城际混合动力客车动力系统参数匹配及耗能特性影响因素分析∗

陈雪荣，吴新兵，何仁，胡东海

（1.苏州海格新能源汽车电控系统科技有限公司，江苏苏州 215000；2.江苏大学，江苏镇江 212000）



城际混合动力客车动力系统参数匹配及耗能特性影响因素分析∗

陈雪荣1，吴新兵1，何仁2，胡东海2

（1.苏州海格新能源汽车电控系统科技有限公司，江苏苏州 215000；2.江苏大学，江苏镇江 212000）

摘要：针对城际混合动力客车因其特殊运行工况造成的动力系统参数匹配方法缺乏深入研究的问题，首先根据满足高速循环工况运行的动力性指标，提出城际混合动力客车动力系统参数匹配方法，然后分析了混合动力系统主要参数对系统能耗的影响。结果表明，由于城际混合动力客车经常运行在高速循环工况，在进行混合动力系统匹配设计时，变速器的超速挡速比必须与后桥主减速比匹配，以保证发动机工作在最佳效率区域，降低整车燃油消耗；较大的变速器低速挡速比有利于提高电机运行效率，并降低系统电耗和成本；对于不同配置的城际混合动力客车，变速器的挡位需合理匹配，变速器挡位数量的增加对于系统能耗的提升存在瓶颈。

关键词：汽车；城际混合动力客车；混合动力系统；参数匹配；能耗特性

混合动力汽车具备了未来汽车发展所需求的4个基本要素，即动力性、燃油经济性、清洁环保性、经济实用性。为了实现上述技术目标，混合动力汽车需要采用燃油经济性佳、排放性能优的发动机，选择效率高、扭矩密度最大的驱动电机，采用充放电能力强、功率密度大的动力电池，提高整车控制、整车能量管理和整车热管理技术。

动力系统参数匹配是混合动力汽车整车设计和开发的一个重要环节，需根据整车的设计指标对混合动力系统的主要部件进行选型匹配和参数优化，混合动力系统参数匹配方法的优劣会直接影响整车动力性和燃油经济性。目前国内外对于混合动力汽车动力系统参数匹配方法的研究已日趋完善，主要分为3种：1）以整车动力性为主要目标进行混合动力系统匹配设计，借鉴传统燃油汽车的匹配设计方法，根据整车的最高速度、加速时间及爬坡度等动力性能指标要求确定混合动力系统关键部件的主要参数。2）以燃油经济性为目标进行动力系统参数优化，针对混联式混合动力汽车，Zhang X.等分析了离合器个数与系统工作模式之间的关系，以燃油经济性为优化目标，采用动态规划的方法对离合器个数进行优化。3）以整车多种性能为目标进行混合动力系统参数优化，采用遗传算法、模拟退火及粒子群优化等多种优化算法，以燃油经济性为目标，以整车动力性为约束条件，对驱动电机、动力电池、AMT变速器等动力系统主要部件参数进行优化。

当前，混合动力汽车推广应用的难点在于其绝对成本过高。相比于传统燃油汽车，混合动力汽车需安装动力电池、高压控制系统、整车控制系统等新能源部件。研究混合动力系统匹配设计方法是解决该难题的重要一环。该文以城际混合动力客车为研究对象，针对城际混合动力客车因特殊运行工况造成其动力系统匹配方法缺乏深入研究的问题，根据满足高速循环工况运行需求的动力性指标给出城际混合动力客车动力系统匹配设计方法，并分析动力系统参数对系统能耗的影响，为城际混合动力客车整车控制策略的研究及混合动力系统参数优化研究提供理论基础。

1　城际混合动力客车简介

在大型车辆上推广应用混合动力系统以拓宽混合动力系统的应用范围是混合动力技术发展的一大趋势，有助于促进混合动力系统应用范围的拓展。城际客车主要用于满足城市之间载客需求，城际客车混合动力化对于节能减排、提高乘客舒适性具有重要意义。

城际混合动力客车主要运行在高速循环工况。如表1所示，相比于城市循环工况，高速循环工况中怠速时间比和制动频繁程度均有大幅度减小，混合动力系统的节能优势被弱化。因此，城际混合动力客车的开发不能直接套用城市混合动力公交客车的经验。

表1　城市循环工况与高速循环工况主要参数对比

从降低成本的角度出发，城际混合动力客车宜采用并联混动的底盘结构形式。该文以单轴并联式带AMT混合动力系统为研究对象，其主要动力系统部件为发动机、驱动电机、变速器和动力电池（如图1所示）。

