基于超級(jí)電容的混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹安東， 馮 瑞， 趙 韓

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

目前，低排放、低能耗的混合動(dòng)力客車(H ybrid Electric Bus，簡(jiǎn)稱HEB)得到世界各大汽車廠商關(guān)注。目前HEB應(yīng)用的儲(chǔ)能裝置一般為電化學(xué)電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。電化學(xué)電池充放電特性及壽命不能很好滿足城區(qū)客車的要求;鎳氫電池、鋰離子電池等因價(jià)格昂貴，限制了使用。超級(jí)電容器具有比功率大、充放電量大而快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，近年在HEB上得到應(yīng)用。此外HEB的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配與行駛工況、控制策略密切相關(guān)[1-4]。

本文以某傳統(tǒng)燃油城市客車為原型車，以超級(jí)電容為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行HEB的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配研究。首先，從設(shè)計(jì)要求出發(fā)確定了發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、傳動(dòng)系及超級(jí)電容等關(guān)鍵部件參數(shù)，然后基于CRUISE軟件進(jìn)行了整車建模仿真分析，最后通過設(shè)計(jì)的PHEB樣車試驗(yàn)檢驗(yàn)了動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配的可行性與合理性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求

本文以某傳統(tǒng)燃油城市客車為原型車，進(jìn)行HEB的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配[5]，根據(jù)城市公交車的運(yùn)行狀況以及道路條件，確定設(shè)計(jì)車型的基本參數(shù)和技術(shù)要求見表1所列，并選擇中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況作為仿真和試驗(yàn)工況，如圖1所示。

表1 設(shè)計(jì)車型的基本參數(shù)

圖1 中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 HEB動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力客車(HEB)通常有串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式及復(fù)合式等4種型式，并聯(lián)式具有以下優(yōu)點(diǎn):效率高，驅(qū)動(dòng)特性更符合實(shí)際路況;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低;技術(shù)要求比較低;可以很好地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋等。設(shè)計(jì)基于超級(jí)電容的并聯(lián)式混合動(dòng)力客車(Parallel H ybrid Electric Bus，簡(jiǎn)稱PHEB)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PHEB動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PHEB控制策略設(shè)計(jì)

PHEB動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇與控制策略有直接的關(guān)系[6-8]，因此在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配前要先制定PHEB的控制策略。本文采用以發(fā)動(dòng)機(jī)為主，電機(jī)為輔的電機(jī)輔助控制策略?？刂七壿嬙O(shè)計(jì)如下:

(1)當(dāng)汽車起步時(shí)，速度低于所設(shè)定值，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車。

(2)當(dāng)車速達(dá)到所設(shè)定值，電機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車，富裕功率向超級(jí)電容充電。

(3)當(dāng)汽車在加速、爬坡及大負(fù)荷情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)整車。

(4)當(dāng)汽車在制動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，盡可能地回收能量。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇與匹配

2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)選型和參數(shù)選擇對(duì)混合動(dòng)力客車性能影響較大，選擇過小，增大了電機(jī)的工作機(jī)會(huì)，動(dòng)力性差，且超級(jí)電容放電過度，影響超級(jí)電容性能及整車?yán)m(xù)駛里程;選擇過大，經(jīng)濟(jì)性、排放性差，且不能合理利用電機(jī)。根據(jù)上述控制策略，以滿足汽車最高車速行駛要求確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率[9]:

其中，Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率;m為總質(zhì)量; v max為最高車速;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);C D為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;ηT為傳動(dòng)系效率。

根據(jù)表1和(1)式，最后選擇功率為162 kW的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其外特性如圖3所示。

圖3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外特性圖

2.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電機(jī)應(yīng)在起步、加速、爬坡時(shí)提供輔助動(dòng)力，在制動(dòng)或下坡時(shí)進(jìn)行能量回饋，且使發(fā)動(dòng)機(jī)有更多的機(jī)會(huì)在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性圖最后確定選用的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 700 r/min，最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，額定功率為45 kW的交流永磁同步電機(jī)。

2.3.3 傳動(dòng)系速比選擇

(1)主減速器i0的選擇。i0的選擇應(yīng)滿足最高車速要求，且能使發(fā)動(dòng)機(jī)在最高車速時(shí)仍能發(fā)揮出最大功率[10]，即

其中，N emax為發(fā)動(dòng)機(jī)最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;R r為車輪滾動(dòng)半徑;N ep為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。最后經(jīng)計(jì)算選擇i0=5.125。

(2)最小傳動(dòng)比的選擇。傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，最高車速的功率平衡點(diǎn)進(jìn)行選擇，即

