的SOC值已经相对较低，无法再向外输出功率，这就要求APU系统输出的功率必须随着工况需求功率的变化而变化。此时，内燃机难以工作在最佳油耗曲线附近，其排放性能较差，工作效率较低。

针对传统REEB的上述问题，本文提出了一种功率平衡型的REEB动力系统设计方案。在该方案下，整车在行驶过程中一直工作在电量保持模式下，动力电池的SOC值一直保持在一个充放电效率较高的值，且APU系统也一直工作在最佳工作点，输出REEB城市行驶工况所需的平均功率。当APU系统输出功率高于行驶工况实时需求功率时，APU系统向动力电池充电；当APU系统输出功率低于行驶工况实时需求功率时，动力电池给主驱动电机供电，辅助APU系统驱动车辆。该功率平衡型的REEB由于APU系统常开且满足REEB城市行驶工况所需的平均功率，动力电池可以选用容量较小的功率型电池，电池重量变轻，整车整备质量下降，进而燃油经济性得到提高。同时，APU系统可以始终工作在高效工作点，效率较高，排放较好。

从工程实际的角度出发，结合4种不同的城市公交工况，本文着重分析了关键零部件（主驱动电机、动力电池和APU系统）的选型匹配对整车燃油经济性的影响，并通过AVL-Cruise仿真软件对其动力性能和燃油经济性进行了相关仿真研究。

1 REEB动力系统结构和性能指标

功率平衡型REEB的动力系统结构如图1所示。该系统为串联混合动力结构，整车始终由主驱动电机直接驱动车辆。在该系统中，整车主要工作在电量保持模式下，APU系统作为动力系统的主要动力源，提供整车行驶工况平均需求功率。动力电池作为辅助动力单元，在加速、爬坡等高功率需求时给主驱动电机供电，辅助APU系统驱动车辆。整车制动时，主驱动电机工作在发电模式，机械能转化为电能储存在电池中。整车的基本参数与动力性能指标见表1。

2 主驱动电机选型匹配

2.1 最高转速nmax和基速nb

主驱动电机的最高转速nmax和整车最高车速vmax之间存在如下关系式：

。

经过计算可以得到主驱动电机最高转速为nmax=9 000 r/min。选择电机的基速比为4.29，根据公式：

。

计算得到电机基速nb=2 120 r/min。据此，主驱动电机的最高转速和基速选取为9 000 r/min和2 120 r/min。

2.2 电机峰值功率Pmax和额定功率Pe

主驱动电机的峰值功率由整车动力性能指标最高车速、最大爬坡度和最小加速时间决定。最高车速对主驱动电机的功率需求Pmax1如式（3）所示。

。

式中，vmax为最高车速，km/h；m为整车总质量，kg；

g为重力加速度，m/s2；f为滚动阻力系数；Cd为风阻系数；Af为迎风面积，m2。

按照原型车设计参数，该车需以20 km/h的车速通过20%的坡度，则其对功率的需求Pmax2如式（4）所示。

。

式中，vc为爬坡车速，km/h。

根据该车0-50 km/h加速时间不超过30 s，则主驱动电机所需输出功率Pmax3如式（5）[6]所示。

式中，vf为电机基速对应的车速，m/s；vb为加速终了车速，m/s。

通过式（6）可计算得到vf =5.58 m/s，同理可得vb为13.89 m/s。

。

式中，nb为电机基速，r/min。

根据式（3）～（5），分别可以计算得最高车速需求功率Pmax182.16 kW，满足爬坡要求的功率Pmax2218.48 kW，满足0-50 km/h加速时间的需求功率Pmax390.36 kW。取三者最大值并取整，则主驱动电机最大功率Pmax取值为220 kW。按照过载系数2.5进行匹配，则其额定功率Pe取为88 kW，取整为90 kW，满足车辆以最高车速行驶时对功率的需求。

2.3 主驱动电机峰值转矩Tmax和额定转矩Te

主驱动电机的峰值转矩Tmax由最大爬坡度决定，其计算公式如式（7）所示。

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经计算得，Tmax980 N·m。则主驱动电机的额定转矩可由式（8）确定，经计算得Te405 N·m。

。

式中，Te为额定转矩，N·m；Pe为电机额定功率，kW。

综上所述，主驱动电机的选型如下：最高转速9 000 r/min，基速2 120 r/min；峰值功率220 kW，额定功率90 kW；峰值转矩982 N·m，额定转矩405 N·m。