图1　城际混合动力客车动力系统的结构

2　城际混合动力客车参数匹配

根据城际混合动力客车的使用环境，对整车动力性能作如下要求：最高车速为120 km/h；0～50 km/h加速时间小于30 s；50～80 km/h加速时间小于40 s；能以10 km/h的速度爬上20%的坡，连续爬坡时间大于3 min。

2.1发动机匹配设计

2.1.1峰值功率

根据整车动力性能需求，城际混合动力客车的最高行驶速度需达到120 km/h，发动机的峰值功率应满足最高车速的要求。假设车辆匀速行驶，没有坡度阻力和加速阻力，发动机峰值功率的表达式为：

式中：Ft为车辆的驱动力（N）；umax为车辆的最高行驶速度（m/s）；G为车辆的总重量（N）；fR为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积（m2）；ρ为空气密度。

考虑到附件需要消耗功率20 k W，发动机的最大功率选为187.9 k W。

2.1.2额定功率

如表1所示，当城际混合动力客车运行在高速循环工况时，其稳定行驶最高速度一般为80 km/h，该时间段内主要为发动机进行驱动，由驱动电机进行“削峰填谷”，发动机的额定功率要满足稳定行驶最高速度需求。发动机额定功率表达式为：

式中：ua为车速（m/s）。

考虑到附件消耗功率20 k W，发动机的额定功率选为96.5 k W。

2.1.3最高转速

城际混合动力客车的最高速度决定发动机的最高转速。根据最高车速为120 km/h，假设此时变速器处于直接挡，则发动机最高转速的表达式为：

式中：i0为主减速比；r为车轮滚动半径（m）。

按式（3）计算，得到发动机的最高转速为2 966 r/min。

2.1.4峰值扭矩

对于传统内燃机车辆，需根据爬坡和加速能力计算得到发动机的峰值扭矩。但在城际混合动力客车中，驱动电机将提供主要的爬坡和加速驱动力，发动机和驱动电机可满足加速能力的需求。因此，无需计算发动机的峰值扭矩。

2.2驱动电机匹配设计

2.2.1峰值功率

驱动电机的峰值功率根据最大爬坡性能确定。设计要求车辆能以10 km/h的速度爬上20%的坡，由于车速较低，计算过程中忽略空气阻力、加速阻力。驱动电机峰值功率的表达式如下：

式中：α为坡度。

2.2.2峰值扭矩

驱动电机的峰值扭矩也由车辆的爬坡性能决定。由于车速较低，计算中忽略空气阻力；由于匀速行驶，没有加速阻力。由此得驱动电机峰值扭矩的表达式如下：

2.2.3最高转速

车辆的最高速度决定驱动电机的最高转速。车辆最高速度为120 km/h，当变速器处于直接挡时，驱动电机最高转速的表达式如下：

计算得到电机的最高转速为2 966 r/min。

2.3变速器匹配设计

变速器速比选择与汽车的动力性、燃油经济性有密切的关系。就动力性而言，变速器挡位数多，增加了发动机在其最大功率附近工作的机会，提高了汽车的加速与爬坡能力；就燃油经济性而言，挡位数越多，发动机在低燃油消耗率区工作的可能性更大，能降低油耗。同时对变速箱的挡位数和速比进行匹配设计时，必须兼顾车辆的最高速度及最大爬坡度的要求。变速器挡位速比确定步骤如下：

