城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及耗能特性影響因素分析?

陳雪榮，吳新兵，何仁，胡東海

（1.蘇州海格新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)科技有限公司，江蘇蘇州 215000；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

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城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及耗能特性影響因素分析?

陳雪榮1，吳新兵1，何仁2，胡東海2

（1.蘇州海格新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)科技有限公司，江蘇蘇州 215000；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

摘要：針對(duì)城際混合動(dòng)力客車(chē)因其特殊運(yùn)行工況造成的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法缺乏深入研究的問(wèn)題，首先根據(jù)滿足高速循環(huán)工況運(yùn)行的動(dòng)力性指標(biāo)，提出城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，然后分析了混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能耗的影響。結(jié)果表明，由于城際混合動(dòng)力客車(chē)經(jīng)常運(yùn)行在高速循環(huán)工況，在進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，變速器的超速擋速比必須與后橋主減速比匹配，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳效率區(qū)域，降低整車(chē)燃油消耗；較大的變速器低速擋速比有利于提高電機(jī)運(yùn)行效率，并降低系統(tǒng)電耗和成本；對(duì)于不同配置的城際混合動(dòng)力客車(chē)，變速器的擋位需合理匹配，變速器擋位數(shù)量的增加對(duì)于系統(tǒng)能耗的提升存在瓶頸。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；城際混合動(dòng)力客車(chē)；混合動(dòng)力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；能耗特性

混合動(dòng)力汽車(chē)具備了未來(lái)汽車(chē)發(fā)展所需求的4個(gè)基本要素，即動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、清潔環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，混合動(dòng)力汽車(chē)需要采用燃油經(jīng)濟(jì)性佳、排放性能優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇效率高、扭矩密度最大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用充放電能力強(qiáng)、功率密度大的動(dòng)力電池，提高整車(chē)控制、整車(chē)能量管理和整車(chē)熱管理技術(shù)。

動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，需根據(jù)整車(chē)的設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行選型匹配和參數(shù)優(yōu)化，混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的優(yōu)劣會(huì)直接影響整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的研究已日趨完善，主要分為3種：1）以整車(chē)動(dòng)力性為主要目標(biāo)進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，借鑒傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的匹配設(shè)計(jì)方法，根據(jù)整車(chē)的最高速度、加速時(shí)間及爬坡度等動(dòng)力性能指標(biāo)要求確定混合動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的主要參數(shù)。2）以燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，針對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，Zhang X.等分析了離合器個(gè)數(shù)與系統(tǒng)工作模式之間的關(guān)系，以燃油經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法對(duì)離合器個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。3）以整車(chē)多種性能為目標(biāo)進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，采用遺傳算法、模擬退火及粒子群優(yōu)化等多種優(yōu)化算法，以燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，以整車(chē)動(dòng)力性為約束條件，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、AMT變速器等動(dòng)力系統(tǒng)主要部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)前，混合動(dòng)力汽車(chē)推廣應(yīng)用的難點(diǎn)在于其絕對(duì)成本過(guò)高。相比于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)需安裝動(dòng)力電池、高壓控制系統(tǒng)、整車(chē)控制系統(tǒng)等新能源部件。研究混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方法是解決該難題的重要一環(huán)。該文以城際混合動(dòng)力客車(chē)為研究對(duì)象，針對(duì)城際混合動(dòng)力客車(chē)因特殊運(yùn)行工況造成其動(dòng)力系統(tǒng)匹配方法缺乏深入研究的問(wèn)題，根據(jù)滿足高速循環(huán)工況運(yùn)行需求的動(dòng)力性指標(biāo)給出城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方法，并分析動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，為城際混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)控制策略的研究及混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)。

1　城際混合動(dòng)力客車(chē)簡(jiǎn)介

在大型車(chē)輛上推廣應(yīng)用混合動(dòng)力系統(tǒng)以拓寬混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用范圍是混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，有助于促進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用范圍的拓展。城際客車(chē)主要用于滿足城市之間載客需求，城際客車(chē)混合動(dòng)力化對(duì)于節(jié)能減排、提高乘客舒適性具有重要意義。

城際混合動(dòng)力客車(chē)主要運(yùn)行在高速循環(huán)工況。如表1所示，相比于城市循環(huán)工況，高速循環(huán)工況中怠速時(shí)間比和制動(dòng)頻繁程度均有大幅度減小，混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)被弱化。因此，城際混合動(dòng)力客車(chē)的開(kāi)發(fā)不能直接套用城市混合動(dòng)力公交客車(chē)的經(jīng)驗(yàn)。

表1　城市循環(huán)工況與高速循環(huán)工況主要參數(shù)對(duì)比

從降低成本的角度出發(fā)，城際混合動(dòng)力客車(chē)宜采用并聯(lián)混動(dòng)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)形式。該文以單軸并聯(lián)式帶AMT混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，其主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)部件為發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器和動(dòng)力電池（如圖1所示）。

圖1　城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2　城際混合動(dòng)力客車(chē)參數(shù)匹配

