混合动力城市客车动力传动系方案选择

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赵子亮 刘明辉 李骏 王庆年

[摘要] 随着汽车保有量的增加，世界石油资源日趋匮乏，环境污染日益严重。混合动力汽车（HEV, hybrid electric vehicle）由于在节能和降低排放污染方面有明显的优势，因而受到很大的重视。本文以开发的混合动力城市客车为基础，详细地论述了混合动力汽车动力传统系方案选择程序。基于混合动力城市客车的开发目标，分析了各种动力传动系方案，通过初步的仿真分析，选择了最佳的动力传动系方案——双轴并联型式，并进行了系统的仿真分析，验证了所选方案的正确性。
关键词：混合动力客车 动力传动系构型 仿真分析

1 绪论 混合动力汽车（HEV, hybrid electric vehicle）采用内燃机和电动机作为混合动力源，集中了两者的优点[1,2]。既继承了电动车辆作为“绿色汽车”的节约能源和超低排放的优点，又弥补了电动车辆续驶里程短的缺点，无须停车充电或频繁更换电池。已经成为国际公认的解决汽车尾气排放和石油资源匮乏两大难题的有效方法，是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。与传统汽车相比，燃油消耗可降低40%~50%，尾气排放指标可降低50%~60%[1]。同时，在配套设施方面，不需象燃气汽车和电动汽车那样投入巨资进行加气站和充电站的建设，易于推广。因此，在电动汽车技术取得重大突破之前，混合动力汽车成了各国的主要选择。 混合动力汽车已成为清洁、高效汽车的发展方向，是解决环保和节能问题的最佳途径，也是我国汽车工业可持续发展的必然选择。尤其是我国混合动力城市客车的研制开发对于缓解城市污染意义重大，特别是能够为北京2008 年奥运会提供清洁的城市客车。因此，本文以开发的混合动力城市客车为基础，通过对各种动力传动系方案进行比较分析，最后选择了双轴并联结构型式，并进行了系统的仿真分析，结果表明此种结构型式满足开发目标。 2 混合动力城市客车开发目标与整车基本参数 混合动力城市客车的开发目标包括动力性、经济性、排放性、噪声以及成本等[3]，本文主要考虑前两个方面，即动力性和经济性，如表1 所示。整车基本参数如表2 所示。 表1 混合动力城市客车的开发目标 表2 整车基本参数 3 混合动力城市客车概念设计 为了满足项目的开发指标，选择合适的动力传动系布置方案是十分必要的。这要对各种可能的动力传动系布置方案进行模拟仿真，综合评价，反复比较，优化，最后才能确定最佳布置型式。 3.1 混合动力城市客车动力传动系概念分析 基于3 种常见的布置型式：串联、并联和混联[1,2]，其中并联型式又分为常规并联、SA（Start Alternator）和Split 结构。各种动力传动系方案布置型式如图1 所示。同时，对国外成功车型（客车）从不同的评价标准，通过专家打分列出了24 种评价指标如表3 所示。Meshed hybrid 是混联的一种型式。 图1 混合动力传动系各种布置型式 表3 各种布置型式矩阵评价表 注:++ =非常好, + =好, o =一般，-= 差； y = yes, n = no； Reference — 手动变速器； PHEV, SA, split and meshed hybrid —手动变速器；运行成本 — 可靠性、服务费用和燃油消耗；开发成本 — 系统复杂性、控制 + 实用性 + 专利；性能 — 最高速度 +加速性 + 爬坡能力 + 最大爬坡度 3.2 混合动力城市客车动力传动系选型分析 从表3 可以看出没有一种布置型式是最佳的。考虑到项目开发目标，以燃油消耗和成本为最高指标，对串联、并联两种形式进行了初步的仿真研究，混联一般不用在大客车上。仿真结果列入表4。 表4 各种方案不同参数组合下的初步仿真结果 通过选择主要动力总成部件的尺寸、参数等，进行了动力传动系总成参数匹配，得到了初步的燃油消耗和成本的关系，如图2 所示。从图可以看出，区域Ⅱ比区域Ⅰ有更好的燃油成本比。初步仿真结果表明，循环工况对燃油消耗影响很大，不同循环工况下燃油消耗不同，中国城市4 工况难以反映城市客车的实际运行工况，因此，按照此工况计算很难达到项目要求，故迫切需要建立适合我国的城市循环工况。从图2和表4 还可以看出：并联型式的油耗要小于串联型式的油耗。因此，选择并联型式有助于降低油耗和成本。此外，选择合理的总成部件尺寸，制定合理的控制策略，减轻整车重量等措施对降低燃消耗和成本有很大的帮助[4,5]。 