余弢　王哲　尹兆雷　孫晨樂　章桐

摘 要：為了提高城市公交客車的燃油經(jīng)濟(jì)性，針對城市公交客車行駛工況的特點(diǎn)，提出一種功率平衡型的增程式公交客車動力系統(tǒng)設(shè)計方案，并對其動力系統(tǒng)零部件（主驅(qū)動電機(jī)、增程器、動力電池）進(jìn)行了選型計算。基于AVL-Cruise仿真平臺，采用增程器定點(diǎn)能量管理策略，對設(shè)計的動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，提出的動力系統(tǒng)能夠滿足整車動力性能要求，并在4種不同城市工況下的百公里油耗平均水平較傳統(tǒng)柴油客車降低了30.1%。

關(guān)鍵詞：功率平衡；增程器；公交客車；動力系統(tǒng)設(shè)計；動力性仿真；燃油經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.09

增程式公交客車（Range-Extended Electric Bus，REEB）是一種能以純電形式行駛的插電式串聯(lián)混合動力公交客車[1-4]。傳統(tǒng)的REEB主要有3種工作模式：純電行駛模式、電量保持模式、夜間充電模式。當(dāng)動力電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）高于設(shè)定閾值時，整車工作在純電行駛模式下，增程器（Auxiliary Power Unit，APU）關(guān)閉，由電池提供車輛行駛所需的功率；當(dāng)動力電池SOC低于設(shè)定閾值時，整車工作模式切換為電量保持模式，此時APU系統(tǒng)開啟，輸出整車行駛所需要的功率，同時向電池充電[5]。為了保證一定的純電續(xù)駛里程，傳統(tǒng)的REEB需要選擇容量相對較大的動力電池。由于動力電池容量及質(zhì)量的增大，整車質(zhì)量也相應(yīng)增大，進(jìn)而影響整車動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。

而對于中國城市公交客車，其運(yùn)行工況具有如下特點(diǎn)：（1）平均車速低（大中城市平均車速為15～25 km/h），且車輛最高車速不高（大多城市公交客車最高車速限制為60 km/h）。（2）車輛行駛過程中經(jīng)常堵車，車輛慢行工況頻繁，發(fā)動機(jī)長時間工作于怠速或低效、高排放狀態(tài)。（3）公交客車頻繁起步、制動，制動及停車時間長。根據(jù)城市公交客車行駛工況的特點(diǎn)及傳統(tǒng)REEB的工作模式切換要求，當(dāng)整車工作在電量保持模式下的時候，動力電池的SOC值已經(jīng)相對較低，無法再向外輸出功率，這就要求APU系統(tǒng)輸出的功率必須隨著工況需求功率的變化而變化。此時，內(nèi)燃機(jī)難以工作在最佳油耗曲線附近，其排放性能較差，工作效率較低。

針對傳統(tǒng)REEB的上述問題，本文提出了一種功率平衡型的REEB動力系統(tǒng)設(shè)計方案。在該方案下，整車在行駛過程中一直工作在電量保持模式下，動力電池的SOC值一直保持在一個充放電效率較高的值，且APU系統(tǒng)也一直工作在最佳工作點(diǎn)，輸出REEB城市行駛工況所需的平均功率。當(dāng)APU系統(tǒng)輸出功率高于行駛工況實(shí)時需求功率時，APU系統(tǒng)向動力電池充電；當(dāng)APU系統(tǒng)輸出功率低于行駛工況實(shí)時需求功率時，動力電池給主驅(qū)動電機(jī)供電，輔助APU系統(tǒng)驅(qū)動車輛。該功率平衡型的REEB由于APU系統(tǒng)常開且滿足REEB城市行駛工況所需的平均功率，動力電池可以選用容量較小的功率型電池，電池重量變輕，整車整備質(zhì)量下降，進(jìn)而燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高。同時，APU系統(tǒng)可以始終工作在高效工作點(diǎn)，效率較高，排放較好。

從工程實(shí)際的角度出發(fā)，結(jié)合4種不同的城市公交工況，本文著重分析了關(guān)鍵零部件（主驅(qū)動電機(jī)、動力電池和APU系統(tǒng)）的選型匹配對整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并通過AVL-Cruise仿真軟件對其動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了相關(guān)仿真研究。