3 APU系统的选型匹配

APU系统主要由发动机和发电机构成，对于功率平衡型REEB，整车主要工作在电量保持模式下，因此APU系统的选型匹配以及APU系统的工作效率对于整车的燃油经济性影响很大。本文主要针对Artemis城市工况、欧洲城市工况、中国城市工况、日本城市工况[7-9]这4种城市运行工况进行了相关研究，各城市运行工况如图2所示。

功率平衡型REEB的能量管理策略如下：动力电池初始SOC设定在50%，APU系统处于常开状态，提供在整个城市工况行驶所需的平均功率，以保证电池始终维持在50%。同时采用APU定点能量管理策略，分析上述4种不同工况下的平均功率需求，即APU应发出的功率。如图3和图4所示，不考虑整车空调功率，在Artemis城市工况下，当APU输出功率恒定在29 kW时，电池的SOC值从50%变到50.3%；在欧洲城市工况下，当APU的输出功率为25 kW时，电池SOC值从50%变到50.3%；在中国城市工况下，APU输出功率为27 kW时，电池SOC值从50%变到50.08%；在日本城市工况下，当APU输出功率为25 kW时，电池SOC值从50%变到50.07%。取上述4种工况的平均值，当APU输出功率为26.25 kW时，可以满足整车在整个工况行驶过程中的平均功率需求。

另外，设定整车空调等负载的功率为30 kW，则当APU系统输出功率为57 kW时，即可满足空调开启工况下的功率需求。根据功率需求，本文匹配了一款输出功率满足要求的永磁同步发电机，其标定工作转速为2 250 r/min，标定输出功率为57 kW，发电机在工作点附近效率为90%，因此，要求与之相匹配的发动机在转速为2 250 r/min的情况下输出的功率为64 kW。本文选择了一款峰值功率为90 kW的发动机。该款发动机的外特性曲线如图5所示。

采用定点控制策略，使APU中发动机始终工作在2 250 r/min，此时发动机满足APU输出功率要求，且该转速下发动机效率较高，燃油经济性较好。

4 动力电池选型匹配

动力电池作为REEB的重要供能部件，其选型对整车的动力性和经济性均有着重要的影响[10]。根据动力电池在整个动力系统中是作为主动力源还是辅助动力源，动力电池分为功率型电池和能量型电池。对于功率型电池，电池主要起到辅助驱动的作用，需要在短时间内提供或者吸收较大的功率。而对于能量型电池，电池需要提供整车纯电行驶一定里程所需要的电量，因此电池的容量较为重要。而对于功率平衡型REEB，动力电池作为辅助动力源，在整车加速或爬坡等功率需求较高时提供瞬时高功率，要求电池具有瞬间大电流充放电能力。虽然电池充放电电流较大，但由于持续时间较短，电池的充放电深度都不大，电池的SOC值波动范围不大。

本文从动力电池质量、制动能量回收量等角度对用于功率平衡型REEB的动力电池选型进行了分析。首先仿真分析了动力电池质量对整车性能的影响。图6为整车质量对百公里油耗的影响，可以看出当整车质量为13 000 kg时，整车百公里油耗为34.74 L；当整车质量为22 000 kg时，整车百公里油耗为42.72 L。可以算出整车质量每增加1 000 kg，百公里油耗平均增加0.89 L。

图7所示为电池质量与额外百公里油耗同续驶里程的关系。取锂离子电池能量密度为75 Wh/kg，电池开路电压为512 V，并考虑电池SOC变化范围约为20%～90%。经分析，在中国城市公交工况下，纯电续驶里程为20 km时，电池所需电量为41.1 kWh，电池所需容量为80.3 Ah，对应电池质量为819 kg，额外百公里油耗0.72 L。随着纯电续驶里程的增加，电池电量、容量、对应的电池重量和额外百公里油耗均有所增加。当纯电动续驶里程为100 km时，电池所需电量205.5 kWh，电池容量401.32 Ah，对应电池质量4 028 kg，额外百公里油耗3.59 L。

通常情况下，城市公交客车的行驶里程约在200 km。中国城市工况下，在传统REEB控制策略中，若REEB纯电续驶里程为100 km，当电池SOC值消耗到20%时，APU系统开启，在剩下100 km行驶范围内，整车需要负载一个重达4 t的电池，造成整车质量的上升和油耗的增加。根据文献[11]，非高温季节，传统柴油公交客车的百公里油耗为38 L，则由于电池质量的增加带来油耗的增加占到了9.4%，因此传统REEB整车控制策略存在着较大的不足。而本文提出的功率平衡型REEB可以较好地避免整车质量过重的缺点。由于APU始终开启，动力电池只需要提供工况所需功率与APU提供的功率的差值，具备短时间的大功率充放电能力即可，而动力电池的容量可以相对较低。动力电池容量可由式（8）决定。