經(jīng)計(jì)算得imin=3.21。

(3)最大傳動(dòng)比的確定。最大傳動(dòng)比需要滿足最大爬坡度及附著條件的要求，即

其中，M 2為驅(qū)動(dòng)軸荷質(zhì)量;φ為附著系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算28.11≤imax≤70，即發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)最大傳動(dòng)比應(yīng)設(shè)計(jì)在28.11～70之間。此外最大傳動(dòng)比要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)時(shí)的附著條件，并考慮到在滿足動(dòng)力性的條件相鄰擋位之間應(yīng)盡可能有小的傳動(dòng)比，最后選擇i max=32.95。

(4)變速器擋位數(shù)和傳動(dòng)比的選擇。擋位的合理選擇對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能都有很大的影響。結(jié)合上面計(jì)算結(jié)果以及參考同類型車的變速器，應(yīng)用等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比，初步確定變速器的擋位和速比見表2所列。

表2 變速器擋位數(shù)和速比

(5)超級(jí)電容參數(shù)選擇。超級(jí)電容的選擇不僅要考慮滿足提供電功率的需要，還要考慮滿足動(dòng)力性要求，一般只對(duì)超級(jí)電容的功率和容量進(jìn)行選擇。

功率的確定:超級(jí)電容功率主要滿足電機(jī)輸入功率需求，即

其中，P m、ηm分別為電機(jī)額定功率和效率。經(jīng)計(jì)算可得P s≥50 kW。

容量的確定:在加速過程中，若電機(jī)以額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)，則

其中，P s、T分別為超級(jí)電容功率和加速時(shí)間。經(jīng)計(jì)算得E=0.416 kW?h。根據(jù)電機(jī)要求，選用E=0.34 kW?h的超級(jí)電容。

3 PHEB樣車性能仿真分析

3.1 PHEB仿真模型建立

根據(jù)所設(shè)計(jì)的PHEB動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在CRUISE下建立整車模型，該模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、離合器模塊、變速器模塊、電機(jī)模塊、超級(jí)電容模塊和控制模塊等。各模塊有機(jī)械接口、電氣接口或者數(shù)據(jù)接口[11，12]。

3.2 樣車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真測(cè)試

基于PHEB整車模型和表1的數(shù)據(jù)，進(jìn)行最高車速、各擋爬坡度、0～50 km/h加速性能仿真測(cè)試，并在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下進(jìn)行油耗與超級(jí)電容SOC值的仿真分析，部分結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 PHEB樣車各擋爬坡度曲線

圖5 超級(jí)電容SOC變化曲線

仿真結(jié)果表明:最高車速為88.9 km/h(≥80 km/h)，最大爬坡度為39.9%(≥20%)，0～50 km/h加速時(shí)間為23.6 s(≤30 s)，百公里油耗為27.8 L(≤32 L)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并且在整個(gè)循環(huán)中超級(jí)電容SOC值在限定范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 PHEB樣車道路測(cè)試分析

4.1 PHEB樣車道路測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)[13-16]，應(yīng)用汽車綜合試驗(yàn)儀、功率分析儀及信號(hào)處理系統(tǒng)等測(cè)試儀器進(jìn)行PHEB樣車最高車速、最大爬坡度、百公里油耗及0～50 km/h加速時(shí)間等道路性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3所列。

表3 PHEB樣車道路測(cè)試結(jié)果

可見，所設(shè)計(jì)的PHEB樣車最高車速、最大爬坡度、0～50 km/h加速時(shí)間及百公里油耗等道路性能測(cè)試值均滿足設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了PHEB動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配的可行性。

4.2 PHEB樣車道路測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 道路測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)同類型傳統(tǒng)燃油城市客車(原型車)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，并與設(shè)計(jì)的PHEB樣車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，見表4所列。

表4 對(duì)比測(cè)試結(jié)果表

由表4可知，與原車型相比，PHEB樣車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都得到改善，百公里油耗降低了29.3%。

4.2.2 模型驗(yàn)證

將本文所建PHEB模型的仿真值與PHEB樣車的道路測(cè)試值對(duì)比，結(jié)果見表5所列。

表5 PHEB樣車測(cè)試值與仿真值對(duì)比表

可見，仿真值與測(cè)試值的誤差均小于5%，從而驗(yàn)證了基于CRUISE的PHEB整車仿真模型的準(zhǔn)確性和適用性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)-超級(jí)電容的PHEB動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過汽車?yán)碚摷肮こ谭治鲞M(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、傳動(dòng)系及超級(jí)電容等關(guān)鍵部件參數(shù)匹配?；贑RU ISE建立了PHEB的整車仿真模型，并進(jìn)行了PHEV樣車仿真測(cè)試和道路測(cè)試分析，驗(yàn)證了PHEB動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配的可行性和基于CRUISE所建立的PHEB模型的適用性。

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