李　勇，俞劍斌，馬騰騰，陳峰磊，楊云東

(廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

新型增程式公交車動力系統(tǒng)優(yōu)化與仿真

李勇，俞劍斌，馬騰騰，陳峰磊，楊云東

(廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

針對無變速箱結(jié)構(gòu)的增程式公交車存在電機工作轉(zhuǎn)速范圍窄、爬坡能力及制動能回收效率低的問題，設(shè)計了具有二擋自動變速箱的增程式公交車動力系統(tǒng)，并對其進行結(jié)構(gòu)分析和主要參數(shù)匹配.采用CRUISE/Simulink聯(lián)合仿真平臺，對設(shè)計的動力系統(tǒng)及控制策略進行了仿真驗證.結(jié)果表明：整車動力系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)匹配較合理，能實現(xiàn)電機需求扭矩的減小并有效延長續(xù)駛里程，提高制動能回收效率.

增程式公交車；動力系統(tǒng)；二擋自動變速箱；爬坡能力

面對日益嚴峻的石油危機和環(huán)境污染，我國高度重視新能源汽車的發(fā)展，其已經(jīng)成為國家重點發(fā)展戰(zhàn)略[1-4].從現(xiàn)有新能源汽車發(fā)展趨勢看，純電動汽車將是未來發(fā)展趨勢.但由于動力電池組在技術(shù)和成本方面的限制，純電動汽車存在續(xù)駛里程短的缺點，使其在產(chǎn)業(yè)化進程中發(fā)展緩慢.增程式電動汽車在純電動車基礎(chǔ)上增加一個增程器，能夠較好地彌補現(xiàn)有純電動汽車續(xù)駛里程短的不足.目前國內(nèi)關(guān)于增程式電動汽車的相關(guān)研究較多，如昆明理工大學(xué)的李濤等，江蘇理工學(xué)院的孫奎洲等分別對增程式電動車動力進行系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)匹配，以提高整車動力性和經(jīng)濟性[5-7].但無論是對增程式公交車的文獻研究還是生產(chǎn)的實車大多沒有變速箱結(jié)構(gòu)，具有如下缺點：1)由于電機直接作用于驅(qū)動軸上，電機的工作轉(zhuǎn)速范圍較窄、效率不高；2)對于復(fù)雜地形或陡坡路況車輛難以驅(qū)動；3)制動能量回收效率不高.基于以上分析，本文在現(xiàn)有增程式公交車的基礎(chǔ)上增加二擋自動變速箱和超級電容組成新的增程式公交車構(gòu)型，以彌補傳統(tǒng)增程式公交車構(gòu)型的不足[8-9].

1　整車構(gòu)型及參數(shù)

增程式公交車的構(gòu)型如圖1所示，主要由驅(qū)動電機、輔助動力裝置(auxiliary power unit，APU)、電儲能系統(tǒng)、變速箱組成.其中電儲能系統(tǒng)由超級電容和動力電池組構(gòu)成，APU由發(fā)動機和發(fā)電機組成.發(fā)動機不直接參與傳動，APU主要是為了提高汽車的續(xù)駛里程以及在大功率需求時聯(lián)合動力電池給驅(qū)動電機提供能量.

相對傳統(tǒng)的增程式公交車，該構(gòu)型增加了超級電容及變速箱.超級電容能夠在加速、爬坡等大電流需求工況時，輔助電池為驅(qū)動電機提供能量，避免電池的大電流放電，并且在制動能量回收時作為儲能裝置，避免公交車在城市工況下頻繁制動時能量回收對電池造成的損害，因而能夠延長電池使用時間.采用二擋自動變速箱能夠拓寬電機的工作轉(zhuǎn)速，并且能夠提高電制動力矩，從而提高制動能量回收效率，達到延長續(xù)使里程的目的.增程式公交車主要參數(shù)及性能指標如表1和表2所示.

表1　增程式公交車主要參數(shù)

表2　增程式公交車性能指標

2　動力參數(shù)匹配

2.1整車總功率匹配

根據(jù)最高車速Vmax、最大爬坡imax要求及0 ～Vm的加速時間tm，計算所需功率分別為Pmax，1，Pmax，2，Pmax，3.

首先，根據(jù)最高車速Vmax確定最大功率Pmax，1：

(1)

其次，根據(jù)爬坡性能確定最大功率Pmax，2：

(2)

式(2)中：Vi為爬坡車速.

