某款混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及控制方案設(shè)計(jì)

蘭俊福

（廈門福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建廈門361003）

某款混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及控制方案設(shè)計(jì)

蘭俊福

（廈門福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建廈門361003）

針對(duì)某款混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了基于整車系統(tǒng)原理架構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)主要部件的參數(shù)匹配，制定了基于整車能量管理的系統(tǒng)控制策略，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制方案。

混合動(dòng)力客車；動(dòng)力系統(tǒng)匹配；控制方案；能量管理

混合動(dòng)力客車作為新能源汽車的重要組成部分，對(duì)節(jié)能減排有著重要的作用。其混合動(dòng)力系統(tǒng)合理的參數(shù)匹配和方案設(shè)計(jì)可以有效地提高整車節(jié)油率及控制生產(chǎn)成本?；旌蟿?dòng)力技術(shù)日趨成熟，其系統(tǒng)方案和控制管理方案的技術(shù)要求也越來(lái)越高［1］。本文根據(jù)某款8.5m城市客車性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)以鋰電池為儲(chǔ)能基礎(chǔ)的插電式混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案，并根據(jù)系統(tǒng)配置架構(gòu)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行參數(shù)合理匹配及其控制方案設(shè)計(jì)，以滿足城市客車使用需求。

1　混合動(dòng)力系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及能量分配控制策略設(shè)計(jì)。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要對(duì)整車控制器、動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、電機(jī)的電氣連接進(jìn)行分析設(shè)計(jì)；能量分配控制設(shè)計(jì)主要是針對(duì)整車的使用需求及結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)，使其可工作于不同模式的控制策略。

1.1電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)主要由整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、電機(jī)四大部分組成，設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　電氣系統(tǒng)原理圖

整車控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，對(duì)電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，確保系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。整車系統(tǒng)接收到上電指令（鑰匙置于ON檔）后，預(yù)充接觸器閉合，電池通過(guò)預(yù)充電阻對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行預(yù)充電，預(yù)充完成之后，主接觸器閉合，系統(tǒng)可開(kāi)始運(yùn)行。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，整車控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)電池狀態(tài)，當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，則斷開(kāi)直流接觸器，截?cái)喑潆娀芈罚ＷC電池的安全，避免人員和車輛受到損害。整車控制器亦從CAN總線上獲取電池、電機(jī)控制器的其他故障信息，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)生故障等級(jí)的不同執(zhí)行儀表告警、降功率、停車等處理措施。

電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池組內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，保證電池使用安全和提高電池使用壽命，并分級(jí)管理電池故障和報(bào)警信息，這些信息以CAN報(bào)文的方式發(fā)送到整車總線上，供整車控制器讀取并處理。

電機(jī)控制器從整車控制器獲取電量，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和能量回收。電機(jī)控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)部狀態(tài)和電機(jī)狀態(tài)，并將故障信息以CAN報(bào)文的方式發(fā)送到整車總線上，供整車控制器讀取并做處理。

1.2能量分配控制策略設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力系統(tǒng)能量分配控制策略是整車控制策略設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力主要來(lái)自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有低速恒扭矩輸出、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精度高、噪聲小等特點(diǎn)，適合作為整車起動(dòng)和低速行駛的動(dòng)力源；發(fā)動(dòng)機(jī)怠速油耗較高，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速一般在其中高轉(zhuǎn)速，并且在沒(méi)有變速器的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。因此以車速為節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)各自的性能特點(diǎn)，將混合動(dòng)力系統(tǒng)劃分為多種工作模式，實(shí)現(xiàn)有效提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。本文將整車能量分配劃分為以下5種工作模式:

1）純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。車速在22 km/h以下，主離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)工作，單獨(dú)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛。當(dāng)電池SOC高于50%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)發(fā)電，處于熄火狀態(tài)；當(dāng)電池SOC低于50%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)給電池發(fā)電。

2）并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。車速在22 km/h以上，主離合器結(jié)合，若車速低于45 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)整車行駛。

3）純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。若車速高于45 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車行駛。

4）制動(dòng)模式。若有剎車或松油門信號(hào)，且電池?zé)o過(guò)壓情況，則由驅(qū)動(dòng)電機(jī)切換至發(fā)電機(jī)模式回收電量到電池。

2　混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

2.1混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

整車動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)是進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［2］。本文以設(shè)計(jì)某款8.5m混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，該動(dòng)力系統(tǒng)沒(méi)有變速器，采用ISG電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸混聯(lián)驅(qū)動(dòng)形式，整車動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，原理框架如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)之間使用減振器連接，ISG電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間用離合器連接。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸直接與車輛后橋相連并驅(qū)動(dòng)車輛。整車控制器作為主控單元，協(xié)調(diào)控制各部件組的配電及功能指令，集成電機(jī)控制器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)ISG電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。

圖2　動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

圖3　動(dòng)力系統(tǒng)原理框架圖

2.2混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要在低速行駛、低速爬坡和起步加速的模式下工作，所以電機(jī)選擇須滿足車輛爬坡需求，并且有良好的扭矩表現(xiàn)以滿足加速要求；同時(shí)由于采用同軸驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也應(yīng)滿足最高車速需求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩T、轉(zhuǎn)速n及功率P需求可根據(jù)下面3個(gè)公式計(jì)算［3-5］。滿載狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

