基于工況特征的混合動(dòng)力牽引車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)匹配＊

熊演峰 余強(qiáng) 李川 閆晟煜

（1.長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064；2.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

基于工況特征的混合動(dòng)力牽引車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)匹配＊

熊演峰1余強(qiáng)1李川2閆晟煜1

（1.長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064；2.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

基于牽引車實(shí)際工況特征，分析了混合動(dòng)力功能需求、政策法規(guī)及成本構(gòu)成，提出P2構(gòu)型適用于混合動(dòng)力牽引車型并開展參數(shù)匹配，利用仿真軟件AVL-Cruise建立了整車性能仿真模型。仿真結(jié)果表明，混合動(dòng)力系統(tǒng)新增成本在全生命周期內(nèi)可通過節(jié)油收回，同時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)具有部分替代緩速器功能、延長(zhǎng)制動(dòng)蹄片等易損件壽命、滿足駕駛員家居用電需求等特點(diǎn)。

1 前言

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》[1]，混合動(dòng)力牽引車屬于節(jié)能汽車，不享受新能源汽車補(bǔ)貼，考慮牽引車油耗大，一定的節(jié)油率無論對(duì)用戶還是社會(huì)節(jié)能減排均意義重大。文獻(xiàn)[2-3]均對(duì)混合動(dòng)力牽引車提出了構(gòu)型方案，分析了節(jié)油機(jī)理和節(jié)油率，但對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型制定依據(jù)介紹較少；文獻(xiàn)[4]介紹了混合動(dòng)力牽引用動(dòng)力總成參數(shù)，并在臺(tái)架上開展了油耗與排放測(cè)試，但對(duì)混合動(dòng)力功能需求與功能定義沒有闡述；國內(nèi)混合動(dòng)力產(chǎn)品與研究多集中在城市公交、城市物流、乘用車領(lǐng)域，對(duì)長(zhǎng)途牽引領(lǐng)域混合動(dòng)力系統(tǒng)研究較少。

為確定混合動(dòng)力牽引車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與總成參數(shù)，有必要基于目標(biāo)客戶實(shí)際使用工況開展整車性能仿真計(jì)算，快速驗(yàn)證動(dòng)力性是否達(dá)成開發(fā)目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性上節(jié)油率與新增成本是否平衡。

2 牽引車使用特征與混合動(dòng)力開發(fā)目標(biāo)

2015年3月開展?fàn)恳囉脩羰褂谜{(diào)研，采集了25輛牽引車實(shí)際使用工況數(shù)據(jù)，整理歸類形成了牽引車工況特征，見表1。

表1 牽引車調(diào)查樣本工況特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)概率分布理論[5]處理所采集的工況數(shù)據(jù)，擬合形成了牽引車在高速公路、一二級(jí)公路行駛的典型工況特征，見圖1。

圖1 牽引車實(shí)際工況特征

分析混合動(dòng)力節(jié)油因素[6]，主要包括制動(dòng)能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停機(jī)及工作點(diǎn)優(yōu)化等，比較兩個(gè)工況節(jié)油潛力，一二級(jí)公路更適合混合動(dòng)力牽引車使用?？紤]路況與使用特點(diǎn)，混合動(dòng)力牽引基礎(chǔ)車型采用4×2驅(qū)動(dòng)型式，搭載276 kW混合動(dòng)力系統(tǒng)的整車加速性不低于搭載310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)汽車。根據(jù)《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》[7]，半掛牽引車行駛700 000 km引導(dǎo)報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)定位于700 000 km全生命周期使用成本（Total Cost of Ownership，TCO）優(yōu)于傳統(tǒng)汽車。

3 牽引車混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與功能定義

3.1 牽引車混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

搭載混合動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)車型技術(shù)參數(shù)與開發(fā)目標(biāo)如表2所列。

表2 搭載混合動(dòng)力系統(tǒng)的傳統(tǒng)車參數(shù)與動(dòng)力性開發(fā)目標(biāo)

由于混合動(dòng)力牽引車不需要純電驅(qū)動(dòng)過程中快速起機(jī)，也不需要串聯(lián)驅(qū)動(dòng)功能，因此單電機(jī)混合動(dòng)力構(gòu)型即可滿足整車需求。單電機(jī)混合動(dòng)力構(gòu)型及其功能特點(diǎn)見表3。

表3 單電機(jī)混合動(dòng)力構(gòu)型及其功能特點(diǎn)

由表3可見，結(jié)果適用工況、制動(dòng)能量回收效果、總成改動(dòng)和成本等因素，因此混合動(dòng)力牽引動(dòng)力構(gòu)型采用P2，詳見圖2。