1 REEB動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)

功率平衡型REEB的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)為串聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)，整車始終由主驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動車輛。在該系統(tǒng)中，整車主要工作在電量保持模式下，APU系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)的主要動力源，提供整車行駛工況平均需求功率。動力電池作為輔助動力單元，在加速、爬坡等高功率需求時給主驅(qū)動電機(jī)供電，輔助APU系統(tǒng)驅(qū)動車輛。整車制動時，主驅(qū)動電機(jī)工作在發(fā)電模式，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中。整車的基本參數(shù)與動力性能指標(biāo)見表1。

2 主驅(qū)動電機(jī)選型匹配

2.1 最高轉(zhuǎn)速nmax和基速nb

主驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax和整車最高車速vmax之間存在如下關(guān)系式：

。

經(jīng)過計算可以得到主驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為nmax=9 000 r/min。選擇電機(jī)的基速比為4.29，根據(jù)公式：

。

計算得到電機(jī)基速nb=2 120 r/min。據(jù)此，主驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基速選取為9 000 r/min和2 120 r/min。

2.2 電機(jī)峰值功率Pmax和額定功率Pe

主驅(qū)動電機(jī)的峰值功率由整車動力性能指標(biāo)最高車速、最大爬坡度和最小加速時間決定。最高車速對主驅(qū)動電機(jī)的功率需求Pmax1如式（3）所示。

。

式中，vmax為最高車速，km/h；m為整車總質(zhì)量，kg；

g為重力加速度，m/s2；f為滾動阻力系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；Af為迎風(fēng)面積，m2。

按照原型車設(shè)計參數(shù)，該車需以20 km/h的車速通過20%的坡度，則其對功率的需求Pmax2如式（4）所示。

。

式中，vc為爬坡車速，km/h。

根據(jù)該車0-50 km/h加速時間不超過30 s，則主驅(qū)動電機(jī)所需輸出功率Pmax3如式（5）[6]所示。

式中，vf為電機(jī)基速對應(yīng)的車速，m/s；vb為加速終了車速，m/s。

通過式（6）可計算得到vf =5.58 m/s，同理可得vb為13.89 m/s。

。

式中，nb為電機(jī)基速，r/min。

根據(jù)式（3）～（5），分別可以計算得最高車速需求功率Pmax182.16 kW，滿足爬坡要求的功率Pmax2218.48 kW，滿足0-50 km/h加速時間的需求功率Pmax390.36 kW。取三者最大值并取整，則主驅(qū)動電機(jī)最大功率Pmax取值為220 kW。按照過載系數(shù)2.5進(jìn)行匹配，則其額定功率Pe取為88 kW，取整為90 kW，滿足車輛以最高車速行駛時對功率的需求。

2.3 主驅(qū)動電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩Tmax和額定轉(zhuǎn)矩Te

主驅(qū)動電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩Tmax由最大爬坡度決定，其計算公式如式（7）所示。

。

經(jīng)計算得，Tmax980 N·m。則主驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可由式（8）確定，經(jīng)計算得Te405 N·m。

。

式中，Te為額定轉(zhuǎn)矩，N·m；Pe為電機(jī)額定功率，kW。

綜上所述，主驅(qū)動電機(jī)的選型如下：最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min，基速2 120 r/min；峰值功率220 kW，額定功率90 kW；峰值轉(zhuǎn)矩982 N·m，額定轉(zhuǎn)矩405 N·m。

3 APU系統(tǒng)的選型匹配

APU系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，對于功率平衡型REEB，整車主要工作在電量保持模式下，因此APU系統(tǒng)的選型匹配以及APU系統(tǒng)的工作效率對于整車的燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大。本文主要針對Artemis城市工況、歐洲城市工況、中國城市工況、日本城市工況[7-9]這4種城市運(yùn)行工況進(jìn)行了相關(guān)研究，各城市運(yùn)行工況如圖2所示。