根據(jù)城際混合動(dòng)力客車(chē)的使用環(huán)境，對(duì)整車(chē)動(dòng)力性能作如下要求：最高車(chē)速為120 km/h；0～50 km/h加速時(shí)間小于30 s；50～80 km/h加速時(shí)間小于40 s；能以10 km/h的速度爬上20%的坡，連續(xù)爬坡時(shí)間大于3 min。

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)

2.1.1峰值功率

根據(jù)整車(chē)動(dòng)力性能需求，城際混合動(dòng)力客車(chē)的最高行駛速度需達(dá)到120 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率應(yīng)滿足最高車(chē)速的要求。假設(shè)車(chē)輛勻速行駛，沒(méi)有坡度阻力和加速阻力，發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率的表達(dá)式為：

式中：Ft為車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力（N）；umax為車(chē)輛的最高行駛速度（m/s）；G為車(chē)輛的總重量（N）；fR為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積（m2）；ρ為空氣密度。

考慮到附件需要消耗功率20 k W，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率選為187.9 k W。

2.1.2額定功率

如表1所示，當(dāng)城際混合動(dòng)力客車(chē)運(yùn)行在高速循環(huán)工況時(shí)，其穩(wěn)定行駛最高速度一般為80 km/h，該時(shí)間段內(nèi)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行“削峰填谷”，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率要滿足穩(wěn)定行駛最高速度需求。發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率表達(dá)式為：

式中：ua為車(chē)速（m/s）。

考慮到附件消耗功率20 k W，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率選為96.5 k W。

2.1.3最高轉(zhuǎn)速

城際混合動(dòng)力客車(chē)的最高速度決定發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。根據(jù)最高車(chē)速為120 km/h，假設(shè)此時(shí)變速器處于直接擋，則發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：

式中：i0為主減速比；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑（m）。

按式（3）計(jì)算，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2 966 r/min。

2.1.4峰值扭矩

對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛，需根據(jù)爬坡和加速能力計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩。但在城際混合動(dòng)力客車(chē)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將提供主要的爬坡和加速驅(qū)動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)可滿足加速能力的需求。因此，無(wú)需計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩。

2.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)

2.2.1峰值功率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率根據(jù)最大爬坡性能確定。設(shè)計(jì)要求車(chē)輛能以10 km/h的速度爬上20%的坡，由于車(chē)速較低，計(jì)算過(guò)程中忽略空氣阻力、加速阻力。驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率的表達(dá)式如下：

式中：α為坡度。

2.2.2峰值扭矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩也由車(chē)輛的爬坡性能決定。由于車(chē)速較低，計(jì)算中忽略空氣阻力；由于勻速行駛，沒(méi)有加速阻力。由此得驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩的表達(dá)式如下：

2.2.3最高轉(zhuǎn)速

車(chē)輛的最高速度決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。車(chē)輛最高速度為120 km/h，當(dāng)變速器處于直接擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的表達(dá)式如下：

計(jì)算得到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2 966 r/min。

2.3變速器匹配設(shè)計(jì)

變速器速比選擇與汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有密切的關(guān)系。就動(dòng)力性而言，變速器擋位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在其最大功率附近工作的機(jī)會(huì)，提高了汽車(chē)的加速與爬坡能力；就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，擋位數(shù)越多，發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗率區(qū)工作的可能性更大，能降低油耗。同時(shí)對(duì)變速箱的擋位數(shù)和速比進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)時(shí)，必須兼顧車(chē)輛的最高速度及最大爬坡度的要求。變速器擋位速比確定步驟如下：

（1）根據(jù)最大爬坡度確定低速擋速比：

（2）根據(jù)穩(wěn)定行駛最高速度確定高速擋速比：

式中：nm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

（3）進(jìn)行二、三擋等其他擋位速比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域；同時(shí)為了保證換擋順利，要求各擋位之間的傳動(dòng)比值不超過(guò)1.8。

2.4動(dòng)力電池匹配設(shè)計(jì)

2016年新能源汽車(chē)國(guó)家補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定插電式混合動(dòng)力客車(chē)純電續(xù)駛里程必須大于50 km。等速工況下動(dòng)力電池釋放電量的計(jì)算公式為：

式中：SOC為動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)；QN為動(dòng)力電池的額定容量（Ah）；U為動(dòng)力電池的開(kāi)路電壓（V）。

在車(chē)輛以40 km/h勻速行駛的情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需輸出的力矩為：

式中：ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。

根據(jù)車(chē)輛行駛速度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求力矩，通過(guò)查表得到電機(jī)的效率ηm，同時(shí)計(jì)算得到車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)功率，則目標(biāo)續(xù)駛里程下需要的動(dòng)力電池容量為：

