新型混联式混合动力客车动力系统结构与控制策略设计

丁传记

新型混联式混合动力客车动力系统结构与控制策略设计

丁传记

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

简要介绍一种新型混联式混合动力客车动力系统的结构；重点介绍系统结构、控制策略方面的设计；详细分析系统在多种控制策略下的运行模式及主要技术特点。

动力系统；混联；控制策略；工作模式

1　问题的提出

目前，我国受雾霾天气影响的区域现已由北部地区向中部地区扩展，污染日益严重［1］。城市有毒颗粒物来源首先是汽车尾气，使用柴油的客车是排放细颗粒物的“重犯”。因此，现阶段开发可降低油耗、减少污染物排放的客车的混合动力系统显得尤为迫切［2-3］。

目前，普通的混合动力在国内研究应用较多，但总体来讲，国内外设计的混合动力大客车主要存在以下两个问题：

1）城市内部工况下，针对大客车需要频繁起停的问题，设计无需充电的并联混合动力或串联混合动力系统，可降低油耗，减小污染排放［4］。但是，这两种结构在市内运行时，发动机仍然需要参与驱动，增加了市内排放污染。

2）目前国内的混合动力系统均为单电机驱动。城市内部和市际工况下，高效率区转速亦过低，特别在市际间运行，效率低，这导致电驱动时整车爬坡能力以及最高车速受限，难以运行于山区城市或市际高速路段工况。

目前，还没有针对山区城市和风景区的插电式深度混合动力客车问世；而山区城市，尤其是风景区同样需要零污染排放的高速高效大客车。因此，针对混合动力客车应用环境和动力系统的新需求，设计一种能够适用于城市、高速、旅游山区等多种路况的插电式高速高效混联式混合动力系统更具有市场前景。该系统采用发动机与大功率双电机驱动双离合器结构，同时具有插电式的充电能力。保证零排放的同时，可提高系统驱动能力；在平稳高速路况下，还可以对电池系统进行充电，以保障到达目的城市时，车辆仍可以在纯电模式下运行。

2　动力系统结构及控制策略设计

本文以13.7 m公路客车为原型，研发混联式插电式混合动力客车，整车主要参数如下：长/宽/高为13 700/2 550/3 850 mm；轴距为6 600/1 500 mm；前/后悬为2 620/2 980 mm；接近角/离去角为8°/8°；一级踏步高度为350 mm；最小转弯直径为23 m；厂定最大总质量为23.4 t；整备质量为18.8 t；0～50 km/h加速时间≤26 s；最大爬坡度≥18%；额定乘员数为56+1；后桥主减速比为3.23。

2.1动力系统结构设计

1）结构方案。设计的双电机、双离合器结构充分考虑新能源客车节能的技术指标。动力传递路线为发动机—离合器1—电机总成1—离合器2—电机总成2—传动轴—主减速器—差速器—车轮，发动机与电机1之间通过离合器1连接，电机1与电机2通过离合器2连接，两个电机控制器的高压供电线连接到电池箱上。整车可以工作于发动机模式、并联混合动力模式、串联混合动力模式以及纯电动模式［5-6］。既可以在市内无污染零排放运行，又可以工作于城际高速路工况；既可以适应平原路况，又可以适应山区路况。系统结构方案如图1所示。

2）电机参数设计。匹配双电机，电机参数根据CRUISE软件仿真计算得出，考虑到永磁电机效率较高，此设计采用永磁同步电机［7］，电机主要参数见表1。

表1　电机1和电机2的主要参数

正常运行时，本系统由控制系统将电机的峰值功率限制在额定功率；而在路面坡度较大时，则可用电机的峰值功率用于爬坡（限1 min内）。

3）电池及发动机匹配。本车采用160Ah/622V高功率三元材料电池，此种电池兼顾了能量与密度两个方面［8］，既可保证爬坡、高速行驶的功率需求，也可保证80 km以上的纯电续驶里程能量需求。发动机采用276 kW，最大扭矩可达1 733 N·m；略小于传统汽车的发动机功率。

2.2控制策略设计

2.2.1整车控制策略

根据动力系统结构，通过双离合器的结合与分离，可以使系统工作在并联形式下或串联形式下，按照效率最优原则使系统工作于如下六种模式［9］，如图2所示。

1）电机2单独工作、电池供电的纯电动模式。当车辆运行于市内平坦路面，且电池箱电未用完时，整车由电机2单独驱动，工作于纯电动模式，车辆没有污染排放问题。电池箱中的电能可以是预先通过外接电源方式充入的电能，也可以是车辆在其它工况下由发动机驱动电机1产生的电能。

2）电机1与电机2并联驱动、电池供电的纯电动模式。当车辆需要运行于市内坡度路面时，电机2往往难以提供较好的爬坡能力，电机1和电机2并联驱动，可以使整车具有较好的爬坡能力。此时，整车仍工作于纯电动模式。