功率平衡型REEB的能量管理策略如下：動力電池初始SOC設(shè)定在50%，APU系統(tǒng)處于常開狀態(tài)，提供在整個城市工況行駛所需的平均功率，以保證電池始終維持在50%。同時采用APU定點(diǎn)能量管理策略，分析上述4種不同工況下的平均功率需求，即APU應(yīng)發(fā)出的功率。如圖3和圖4所示，不考慮整車空調(diào)功率，在Artemis城市工況下，當(dāng)APU輸出功率恒定在29 kW時，電池的SOC值從50%變到50.3%；在歐洲城市工況下，當(dāng)APU的輸出功率為25 kW時，電池SOC值從50%變到50.3%；在中國城市工況下，APU輸出功率為27 kW時，電池SOC值從50%變到50.08%；在日本城市工況下，當(dāng)APU輸出功率為25 kW時，電池SOC值從50%變到50.07%。取上述4種工況的平均值，當(dāng)APU輸出功率為26.25 kW時，可以滿足整車在整個工況行駛過程中的平均功率需求。

另外，設(shè)定整車空調(diào)等負(fù)載的功率為30 kW，則當(dāng)APU系統(tǒng)輸出功率為57 kW時，即可滿足空調(diào)開啟工況下的功率需求。根據(jù)功率需求，本文匹配了一款輸出功率滿足要求的永磁同步發(fā)電機(jī)，其標(biāo)定工作轉(zhuǎn)速為2 250 r/min，標(biāo)定輸出功率為57 kW，發(fā)電機(jī)在工作點(diǎn)附近效率為90%，因此，要求與之相匹配的發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為2 250 r/min的情況下輸出的功率為64 kW。本文選擇了一款峰值功率為90 kW的發(fā)動機(jī)。該款發(fā)動機(jī)的外特性曲線如圖5所示。

采用定點(diǎn)控制策略，使APU中發(fā)動機(jī)始終工作在2 250 r/min，此時發(fā)動機(jī)滿足APU輸出功率要求，且該轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)效率較高，燃油經(jīng)濟(jì)性較好。

4 動力電池選型匹配

動力電池作為REEB的重要供能部件，其選型對整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性均有著重要的影響[10]。根據(jù)動力電池在整個動力系統(tǒng)中是作為主動力源還是輔助動力源，動力電池分為功率型電池和能量型電池。對于功率型電池，電池主要起到輔助驅(qū)動的作用，需要在短時間內(nèi)提供或者吸收較大的功率。而對于能量型電池，電池需要提供整車純電行駛一定里程所需要的電量，因此電池的容量較為重要。而對于功率平衡型REEB，動力電池作為輔助動力源，在整車加速或爬坡等功率需求較高時提供瞬時高功率，要求電池具有瞬間大電流充放電能力。雖然電池充放電電流較大，但由于持續(xù)時間較短，電池的充放電深度都不大，電池的SOC值波動范圍不大。

本文從動力電池質(zhì)量、制動能量回收量等角度對用于功率平衡型REEB的動力電池選型進(jìn)行了分析。首先仿真分析了動力電池質(zhì)量對整車性能的影響。圖6為整車質(zhì)量對百公里油耗的影響，可以看出當(dāng)整車質(zhì)量為13 000 kg時，整車百公里油耗為34.74 L；當(dāng)整車質(zhì)量為22 000 kg時，整車百公里油耗為42.72 L?？梢运愠稣囐|(zhì)量每增加1 000 kg，百公里油耗平均增加0.89 L。

圖7所示為電池質(zhì)量與額外百公里油耗同續(xù)駛里程的關(guān)系。取鋰離子電池能量密度為75 Wh/kg，電池開路電壓為512 V，并考慮電池SOC變化范圍約為20%～90%。經(jīng)分析，在中國城市公交工況下，純電續(xù)駛里程為20 km時，電池所需電量為41.1 kWh，電池所需容量為80.3 Ah，對應(yīng)電池質(zhì)量為819 kg，額外百公里油耗0.72 L。隨著純電續(xù)駛里程的增加，電池電量、容量、對應(yīng)的電池重量和額外百公里油耗均有所增加。當(dāng)純電動續(xù)駛里程為100 km時，電池所需電量205.5 kWh，電池容量401.32 Ah，對應(yīng)電池質(zhì)量4 028 kg，額外百公里油耗3.59 L。