最后，根據(jù)加速性能確定最大功率.整車在加速的末時刻，動力源輸出最大功率，因此，加速過程最大功率Pmax，3：

(3)

式(3)中：δ為質(zhì)量系數(shù)；Vm為末速度.

根據(jù)上述動力性三項指標計算各工況最大功率，動力源總功率Pmax必須滿足上述所有的設(shè)計要求，即Pmax≥ max(Pmax，1，Pmax，2，Pmax，3).由式(1)～(3)以及整車參數(shù)，根據(jù)整車動力性要求，得到Pmax=190 kW.

2.2驅(qū)動電機的選擇

驅(qū)動電機的匹配主要需考慮以下3方面的因素[10].

1)滿足整車功率的需求.由于在增程式公交車中，驅(qū)動電機是唯一的驅(qū)動源，因此其峰值功率應(yīng)滿足整車的最大功率需求，根據(jù)上節(jié)的計算可知，其功率需求應(yīng)大于或等于190 kW.

2)滿足最大爬坡時峰值扭矩的需求.汽車在爬坡條件下的行駛方程式如式(4)所示：

(4)

根據(jù)式(4)，可得以15 km/h爬20%的坡時公交車所需的驅(qū)動力Fmax=36.9 kN，電機所需最大扭矩Tmax為

(5)

由上可知電機的需求扭矩Tnec=1 085N·m.

3)滿足最大車速時峰值轉(zhuǎn)速需求.

(6)

式(6)中：ig2為二擋速比.根據(jù)式(6)可知當汽車以69 km/h車速行駛時，驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速需求為nmax=2 300 r/min.綜合考慮電機的設(shè)計要求，選定驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)速為2 500 r/min.

綜上，選擇驅(qū)動電機的參數(shù)要求如表3所示.

表3　驅(qū)動電機參數(shù)

2.3電儲能系統(tǒng)參數(shù)匹配

以純電動狀態(tài)下的續(xù)駛里程S1計算蓄電池組功率P和能量W，要求以Vc=40 km/h純電行駛50 km(按國家標準公交車日行駛里程為160 km).

(7)

由式(7)可得該車速下的功率P需求為32.5 kW.

式中：t1為純電續(xù)駛時間.可以得出所需電池能量W為40 kWh.選擇的電池參數(shù)如表4所示.

表4　電池參數(shù)

超級電容主要用在制動能量回收以及起步、爬坡等大功率需求工況下輔助提供驅(qū)動功率，以避免動力電池承擔(dān)過大的電流.當制動能量回收時，超級電容所需的最大存儲能量Ecap應(yīng)滿足：

(8)

式(8)中：Ebrk為單次制動可回收的最大能量；Ebat_1c為電池以1 C充電功率充電時的能量.

根據(jù)系統(tǒng)要求，復(fù)駛最大距離(指在40 km/h 車速下進行再生制動，所回收的電能全部用于再驅(qū)動汽車純電行駛的最大距離)必須大于250 m.根據(jù)城市工況起動特點，將提供大電流的時間t2設(shè)為15 s，并且所選電動機的最大電流Imax為350 A，因此需要超級電容容量Qs為

(9)

2.4APU參數(shù)匹配

在增程式混合動力汽車中，發(fā)動機主要用于爬坡或加速時與ISG(integratedstarterandgenerator，起動發(fā)電一體機)電機組成APU發(fā)電，聯(lián)合電池共同輸出功率給驅(qū)動電機.在滿足這些功能需求的同時，為保證系統(tǒng)的高效率，要滿足高效區(qū)與常用工作點自然重合，使發(fā)動機與ISG電機高效發(fā)電.因此發(fā)動機與ISG的匹配要綜合考慮電池的輸出功率、發(fā)動機的經(jīng)濟區(qū)間和發(fā)電機的高效區(qū)間.ISG電機的匹配主要考慮以下3個方面的因素.

1)要求ISG具有起/停發(fā)動機的功能，并且ISG電機在0.5s內(nèi)將發(fā)動機拖動到怠速轉(zhuǎn)速800r/min.此時起動發(fā)動機功率Pm1為

(10)

式(10)中：ts為啟動時間；ω為轉(zhuǎn)速，800r/min對應(yīng)轉(zhuǎn)速為83.73rad/s；Je為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量；Td為最大摩擦轉(zhuǎn)矩，取30 ℃下轉(zhuǎn)速800r/min時發(fā)動機所對應(yīng)的摩擦力矩.