式中：Sobj為目標(biāo)續(xù)駛里程（km）。

從成本角度考慮，在滿足城際混合動(dòng)力客車(chē)最低純電續(xù)駛里程的前提下，計(jì)算得到動(dòng)力電池的能量為22.3 k W·h。

3　混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)對(duì)能耗特性的影響

表2　城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)方案

由于變速器低速擋的速比與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩直接相關(guān)，低速擋的速比越小，滿足相同爬坡能力的情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要的峰值扭矩越大。同時(shí)為了考察變速器擋位數(shù)和速比對(duì)城際混合動(dòng)力客車(chē)能耗特性的影響，設(shè)計(jì)表2所示3種變速器+驅(qū)動(dòng)電機(jī)的城際混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)方案，考察3種方案的能耗特性。

如圖2所示，典型的高速循環(huán)工況沒(méi)有包括城際客車(chē)從車(chē)站出發(fā)行駛到高速公路入口這一時(shí)間段，而是直接從高速公路入口開(kāi)始計(jì)時(shí)，并且持續(xù)時(shí)間僅765 s（12 min）；而一般城際客車(chē)在高速公路上的持續(xù)行駛時(shí)間超過(guò)2 h，這表明使用該高速循環(huán)工況進(jìn)行仿真，不同方案的油耗和電耗細(xì)微差別均需要特別注意。

圖2　高速循環(huán)工況下時(shí)間與速度曲線

3.1系統(tǒng)油耗影響因素分析

如表2所示，方案一的油耗略大于方案三的油耗，而方案二的油耗明顯大于另外兩種方案。造成3種方案油耗存在差異的原因是方案二中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)嚴(yán)重偏離了發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作區(qū)域，而方案三的發(fā)動(dòng)機(jī)相比于方案一的發(fā)動(dòng)機(jī)能更好地保持在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域（如圖3～5所示）。方案二的發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域的原因是其變速器沒(méi)有超速擋（3種方案變速器換擋曲線如圖6～8所示）。這說(shuō)明對(duì)于運(yùn)行在高速循環(huán)工況的城際混合動(dòng)力客車(chē)，變速器的超速擋必須與主減速比進(jìn)行匹配以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳效率區(qū)域。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布（方案一）

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布（方案二）

圖5　發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布（方案三）

圖6　變速器換擋曲線（方案一）

3.2系統(tǒng)電耗影響因素分析

如表2所示，方案三的動(dòng)力電池的能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于方案一和方案二，圖9～11也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。如圖12～14所示，系統(tǒng)電量消耗過(guò)大與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷率較低有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷率低意味著電機(jī)效率較低。方案一中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷率最低，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作點(diǎn)偏離最佳效率區(qū)域，而方案三的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能很好地覆蓋最佳效率區(qū)域。造成這種情況的主要原因是變速器低速擋的選擇，方案一中變速器低速擋速比較小，需要峰值扭矩更大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)荷率降低。同時(shí)，圖12～14也表明對(duì)于該文選擇的目標(biāo)車(chē)型而言，增加變速器的擋位對(duì)于增加整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性沒(méi)有實(shí)際意義，4擋變速箱的低速擋已經(jīng)可以滿足需求。

圖7　變速器換擋曲線（方案二）

圖8　變速器換擋曲線（方案三）

圖9　動(dòng)力電池SOC隨時(shí)間變化曲線（方案一）

圖10　動(dòng)力電池SOC隨時(shí)間變化曲線（方案二）

4　結(jié)論

（1）城際混合動(dòng)力客車(chē)經(jīng)常運(yùn)行在高速循環(huán)工況，在進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，變速器的超速擋速比必須與后橋主減速比進(jìn)行匹配，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳效率區(qū)域，有效降低整車(chē)燃油消耗。

圖11　動(dòng)力電池SOC隨時(shí)間變化曲線（方案三）

圖12　驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)分布（方案一）

圖13　驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)分布（方案二）

圖14　驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)分布（方案三）

（2）變速器低速擋速比選擇會(huì)直接影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用效率，進(jìn)而影響整車(chē)的電量消耗，選擇較大的低速擋速比有利于降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩需求，進(jìn)而提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行效率、降低系統(tǒng)電耗和成本。

（3）對(duì)于不同配置的城際混合動(dòng)力客車(chē)，變速器的擋位數(shù)量需合理匹配，變速器擋位數(shù)量不合理地增加對(duì)于增加整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性沒(méi)有實(shí)際意義，反而會(huì)增加成本和整車(chē)布置難度。

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［12］ 楊偉斌，吳光強(qiáng)，秦大同，等.混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系優(yōu)化匹配及性能仿真［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（7）.

［13］ 嚴(yán)程健，夏靖武，崔月月.基于ADVISOR仿真的混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2014（3）.

［14］ 汪涵，鄭燕萍，何海波，等.城市公交車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究［J］.公路與汽運(yùn)，2010（2）.

［15］ 徐貴勇，唐永琪，方錫邦.基于ADVISOR的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2012（4）.

所選用的目標(biāo)車(chē)型的整車(chē)參數(shù)如下：總質(zhì)量為17 000 kg；主減速比為4.875；滾動(dòng)半徑為0.525 m；迎風(fēng)面積為7 m2；風(fēng)阻系數(shù)為0.6；滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.01；旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為1.1。

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0001-06

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275212）

收稿日期：2015-12-08