通常情況下，城市公交客車的行駛里程約在200 km。中國城市工況下，在傳統(tǒng)REEB控制策略中，若REEB純電續(xù)駛里程為100 km，當(dāng)電池SOC值消耗到20%時，APU系統(tǒng)開啟，在剩下100 km行駛范圍內(nèi)，整車需要負(fù)載一個重達(dá)4 t的電池，造成整車質(zhì)量的上升和油耗的增加。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，非高溫季節(jié)，傳統(tǒng)柴油公交客車的百公里油耗為38 L，則由于電池質(zhì)量的增加帶來油耗的增加占到了9.4%，因此傳統(tǒng)REEB整車控制策略存在著較大的不足。而本文提出的功率平衡型REEB可以較好地避免整車質(zhì)量過重的缺點(diǎn)。由于APU始終開啟，動力電池只需要提供工況所需功率與APU提供的功率的差值，具備短時間的大功率充放電能力即可，而動力電池的容量可以相對較低。動力電池容量可由式（8）決定。

。

式中，Cb為電池容量；Pre為主驅(qū)動電機(jī)峰值功率與APU輸出功率的差值；k為動力電池的放電倍率；Um為動力電池的母線電壓。

其中，kW，母線電壓選擇為512 V，電池的放電倍率選擇5 C，則所需電池容量Cb為64 Ah，取整為70 Ah。

其次，動力電池的選型應(yīng)保證增程式公交客車在制動過程中具有最大的制動能量回收的能力。圖8為在中國城市公交工況下動力電池的充放電電流和充放電功率的關(guān)系?？梢钥闯觯麄€工況過程中電池最大充電電流為314 A，最大放電電流為189 A，動力電池最大充電功率為171 kW，最大放電功率為99 kW。而上文所選電池最大充放電功率可以達(dá)到179 kW，最大充放電電流可以達(dá)到350 A，能夠滿足中國城市工況所需的充放電功率和電流的要求。

5 整車性能仿真

根據(jù)上述分析，確定了增程式公交客車動力系統(tǒng)各部件的參數(shù)，具體見表2。根據(jù)選定的各動力系統(tǒng)參數(shù)，基于AVL-Cruise仿真平臺，對設(shè)計的動力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。整車模型如圖9所示，包括發(fā)動機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、主驅(qū)動電機(jī)模型、動力電池模型等。

5.1 動力性能仿真

根據(jù)動力性能要求，對前文選取的整車動力性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析及驗(yàn)證，主要分析并驗(yàn)證的參數(shù)有最高車速、最大爬坡度和整車0-50 km加速時間。

圖10顯示的是整車的爬坡性能仿真圖，由圖可知，整車能夠以20 km/h的速度通過39%的坡度，并以30 km/h的速度通過26.5%的坡度，滿足整車的爬坡性能要求。

圖11為整車的加速性能和最大車速的仿真，可以看出，整車的最大速度超過設(shè)計指標(biāo)中規(guī)定的80 km/h，并且0-50 km/h加速時間小于30 s。故本文設(shè)計的動力系統(tǒng)能夠很好地滿足整車的動力性能指標(biāo)要求。

5.2 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真

針對Artemis城市工況、歐洲城市工況、中國城市工況和日本城市工況，分別對整車的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真。

設(shè)定動力電池初始SOC為50%，發(fā)動機(jī)始終工作在最佳工作轉(zhuǎn)速下。當(dāng)動力電池SOC值高于90%時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉；當(dāng)動力電池SOC值低于40%時，發(fā)動機(jī)開啟。各個工況下，整車的百公里綜合油耗見表3。其中Artemis城市工況百公里綜合油耗34.76 L，歐洲城市工況百公里油耗24.40 L，中國城市工況百公里油耗26.70 L，日本城市工況百公里油耗19.34 L。4種工況的平均油耗水平為26.30 L，與參考文獻(xiàn)[11]中傳統(tǒng)柴油公交客車百公里油耗38 L的水平相比，本文設(shè)計的功率平衡型REEB節(jié)油率平均可以達(dá)到30.1%。