图2 各种布置型式的燃油消耗与成本关系图 3.3 混合动力城市客车动力传动系布置方案选择 考虑到混合动力客车所用总成的成熟性、组装、发动机start/stop、再生制动、电起车、成本、控制复杂程度以及换档同步性等多种因素，经过两次矩阵评价，最终确定了动力总成布置方案——双轴并联型式（DSPHEV, Double Shaft Parallel Hybrid Electric Vehicle）[6]，如图3 所示。 该方案具有如下优点：①总体布置容易；②电起机（电机起动发动机）功能；③发动机On/Off 功能；④电起车功能；⑤再生制动功能。 4 混合动力城市客车的仿真分析 基于所选择的动力传动系布置方案（如图3），进行了系统的仿真分析，确定了动力总成参数，如表5 所示。仿真计算中忽略了附件的影响，考虑了电池荷电状态SOC 的校正算法。 表6 为DSPHEV与传统车性能对比。从表中可以看出DSPHEV的动力性能要好与传统车，尤其是加速性能；在各种循环工况下，DSPHEV的燃油经济性比传统车好得多，达到了降低燃油消耗30%的目标。研究结果还表明，如不考虑电池SOC 的校正算法，混合动力汽车的燃油消耗与电池初始的SOC（State of Charge）状态关系甚大，SOC 值越大，燃油消耗越小。为保证计算结束后电池SOC 回到初始状态，就要消耗发动机的额外功率给电池充电，因此，要考虑电池SOC 的校正算法，这样结果才具有可信性。 表6 DSPHEV 与传统车性能对比 4 为 UDDSHDV 循环工况下电池SOC 的时间历程。从图中可以看出，电池的SOC 在一定范围内波动，始终保持在一定水平上，无需外部充电。 图4 UDDSHDV 下电池SOC 时间历程循环个数10，行驶距离89.1km，燃油消耗34.5L/100km [table=98%] 图5 为UDDSHDV循环工况下发动机实际工作点分布。从图中可以看出：发动机的实际工作点可分成两部分：一是分布在发动机最大转矩线上的工作点，表示发动机工作在全负荷工况下（如全负荷加速或最优效率）；二是部分负荷工况，小于最优/最大转矩曲线，或最小转矩曲线，此时发动机不允许关闭。在车辆减速时，发动机反拖转矩（图中负转矩）。发动机的工作点大部分分布在高效区。 图5 UDDSHDV 下发动机实际工作点分布 [table=98%] 图6 为UDDSHDV循环工况下电机实际工作点分布。从图中可以看出：电机的工作点大部分分布在持续转矩曲线附近，这一区间电机的效率最高。尤其是再生制动时，回收制动能效果最好。 图6 UDDSHDV 下电机实际工作点分布 [table=98%] 5 结论 本文基于仿真分析的基础上，以混合动力城市客车为研究对象，对混合动力汽车动力传动系方案选择进行了研究，从中可得出如下结论： （1）给出了混合动力城市客车方案选择的程序，即通过理论分析完成概念设计，参数匹配，然后进行系统仿真分析，下一步进行试验验证。 （2）混合动力城市客车动力传动系方案为双轴并联型式，此种结构具有结构简单、易于实现、再生制动效果好等优点。仿真结果表明，此种结构型式满足项目开发目标，其动力性和经济性比同类型的传统客车优越。 （3）不同的循环工况对燃油经济性影响很大， 因此急需建立适合我国城市客车的循环工况。通过控制策略和SOC 算法，可保持电池的荷电状态SOC 在一定范围内，实现整个循环过程无需通过外部电源充电，而发动机和电机工作在高效区间。 参考文献 1 初亮. 混合动力总成的控制算法和参数匹配研究. 吉林大学博士学位论文, 2002.6 2 Ralph Bady, Christian Renner, Martin Schｕssler, etc. Categorization of EV configuration. Institut fｕr Kraftfahrwesen Aachen, 2000.7 3 科学技术部.“十五”863 计划能源技术领域--电动汽车专项课题申请指南. 2001.10 4 Wu-Qiang Long, Kenji Morita and Nobuo Iwai. Analysis of HEV Components Efficiency on Fuel Economy. SAE paper, 2000 5 Bradley Glenn, Gregory Washington and Giorgio Rizzoni. Operation and Control Strategies for Hybrid Electric Automobiles. SAE paper, 2000 6 FAW 混合动力城市客车可行性研究报告（内部资料）, 2002. 3

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