3）发动机驱动电机1发电，电机2驱动整车的串联驱动模式，当车辆仍旧运行于市内路面，但是电池箱已储能不足时，发动机参与工作，驱动电机1发电，给电机2供电保证车辆行驶，同时给电池进行适度充电。电机1在发动机起动过程中作为起动机使用［10］。

4）发动机与电机1并联驱动模式。当车辆出了市区，需要匀速行驶于城际高速公路时，发动机单独驱动整车运行，电机1在发动机起动过程中作为起动机用；在制动时，作为能量回馈发电机用；在匀速行驶时，缓慢发电给电池充电。

5）发动机与电机2并联驱动模式。当车辆行驶于城际高速公路，且需要爬坡时，发动机和电机2一起驱动整车，以提高整车的驱动能力。

6）发动机、电机1、电机2并联驱动模式。当车辆行驶于景区山间公路时，由于坡度较大，往往要求车辆具有非常大的牵引能力，此时可以让发动机、电机1、电机2都参与驱动，以达到短时的最大牵引能力。

2.2.2扭矩动态协调控制技术

整车控制系统根据燃油经济性最优与排放最低原则对参与驱动的三台原动机进行优化，因此，在各种工作模式下，需要根据储能系统的边界条件和原动机的最优工作区，对三台原动机的扭矩进行动态协调分配。

控制系统需根据当前驾驶员加速踏板需求，根据两个驱动电机与发动机的最佳效率曲线，合理分配两个电机与发动机的扭矩输出，以优化整个驱动系统的效率，在满足牵引力要求的同时，达到节能效果。

3　样车试验运行及技术特点

采用新结构的混联式混合动力系统开发混合动力客车，经过试验能够满足如表2中的各项技术指标。

表2　整车技术指标

该车主要技术创新点如下：适用于高效高速混合动力客车的、多模式自适应切换整车控制策略；采用多目标优化方法，兼顾多个原动机效率的扭矩优化分配策略；串联模式下，发动机起停频率高效优化策略；适用于该高效高速混合动力客车的容错控制技术。

与同类混合动力客车比较，本文所研发的高效高速插电式混合动力客车具有以下特点：起步转矩高；爬坡度大于20%；动力性、加速性好；双电机工况互补，提高工作效率；备有跛行模式；六种不同的工作模式能够满足各个工况下的运行。具体表现在：

1）混联系统结构。目前在国内较多采用混联的结构模式、采用皮带传动的BSG电机，在可靠性方面存在不足，经济性能好的同时，牺牲了部分动力性，爬坡及动力性能存在不足之处。

2）并联系统结构。采用并联的结构模式，整体效率高［9］，配备变速器，在动力性方面满足性能要求，但是采用的ISG电机不能有效参与工作，只能在制动时回收部分能量。在燃油经济性方面存在不足。

4　结束语

经过严格的试验认证后，13.7 m插电式混合动力客车达到了公路运营客车标准要求，节油率高。在后续的产品开发中，可以将该混合动力系统技术移植至12 m城市客车型中并批量生产。在国家四部委新能源补贴政策的引领下，本动力系统结构将具有更为广泛的前景。

［1］崔胜民，王剑峰，王大方.新能源汽车技术［M］.北京：北京大学出版社，2009：6-7.

［2］梁琼璞.浅谈我国混合动力客车的现状及发展趋势［J］.人民公交，2013，（2）：96-98.

［3］杨宏亮，陈金世.混联式混合动力汽车控制策略研究综述［J］.公路交通科技，2002，19（2）

［4］张亮，何耀华.串联混合动力汽车的控制策略分析［J］.上海汽车，2008，（5）：9-11.

［5］熊志伟.基于双离合器式的混联式混合动力客车［J］.汽车科技，2006，（3）:14-16.

［6］王家明，郭晋晟，冒晓建，等.新型混联式混合动力客车动力系统分析［J］.汽车技术，2008，（9）

［7］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，1997：5-6.

［8］朱广焱.三元材料在锂离子动力电池上的应用［J］.电源技术，2009，（7）：10-12.

［9］林歆悠，孙冬野，秦大同，等.混联式混合动力客车全局优化控制策略研究［J］.中国机械工程，2011，（18）

［10］雷良育，张培培，赵大旭，等.混联式混合动力城市客车动力系统的匹配及控制策略研究［J］.中国机械工程，2011，（8）

修改稿日期：2014-11-16

Design on Power System Structure and Control Strategy for New Hybrid Electric Bus

DingChuanji
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

A new power system structure of the hybrid electric bus is briefly introduced.The design of the system structure and the control strategyis mainlyintroduced.The operation modes for the systemunder the different control strategies and main technique features are analyzed in detail.

power system；PSHEV；control strategy；operation mode

U469.7；TP273+.4

B

1006-3331（2015）01-0029-03

丁传记（1979-），男，高级工程师；主要从事新能源客车动力系统设计工作。