圖2 混合動(dòng)力系統(tǒng)P2構(gòu)型

根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與整車參數(shù)，在Cruise仿真軟件中搭建混合動(dòng)力牽引車整車模型，詳見圖3。

3.2 牽引車混合動(dòng)力功能定義

牽引車混合動(dòng)力功能定義依據(jù)是整車使用工況，表4是混合動(dòng)力功能與適用工況，理論上P2構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)表4所示所有功能，但混合動(dòng)力功能增加同時(shí)需要增加相應(yīng)電動(dòng)附件及相應(yīng)控制策略，根據(jù)整車使用工況，制定合理的混合動(dòng)力功能定義是關(guān)鍵。

根據(jù)圖1可知，牽引車行車過程中很少停車，牽引車停車起停功能取消。

圖3 混合動(dòng)力牽引車整車模型

表4 混合動(dòng)力功能與適用工況

牽引車行車起停功能需求分析：通過處理一二級(jí)公路牽引車實(shí)際工況數(shù)據(jù)，得到離合器實(shí)際分離工況數(shù)據(jù)，詳見表5。

表5 離合器分離工況分析統(tǒng)計(jì)

從節(jié)油率角度分析，行車起停策略[8]基于油門踏板、制動(dòng)踏板、變速器擋位、車速等信號(hào)開發(fā)，行車起停策略中停機(jī)時(shí)間滿足下式：

式中，Tidle為停機(jī)時(shí)間；T1為車速等于0的時(shí)間；T2為因發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過低、空調(diào)使能、暖風(fēng)使能等而禁止發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的時(shí)間；T3為車速從發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)觸發(fā)限值至整車停穩(wěn)的時(shí)間；T4為駕駛員從踩下離合器踏板到車輛起動(dòng)（車速不為0）的時(shí)間；Nstop為起停次數(shù)。

在MATLAB/Simulink軟件中制定行車起停控制策略，封裝后嵌入至圖4所示整車物理模型中，控制策略模塊采集車輛當(dāng)前狀態(tài)，判斷是否進(jìn)入停機(jī)條件，當(dāng)車輛滿足停機(jī)條件后，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。計(jì)算結(jié)果表明，如增加Tidle≥0 s發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)策略，節(jié)油率將增加1.1%。結(jié)合實(shí)際，策略修訂為Tidle≥10 s發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，節(jié)油率增加值降至0.8%?？紤]整車不匹配電加熱裝置、電動(dòng)空調(diào)和不能實(shí)現(xiàn)可預(yù)見行駛功能，實(shí)際節(jié)油率增加值將低于0.4%～0.5%。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)行車起停功能，整車需增加電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵及逆變器，預(yù)計(jì)成本增加0.7萬元。按傳統(tǒng)車油耗35.42 L/100 km、使用周期700 000 km、柴油6元/L、增加節(jié)油率0.5%計(jì)，預(yù)計(jì)最多可節(jié)約油費(fèi)0.74萬元，從TCO角度考慮經(jīng)濟(jì)性差，混合動(dòng)力牽引取消行車起停功能。

純電驅(qū)動(dòng)功能需求分析：混合動(dòng)力車型電池電量較小，純電動(dòng)續(xù)駛里程較小，為實(shí)現(xiàn)該功能還需增加電動(dòng)附件，因此取消該功能。

停車充電功能需求分析：停車充電可分為外接充電與怠速發(fā)電兩種，一二級(jí)公路沿途很少有充電樁，因此取消外接充電功能；考慮怠速發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低效區(qū)，因此取消怠速發(fā)電功能。

牽引車混合動(dòng)力適用功能有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功能、行車發(fā)電功能、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)功能和再生制動(dòng)功能。

4 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

4.1 電機(jī)系統(tǒng)匹配

電機(jī)系統(tǒng)匹配需確定峰值功率、峰值扭矩、電機(jī)系統(tǒng)常用轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速等主參數(shù)。參數(shù)匹配主要從驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)角度分析。

a.驅(qū)動(dòng)角度分析

要求搭載276 kW混合動(dòng)力系統(tǒng)整車動(dòng)力性不低于搭載310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車，因此需要電機(jī)提供兩款發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的功率與扭矩差值，詳見圖4。