6 結(jié)論

針對傳統(tǒng)REEB燃油經(jīng)濟(jì)性差的問題，根據(jù)城市公交客車行駛工況特點(diǎn)，以整車動力性能指標(biāo)為約束條件，并以整車燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，設(shè)計了一套動力系統(tǒng)參數(shù)選型匹配的方法，并基于AVL-Cruise軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，同時基于4種不同的城市公交客車運(yùn)行工況，對所設(shè)計的動力系統(tǒng)及所采用的APU定點(diǎn)能量管理策略進(jìn)行了仿真分析與驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)功率平衡型REEB動力性能指標(biāo)對整車動力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)動力系統(tǒng)匹配計算得到主驅(qū)動電機(jī)額定功率為90 kW，額定轉(zhuǎn)矩為405 N·m，發(fā)動機(jī)運(yùn)行功率約為64 kW。與傳統(tǒng)REEB相比，本文設(shè)計的動力系統(tǒng)在滿足整車動力性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，發(fā)動機(jī)排量較小，動力系統(tǒng)質(zhì)量也較小，提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）根據(jù)4種不同的公交客車城市運(yùn)行工況，分析獲得了APU系統(tǒng)的基本功率需求，并基于功率平衡型REEB特點(diǎn)，開發(fā)了APU定點(diǎn)工作控制策略。同時考慮動力電池的重量對燃油經(jīng)濟(jì)性影響及電池最大充放電功率是否滿足加速、制動工況需求等因素對動力電池進(jìn)行選型。經(jīng)分析計算得到所選動力電池容量為70 Ah，與傳統(tǒng)REEB相比，動力電池容量及質(zhì)量均較小，有利于整車燃油經(jīng)濟(jì)性的提高。

（3）在AVL-Cruise環(huán)境下搭建了整車仿真模型，根據(jù)4種不同的公交客車城市運(yùn)行工況，對設(shè)計的功率平衡型REEB的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，該動力系統(tǒng)滿足整車動力性能要求，并且與傳統(tǒng)柴油公交客車相比，燃油經(jīng)濟(jì)性平均提高了30.1%。

參考文獻(xiàn)（References）：

CHAN C. The State of the Art of Electric and Hybrid Vehicles [J]. Proceeding of the IEEE，2002，90（2）：247-275.

XIONG W，ZHANG Y，YIN C. Optimal Energy Management for a Series-Parallel Hybrid Electric Bus [J].Energy Conversionand Management，2009，50（7）：1730-1738.

Hu Xiaosong，MURGOVSKI N，JOHANNESSON L，et al. Energy Efficiency Analysis of a Series Plug-in Hybrid Electric Buswith Different Energy Management Strategies and Battery Sizes [J]. Applied Energy，2013，111（C）：1001-1009.

RAHMAN Z，BUTLER K L，EHSANI M.Design Studies of a Series Hybrid Heavy-Duty Transit Bus Using V-Elph 2.01 [C]//Vehicular Technology Conference，U.S：IEEE，1999：2268-2272.

朱喜武，孫立清.增程式電動公交客車控制策略研究 [J].汽車技術(shù)，2013（4）：1-5.

Zhu Xiwu，Sun Liqing. Control Strategy Research for Extended-Range Electric Bus [J]. Automobile Technology，2013（4）：1-5. （in Chinese）

EHSANI M，Gao Yimin，EMADI A. Modern Electric， Hybrid Electric，and Fuel Cell Vehicles：Fundamentals， Theory，and Design（2nd ed.）[M].Beijing：China Ma-chine Press，2010.

ANDR?M. The ARTEMIS European Driving Cycles for Measuring Car Pollutant Emissions [J]. Science of the Total Environment，2004（334-335）：73-74.

王成，郭淑英，劉凌.串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)在公交客車中的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（2）： 18-24.

Wang Cheng，Guo Shuying，Liu Ling. Development and Application of Serial Hybrid Electric Powertrain System in the Bus [J]. Journal of Mechanical Engineering，2009，45（2）：18-24. （in Chinese）

張富興. 城市車輛行駛工況的研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

Zhang Fuxing. Study on Driving Cycles of City Vehicle[D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2005. （in Chi-nese）

LEE D H，KIM N W，JEONG J R，et al. Component Sizing and Engine Optimal Operation Line Analysis for a Plug-in Hybrid Electric Transit Bus[J]. International Journal of Automotive Technology，2013，14（3）：459-469.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會. 世博新能源汽車示范運(yùn)行技術(shù)評估報告 [R]. 上海：上海市科學(xué)技術(shù)委員會，2010.

Shanghai Science and Techology Commision. The Evalu-ation Report of Clean Energy Vehicle Demonstration Ope-

ration for World Expo [R]. Shanghai：Science and Tech-nology Commission of Shanghai Municipality，2010. （in Chinese）