2)考慮在40km/h巡航車速下，如電池處于低SOC狀態(tài)，亟需補充電能，此時ISG仍能以推薦充電電流為動力電池充電，電池額定充電電流為0.3C，則在當前動力電池配置下，最佳充電功率為49kW.綜合以上功率方面的因素，將ISG的功率定為額定45kW，峰值90kW.

3)考慮APU發(fā)電效率，ISG電機高效區(qū)與發(fā)動機的低燃油消耗率所處的工作區(qū)應(yīng)該重合.

3　整車建模及仿真

3.1整車建模及信號連接

從CRUISE軟件界面窗口的模型庫中選擇并拖動相應(yīng)部件至建模窗口中[11]，建立如圖2所示的整車模型.

在各部件中輸入上節(jié)所設(shè)計的參數(shù)，在MatlabDLL模塊中建立所需的整車控制信號，并連接好信號線如圖3所示.

3.2控制策略建模

采用模塊化將整車控制策略分為需求功率計算、制動能量回收控制、APU模塊控制、驅(qū)動電機控制、變速箱換擋控制及儲能模塊控制6個主要部分[12]，建立控制策略的Simulink模型如圖4所示.

由于ISG電機功率是根據(jù)一般工況需求設(shè)計的，在爬坡時其不能夠滿足驅(qū)動電機大功率的需求，此時必須聯(lián)合電池給驅(qū)動電機提供能量，同時綜合考慮電池的使用壽命，將電池工作的SOC值設(shè)置在35%～85%之間.

3.3仿真結(jié)果及分析

將上述Simulink模型轉(zhuǎn)化為dll文件，與CRUISE整車模型聯(lián)合，選擇如圖5所示的中國標準城市工況進行經(jīng)濟性仿真和加速、爬坡等動力性仿真.

經(jīng)濟性、動力性仿真結(jié)果如表5～6所示.

表5　經(jīng)濟性仿真結(jié)果

表6　動力性仿真結(jié)果

通過經(jīng)濟性仿真結(jié)果可以看出：相比無變速箱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)增程式公交車，增加自動變速器和超級電容后的系統(tǒng)節(jié)油率提升了14.23%.通過動力性仿真結(jié)果可以看出：由于增加了自動變速器，系統(tǒng)0～50km/h加速時間縮短了3.4s，而在20km/h時的最大爬坡度增加了5.5%，在動力性能方面取得了較大的提升.綜合動力性、經(jīng)濟性試驗可以得出：加入自動變速器和超級電容后，不僅可以增大試驗車爬坡、加速等能力，系統(tǒng)的節(jié)油率得到了提升.在同等情況下，加入兩擋箱可以減小系統(tǒng)對驅(qū)動電機的扭矩需求.

4　結(jié)論

在傳統(tǒng)增程式公交車的基礎(chǔ)上，設(shè)計了增加自動變速器和超級電容后的新型增程式公交車系統(tǒng)，并對其主要部件進行參數(shù)匹配優(yōu)化.基于AVL-CRUISE/Simulink聯(lián)合仿真平臺搭建了該車的仿真模型，對系統(tǒng)構(gòu)型和控制策略進行了經(jīng)濟性和動力性仿真驗證.結(jié)果表明，改進后的系統(tǒng)爬坡、加速能力得到了較大的提升，在中國標準城市工況下節(jié)油率提升了14.23%.

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(責(zé)任編輯李寧)

Optimization and Simulation on Powertrain ofa New Extended Range Electric Bus

LI Yong,YU Jian-bin,MA Teng-teng,CHEN Feng-lei，YANG Yun-dong

(SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Apowertrainsystemwithdouble-gearautomatictransmissionwasdevelopedfortheextendedrangeelectricbuswithoutgearboxtoimproveitspoormotorspeedrange,lowclimbingabilityandpoorbrakingenergyrecovery.Structureandmainparameterofthepowertrainsystemwereanalyzedandmatched,andthesystemanditscontrolstrategysimulatedandvalidatedusingthejointCRUISE/Simulinksimulationplatform.Theresultsshowthatthepowertrainiswelldesignedandmatched,capableofreducingtherequiredmotortorque,extendingtheworkingdistanceandimprovingthebrakingenergyrecoveryefficiency.

extendedrangeelectricbus;powertrain;double-gearautomatictransmission;climbingability;efficiency

2014-12-29

2015-01-22

廈門理工學(xué)院高層次人才項目(YKJ13001R)

李勇(1976-)，男，講師，博士，研究方向為汽車動力傳動系統(tǒng).E-mail：timliyong@163.com

U469.72

A

1673-4432(2015)01-0001-06