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式中，Cb为电池容量；Pre为主驱动电机峰值功率与APU输出功率的差值；k为动力电池的放电倍率；Um为动力电池的母线电压。

其中，kW，母线电压选择为512 V，电池的放电倍率选择5 C，则所需电池容量Cb为64 Ah，取整为70 Ah。

其次，动力电池的选型应保证增程式公交客车在制动过程中具有最大的制动能量回收的能力。图8为在中国城市公交工况下动力电池的充放电电流和充放电功率的关系。可以看出，整个工况过程中电池最大充电电流为314 A，最大放电电流为189 A，动力电池最大充电功率为171 kW，最大放电功率为99 kW。而上文所选电池最大充放电功率可以达到179 kW，最大充放电电流可以达到350 A，能够满足中国城市工况所需的充放电功率和电流的要求。

5 整车性能仿真

根据上述分析，确定了增程式公交客车动力系统各部件的参数，具体见表2。根据选定的各动力系统参数，基于AVL-Cruise仿真平台，对设计的动力系统进行了仿真验证。整车模型如图9所示，包括发动机模型、发电机模型、主驱动电机模型、动力电池模型等。

5.1 动力性能仿真

根据动力性能要求，对前文选取的整车动力性能指标进行仿真分析及验证，主要分析并验证的参数有最高车速、最大爬坡度和整车0-50 km加速时间。

图10显示的是整车的爬坡性能仿真图，由图可知，整车能够以20 km/h的速度通过39%的坡度，并以30 km/h的速度通过26.5%的坡度，满足整车的爬坡性能要求。

图11为整车的加速性能和最大车速的仿真，可以看出，整车的最大速度超过设计指标中规定的80 km/h，并且0-50 km/h加速时间小于30 s。故本文设计的动力系统能够很好地满足整车的动力性能指标要求。

5.2 燃油经济性仿真

针对Artemis城市工况、欧洲城市工况、中国城市工况和日本城市工况，分别对整车的燃油经济性进行仿真。

设定动力电池初始SOC为50%，发动机始终工作在最佳工作转速下。当动力电池SOC值高于90%时，发动机关闭；当动力电池SOC值低于40%时，发动机开启。各个工况下，整车的百公里综合油耗见表3。其中Artemis城市工况百公里综合油耗34.76 L，欧洲城市工况百公里油耗24.40 L，中国城市工况百公里油耗26.70 L，日本城市工况百公里油耗19.34 L。4种工况的平均油耗水平为26.30 L，与参考文献[11]中传统柴油公交客车百公里油耗38 L的水平相比，本文设计的功率平衡型REEB节油率平均可以达到30.1%。

6 结论

针对传统REEB燃油经济性差的问题，根据城市公交客车行驶工况特点，以整车动力性能指标为约束条件，并以整车燃油经济性最优为目标，设计了一套动力系统参数选型匹配的方法，并基于AVL-Cruise软件搭建了系统仿真模型，同时基于4种不同的城市公交客车运行工况，对所设计的动力系统及所采用的APU定点能量管理策略进行了仿真分析与验证，主要结论如下：

（1）根据功率平衡型REEB动力性能指标对整车动力系统进行设计。经动力系统匹配计算得到主驱动电机额定功率为90 kW，额定转矩为405 N·m，发动机运行功率约为64 kW。与传统REEB相比，本文设计的动力系统在满足整车动力性能指标的基础上，发动机排量较小，动力系统质量也较小，提高了整车的燃油经济性。

（2）根据4种不同的公交客车城市运行工况，分析获得了APU系统的基本功率需求，并基于功率平衡型REEB特点，开发了APU定点工作控制策略。同时考虑动力电池的重量对燃油经济性影响及电池最大充放电功率是否满足加速、制动工况需求等因素对动力电池进行选型。经分析计算得到所选动力电池容量为70 Ah，与传统REEB相比，动力电池容量及质量均较小，有利于整车燃油经济性的提高。

（3）在AVL-Cruise环境下搭建了整车仿真模型，根据4种不同的公交客车城市运行工况，对设计的功率平衡型REEB的动力性和燃油经济性进行仿真研究。仿真结果表明，该动力系统满足整车动力性能要求，并且与传统柴油公交客车相比，燃油经济性平均提高了30.1%。

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