式中:M為整車滿載狀態(tài)質(zhì)量，取13 000 kg；g為重力加速度，取9.81m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.012；α為滿載狀態(tài)下最大爬坡度，取12%（根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JTCB 01-2003對(duì)各級(jí)公路最大縱坡的規(guī)定，城市最大坡度為10.5%）；CD為迎風(fēng)阻力系數(shù)，取0.55；A為迎風(fēng)面積，取6m2；V為車速，最大車速69 km/h，常規(guī)車速22 km/h；r為車輪半徑，取500mm；i0為主減速比，取6.14；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取0.95。

表1　電機(jī)參數(shù)計(jì)算輸出結(jié)果匯總

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)可按照以下3點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn):

1）將車輛在平路、常規(guī)車速下的電機(jī)轉(zhuǎn)速確定為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，可知該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在700 r/min左右。

2）將車輛最高車速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速確定為電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，可以得出該電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在2 300 r/min左右。

3）將車輛在常規(guī)車速及最大爬坡度狀態(tài)下的扭矩和功率確定為電機(jī)的峰值扭矩和電機(jī)峰值功率，可以得出該電機(jī)峰值扭矩在1 450N·m左右，峰值功率在108 kW左右，取過(guò)載系數(shù)為2，可以得出電機(jī)額定功率在50 kW左右。電機(jī)額定扭矩在750N·m左右。

通過(guò)以上分析選定某款電機(jī)，其基本參數(shù)如下:額定功率55 kW；峰值功率110 kW；額定轉(zhuǎn)速700 r/min；峰值轉(zhuǎn)速2 300 r/min；額定扭矩750 N·m，峰值扭矩1 500N·m。

2.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算

在確定電機(jī)參數(shù)以后，可結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制策略，以中國(guó)典型公交循環(huán)工況為目標(biāo)工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行確定［6-9］。驅(qū)動(dòng)控制策略為車速在0～22 km/h時(shí)，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；車速在22～45 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)；車速在45 km/h以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。利用MATLAB建立動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模型如圖4所示。

圖4　混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模型

模型中電機(jī)特性參數(shù)選用前面所確定的，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)先選用余量較大的最大功率為147 kW的某款發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行在高速工況或混合驅(qū)動(dòng)工況，驅(qū)動(dòng)模型在動(dòng)力上要滿足實(shí)際車速能夠跟隨上目標(biāo)車速的要求。通過(guò)仿真可得出典型工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率和需求扭矩曲線如圖5和圖6所示。

圖5　典型城市公交工況下發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率

圖6　典型城市公交工況下發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩

從圖5和圖6可以看出，整車混合動(dòng)力系統(tǒng)可以良好地跑完整車典型公交工況，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的最大需求功率為95 kW，最大需求轉(zhuǎn)矩為580N·m?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)附件消耗功率及保證整車良好動(dòng)力性的功率余量，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下:最大功率為118 kW；經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍為1 200～1 800 r/min；最大扭矩為600N·m。

2.2.3電池容量計(jì)算

本文采用功率型電池，因此主要按照續(xù)駛里程要求匹配電池電量，該車設(shè)計(jì)要求續(xù)駛里程為50 km，參照GB 18386-2005［10］，整車?yán)m(xù)駛里程按整車半載等速40 km/h行駛計(jì)算。行駛需求功率Pb可按照下式計(jì)算:

式中:V為車速，40 km/h；M為整車試驗(yàn)重量（載重按滿載質(zhì)量65%計(jì)），11 250 kg；ηmc為電機(jī)及電機(jī)控制器效率，取0.95；ηb為電池的放電效率，取0.95；其余參數(shù)與前文相同。

將數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算出所需電池功率Pb=19.16 kW；電池總能量W=Pb×t=Pb×S/v=23.95 kW·h（百分百電耗），即不計(jì)其它附件電耗。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市客車，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)主要部件參數(shù)匹配及系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的能量管理控制策略可使整車根據(jù)不同的路況在純電動(dòng)、串聯(lián)、并聯(lián)等不同的模式下工作，并可達(dá)到提高整車節(jié)油率的目的。該系統(tǒng)可通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集各部件的狀態(tài)、故障信息，對(duì)不同的故障采取相應(yīng)的措施，在簡(jiǎn)化電氣線路結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)集成度的同時(shí)，保證系統(tǒng)的安全可靠性。

［1］陳清泉，孫逢春.混合電動(dòng)車輛基礎(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.

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修改稿日期:2016-07-22

System Match and ControlSchemeDesign of Powertrain System for a Hybrid Bus

Lan Junfu
（Xiamen Fugong EV Tech Co.，Ltd，Xiamen 361003，China）

This papermatches themain components'parameters of the powertrain system for a hybrid bus based on theprinciplearchitectureof thewholevehiclesystem.Then itmakes the system controlstrategiesbased on thewhole vehicleenergymanagement，and designs the corresponding controlscheme.

hybrid bus；powertrain systemmatch；controlscheme；energymanagement

U461.2

B

1006-3331（2016）05-0038-04

蘭俊福（1987-），男，工程師；系統(tǒng)工程師；主要從事混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。