圖4 276 kW與310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

由圖4可知，電機(jī)峰值功率70 kW、峰值扭矩650 N·m即可滿足整車動(dòng)力性要求，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速大于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即電機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 400 r/min。

b.制動(dòng)角度分析在電池電量允許條件下，電機(jī)系統(tǒng)可替代緩速器功能。根據(jù)GB/T 12676-2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》中對(duì)牽引車坡路輔助制動(dòng)的要求，滿載質(zhì)量超過26 t的牽引車按26t計(jì)，要求匹配緩速器的整車制動(dòng)性能能夠維持以30 km/h車速勻速行駛6 km的7%坡路[9]，電機(jī)功率需求如式（2）所示：

式中，m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；α為道路坡度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為整車迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；μa為車速；Tm為電機(jī)扭矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)公式（2）計(jì)算可知，電機(jī)功率需求134 kW、峰制扭矩需求1 200 N·m。考慮發(fā)動(dòng)機(jī)反拖功率和扭矩貢獻(xiàn)，綜合取整，電機(jī)峰值功率100 kW、峰值扭矩1 000 N·m。

4.2 電池系統(tǒng)匹配

電池系統(tǒng)匹配主要從性能需求、法規(guī)要求、電池類型角度分析。

a.性能需求角度分析

由圖1可知，運(yùn)行于一二級(jí)公路常用最高車速80 km/h，電池性能應(yīng)滿足車速80～0 km/h單次制動(dòng)能量回收需求、0～80 km/h車速單次加速能量需求（電機(jī)提供276 kW、310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)在0～80 km/h加速時(shí)間內(nèi)功率、扭矩差值，其中電機(jī)能量來自電池）、峰值充放電功率需求、法規(guī)需求。

忽略風(fēng)阻、滾阻，滿載車速80～0 km/h單次制動(dòng)能量回收需求公式為：

式中，Pxb為電機(jī)制動(dòng)功率；ηm為電機(jī)效率；ηb為電池效率；t為制動(dòng)時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算可用能量應(yīng)大于2.94 kW·h。

從表2可知，搭載310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)的整車0～80 km/h加速時(shí)間60 s。電池通過電機(jī)提供0～60 s內(nèi)276 kW、310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)能量輸出差值，0～80 km/h車速單次加速能量需求公式為：

式中，Ttq1為310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；Ttq2為276 kW發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算單次加速能量需求0.89 kW·h。

電池峰值充放電功率應(yīng)滿足電機(jī)系統(tǒng)需求，電機(jī)系統(tǒng)效率近似認(rèn)為90%，因此電池充放電峰值功率取整后應(yīng)大于110 kW。

b.法規(guī)要求角度分析

根據(jù)GB/T 12676-2014要求，電池可用能量應(yīng)滿足整車以30 km/h勻速行駛6 km長(zhǎng)的7%坡路的能量需求，公式為：

式中，L為坡長(zhǎng)；α為坡度；V為車速；Pxb為發(fā)動(dòng)機(jī)反拖功率。

經(jīng)計(jì)算電池總電量應(yīng)大于21.59 kW·h。

c.電池類型選擇

電池壽命按照700 000 km設(shè)計(jì)，相應(yīng)電量吞吐量詳見公式（6）：

式中，S為壽命要求里程；sn為典型工況里程；pn為典型工況瞬時(shí)功率需求。

經(jīng)計(jì)算700 000 km電池吞吐量需求359.86 MW·h?，F(xiàn)階段較好的三元電池、磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命可達(dá)4 000次[10]，現(xiàn)階段鈦酸鋰電池循環(huán)壽命可達(dá)20 000次、錳酸鋰可達(dá)10 000次[11]，可知，三元電池、磷酸鐵鋰電池類型壽命無法達(dá)成，錳酸鋰電池類型可通過策略保護(hù)、電池主動(dòng)均衡等手段達(dá)成，鈦酸鋰電池類型可達(dá)成。考慮鈦酸鋰電池成本較高，本次電池選擇錳酸鋰電池類型。

5 混合動(dòng)力牽引性能仿真與TCO分析

5.1 性能仿真

對(duì)搭載276 kW、310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車以及搭載276 kW混合動(dòng)力系統(tǒng)的整車，基于Cruise仿真軟件開展動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性分析。動(dòng)力性結(jié)果詳見圖5。

從圖5可知，搭載276 kW混合動(dòng)力系統(tǒng)整車0～80 km/h加速時(shí)間小于60 s，加速性不低于搭載310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車，達(dá)成了開發(fā)目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果詳見表6。

圖5 不同類型整車加速性能

從表6可知，混合動(dòng)力牽引車較基礎(chǔ)車型節(jié)油率達(dá)9.42%，700 000 km使用周期內(nèi)可節(jié)約油費(fèi)約13.9萬元。