（1）根据最大爬坡度确定低速挡速比：

（2）根据稳定行驶最高速度确定高速挡速比：

式中：nm为驱动电机轴的转速（r/min）。

（3）进行二、三挡等其他挡位速比设计，设计原则是保证发动机工作在其最佳经济区域；同时为了保证换挡顺利，要求各挡位之间的传动比值不超过1.8。

2.4动力电池匹配设计

2016年新能源汽车国家补贴标准规定插电式混合动力客车纯电续驶里程必须大于50 km。等速工况下动力电池释放电量的计算公式为：

式中：SOC为动力电池的荷电状态；QN为动力电池的额定容量（Ah）；U为动力电池的开路电压（V）。

在车辆以40 km/h匀速行驶的情况下，驱动电机需输出的力矩为：

式中：ηT为传动系统的机械效率。

根据车辆行驶速度和驱动电机需求力矩，通过查表得到电机的效率ηm，同时计算得到车辆的驱动功率，则目标续驶里程下需要的动力电池容量为：

式中：Sobj为目标续驶里程（km）。

从成本角度考虑，在满足城际混合动力客车最低纯电续驶里程的前提下，计算得到动力电池的能量为22.3 k W·h。

3　混合动力系统参数对能耗特性的影响

表2　城际混合动力客车动力传动方案

由于变速器低速挡的速比与驱动电机的峰值扭矩直接相关，低速挡的速比越小，满足相同爬坡能力的情况下，驱动电机需要的峰值扭矩越大。同时为了考察变速器挡位数和速比对城际混合动力客车能耗特性的影响，设计表2所示3种变速器+驱动电机的城际混合动力客车动力系统方案，考察3种方案的能耗特性。

如图2所示，典型的高速循环工况没有包括城际客车从车站出发行驶到高速公路入口这一时间段，而是直接从高速公路入口开始计时，并且持续时间仅765 s（12 min）；而一般城际客车在高速公路上的持续行驶时间超过2 h，这表明使用该高速循环工况进行仿真，不同方案的油耗和电耗细微差别均需要特别注意。

图2　高速循环工况下时间与速度曲线

3.1系统油耗影响因素分析

如表2所示，方案一的油耗略大于方案三的油耗，而方案二的油耗明显大于另外两种方案。造成3种方案油耗存在差异的原因是方案二中发动机的工作点严重偏离了发动机的最佳工作区域，而方案三的发动机相比于方案一的发动机能更好地保持在最佳经济区域（如图3～5所示）。方案二的发动机不能工作在最佳经济区域的原因是其变速器没有超速挡（3种方案变速器换挡曲线如图6～8所示）。这说明对于运行在高速循环工况的城际混合动力客车，变速器的超速挡必须与主减速比进行匹配以保证发动机工作在最佳效率区域。

图3　发动机工作点分布（方案一）

图4　发动机工作点分布（方案二）

图5　发动机工作点分布（方案三）

图6　变速器换挡曲线（方案一）

3.2系统电耗影响因素分析

如表2所示，方案三的动力电池的能量消耗远远低于方案一和方案二，图9～11也验证了这一点。如图12～14所示，系统电量消耗过大与驱动电机的负荷率较低有关，驱动电机的负荷率低意味着电机效率较低。方案一中驱动电机的负荷率最低，驱动电机的工作点偏离最佳效率区域，而方案三的驱动电机能很好地覆盖最佳效率区域。造成这种情况的主要原因是变速器低速挡的选择，方案一中变速器低速挡速比较小，需要峰值扭矩更大的驱动电机，使驱动电机负荷率降低。同时，图12～14也表明对于该文选择的目标车型而言，增加变速器的挡位对于增加整车燃油经济性没有实际意义，4挡变速箱的低速挡已经可以满足需求。

图7　变速器换挡曲线（方案二）

图8　变速器换挡曲线（方案三）

图9　动力电池SOC随时间变化曲线（方案一）

图10　动力电池SOC随时间变化曲线（方案二）

4　结论

（1）城际混合动力客车经常运行在高速循环工况，在进行混合动力系统匹配设计时，变速器的超速挡速比必须与后桥主减速比进行匹配，以保证发动机工作在最佳效率区域，有效降低整车燃油消耗。

图11　动力电池SOC随时间变化曲线（方案三）

图12　驱动电机工作点分布（方案一）

图13　驱动电机工作点分布（方案二）

图14　驱动电机工作点分布（方案三）

（2）变速器低速挡速比选择会直接影响驱动电机的使用效率，进而影响整车的电量消耗，选择较大的低速挡速比有利于降低驱动电机峰值扭矩需求，进而提高驱动电机运行效率、降低系统电耗和成本。

（3）对于不同配置的城际混合动力客车，变速器的挡位数量需合理匹配，变速器挡位数量不合理地增加对于增加整车燃油经济性没有实际意义，反而会增加成本和整车布置难度。

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所选用的目标车型的整车参数如下：总质量为17 000 kg；主减速比为4.875；滚动半径为0.525 m；迎风面积为7 m2；风阻系数为0.6；滚动阻力系数为0.01；旋转质量换算系数为1.1。

中图分类号：U469.7

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0001-06

基金项目：∗国家自然科学基金资助项目（51275212）

收稿日期：2015-12-08