表6 不同類型整車性能參數(shù) L·100 km-1

5.2 TCO分析

牽引車混合動(dòng)力系統(tǒng)貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在節(jié)油、延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)壽命、改善駕駛員生活條件、發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、部分替代緩速器上。

a.對(duì)節(jié)油率貢獻(xiàn)

牽引車混合動(dòng)力系統(tǒng)新增成本主要由電機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、整車控制器、高壓系統(tǒng)等構(gòu)成，預(yù)計(jì)增加9.9萬元左右，而混合動(dòng)力牽引車基于一二級(jí)典型工況700 000 km使用周期可節(jié)約油費(fèi)13.9萬元。

b.對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)貢獻(xiàn)

由表1可知，一二級(jí)公路牽引車使用工況中，減速時(shí)間比例占全工況的20.59%，其中，不同制動(dòng)減速度分布詳見表7。

表7 一二級(jí)公路牽引車制動(dòng)減速度分布

由表7可知，一二級(jí)公路牽引車大部分制動(dòng)減速度絕對(duì)值小于0.5 m/s2；同時(shí)電機(jī)扭矩引起的制動(dòng)減速度介于0.29～1.31 m/s2。因此在電池電量允許條件下，電機(jī)制動(dòng)能夠覆蓋絕大多數(shù)制動(dòng)需求，可延長(zhǎng)諸如制動(dòng)蹄片、離合器片、輪胎等部件壽命。

c.改善駕駛員生活條件方面貢獻(xiàn)

駕駛員常用用電設(shè)備主要有熱水壺、便攜式移動(dòng)空調(diào)等，總用電需求2 kW左右。傳統(tǒng)蓄電池容量小，不能滿足家居用電需求?；诨旌蟿?dòng)力牽引動(dòng)力電池方案，可滿足大部分用電需求。

d.其它貢獻(xiàn)

搭載276 kW混合動(dòng)力系統(tǒng)與搭載310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)整車加速性相當(dāng)，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格相差0.6萬元左右；電池允許前提下，混合動(dòng)力系統(tǒng)可部分替代緩速器功能，液力緩速器價(jià)格2～3萬元。

6 結(jié)束語

a.采集了高速公路與一二級(jí)公路牽引車工況數(shù)據(jù)，擬合了Cruise仿真軟件可用的工況數(shù)據(jù)，提出混合動(dòng)力牽引車更適用于一二級(jí)公路工況。

b.在Cruise仿真軟件中搭建了整車物理模型并開展性能仿真，結(jié)果表明，搭載276 kW混合動(dòng)力系統(tǒng)整車加速性能不低于搭載310 kW發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)車，節(jié)油率較基礎(chǔ)車達(dá)9.42%。

c.分析得出，混合動(dòng)力系統(tǒng)新增成本遠(yuǎn)低于牽引車700 000 km使用周期內(nèi)節(jié)約油費(fèi)。

綜上所述，基于工況特征的混合動(dòng)力牽引車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)匹配，達(dá)成了預(yù)期性能指標(biāo)，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供了理論依據(jù)和匹配方法。

1 中華人民共和國國務(wù)院.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）[R]北京：2012.

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9 GB12676-2014.商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法[S].

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11 微宏動(dòng)力系統(tǒng)(湖州)有限公司.從用戶角度思考動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)[R].北京：2016.

Configuration and Parameter Matching of Hybrid Tractor Powertrain System Based on Operating Characteristics

Xiong Yanfeng1,Yu Qiang1,Li Chuan2,Yan Shengyu1
（1.Chang'an University,Xi'an 710064；2.China FAW Co.,Ltd New Energy Research Institute,Changchun 130011）

The hybrid functional requirements,policies and regulations,as well as cost structure were analyzed based on actual working conditions of tractor,and it was proposed that P2 configuration was a suitable solution for hybrid tractor,and parameter matching was conducted.Vehicle performance simulation model was built based on the simulation software AVL-Cruise.The results show that the incremental cost of the hybrid power system can be recovered by fuel saving in the whole lifecycle.Meanwhile,the hybrid system has other advantages as followed:the system can to partially take the place of retarder,prolong the life of consumable components such as brake shoes,and meet the home power demand of the driver.

Hybrid traction,Configuration of power system,Parameter matching,Operating characteristics

混合動(dòng)力牽引 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型 參數(shù)匹配 工況特征

U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）12-0023-05

國家自然科學(xué)基金-青年項(xiàng)目（51507013）。

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2017年8月1日。