某混合动力客车的动力系统选型与仿真

邵奎柱

(精进电动科技股份有限公司， 北京 100015)

本文针对轻客产品的特点，重点介绍混合动力产品选型设计，并结合汽油、柴油发动机混合动力产品整车性能对比，提出汽油发动机更适合做混合动力产品的方案。6 m 轻客是轻型商用车中具有代表性的车型，本文以此车型(以下简称T50)为例进行论述。T50总质量4 500 kg，常规车型采用493柴油发动机，拟匹配的另一款发动机为4K22NA汽油机，拟匹配的主减速器速比有两种方案，分别为4.1和4.44。

1 T50混合动力构型及工作模式

T50车型客户群体以个人为主，主要用于通勤、物流，对操控性、可靠性有较高要求。其ISG同轴混联系统(图1)，采用双电机方案，通过模式离合器控制，可以实现纯电驱动、串联驱动、制动回馈、并联驱动、发动机直驱等5种工作模式；模式切换不需要解耦，控制算法简单[1-4]。ISG同轴混联系统取消传统变速器，传动效率大幅提升，驾驶平顺性较好。此外，ISG同轴混联构型同时适合于改装及专用车市场的需求(停车配电、怠速发电、对外充电)，可以实现传统车不易开发的功能，符合国内6 m 轻客及专用车市场发展需要。

C1—扭转减振器； C2—模式离合器

2 主要零部件选型

2.1 驱动电机

综合考虑电机的功率密度、工作效率、外形尺寸以及质量等因素，选择永磁同步电机作为所设计混合动力客车的驱动电机[5]。

驱动电机选型在满足结构尺寸的前提下，需重点评估低速纯电爬坡能力和EV模式最高车速。根据ISG同轴混联系统的特点，当选取后桥主减速比为4.44时，将整车相关参数带入式(1)、式(2)、式(3)，可以计算出T50所需电机功率、扭矩最低需求。HEV模式下，最高车速125 km/h对应的车桥输入转速为3 755 r/min，所需功率为65 kW(如对应2%坡度，则为98 kW)；EV模式下，最高车速100 km/h对应的车桥输入转速为3 250 r/min，所需功率为37 kW(如对应2%坡度，则为64 kW)；20%坡度起步对应的车桥输入扭矩为790 N·m。结合主流产品系列及电机尺寸，初选驱动电机定子外径290 mm(额定功率75 kW、峰值扭矩850 N·m、最高转速5 000 r/min)的直驱型和240 mm(额定功率75 kW、峰值扭矩400 N·m、最高转速9 000 r/min，电控两挡箱一挡速比3.5、二挡速比1)的变速型电机产品。

(1)

(2)

(3)

式中：r为车轮滚动半径,为0.362 m；i0为主减速比，选取4.1/4.44；ig为电控两挡箱速比，选取3.5；CD为空气阻力系数，取0.38；A为迎风面积，取5 m2；f为车轮阻力系数，取0.008 5。

2.2 发电机

T50主要在市区、市郊行驶，ISG发电机需要保证串联驱动模式在最高车速时的电量平衡。考虑到整车驾驶性及充分发挥插电式优势，串并联切分车速初设为50 km/h。由式(2)可得50 km/h所需驱动功率为9 kW，考虑到市政道路坡度一般在1%～2%，最大不超过5%，目标车辆在2%度坡需驱动功率为22 kW。考虑到长度及与驱动电机系列化，初选定子外径290 mm(额定功率27 kW、峰值扭矩250 N·m、最高转速6 000 r/min)的发电机。

3 整车动力性经济性仿真

根据T50的混动系统构型图(图1)，将上述初选发电机、驱动电机、4K22NA汽油发动机和常规493柴油发动机的相关参数代入CRUISE模型，分别进行直驱和加箱两种构型的整车动力性、经济性仿真分析。参照图2用Matlab编写整车控制策略，确定不同工况的扭矩分配，并嵌入CRUISE模型。考虑到串并联系统加电控两挡箱的结构和控制都比较复杂，下文以汽油机混动加箱系统进行仿真分析。

图2 混动模式扭矩合成控制策略

图2为T50车型扭矩控制策略示意图[6-9]，低速区、低负荷区采用纯电、串联工作模式，发动机和车轮机械解耦，让发动机工作在最佳燃油经济性的区域；中高速以并联驱动为主，通过驱动电机助力或行车发电，确保发动机工作在经济区内，因大幅减少发动机瞬态工况点，所以在提升燃油经济性的同时提升了发动机的可靠性；发动机直驱工况压缩在较窄区域，此区域也是发动机最佳经济工作区。

T50整车动力性能分为纯电模式和混动模式进行，经济性能按照纯电工况40 km/h等速电耗、混动工况油耗进行。下面对几组典型仿真结果进行说明[10-12]。

3.1 动力性仿真分析

T50整车具有纯电行驶模式，触发纯电模式按钮后，模式离合器分离、发动机不启动，整车以纯电模式行驶，当电量低于设定值时(T50为20%)，可自动切换为混动模式。EV模式和HEV模式动力性仿真结果见表1。

表1 T50动力性仿真分析汇总表

3.2 经济性仿真分析

根据标准GB/T 27840-2011，T50整车经济性根据具体车型按照城市循环、公路循环、高速循环相应比例进行加权计算，所得加权值为整车综合油耗。电池电量需在试验起始、终止时保持平衡，下面以公路循环为代表进行仿真计算。

3.2.1 公路循环经济性仿真结果

图3—图5为基于公路循环部分进行仿真分析的结果。图5中1为低速挡、2为直接挡，公路循环总计468 s，变速器主要工作在直接挡。

图3 公路循环车速跟随、发动机工作点

图4 公路循环驱动电机工作点

图5 循环内换挡情况

标准GB/T 19754-2015要求混动车辆试验前后电量需保持平衡。要保证电量在测试循环起止时电量不变，需要引入插值算法。图3中浅色线为发动机最佳经济性工作曲线，发动机实际运行是在以此线为基准向上或向下偏移的带状区域，为了求得循环内电量变化为0，在仿真模型中引入发动机扭矩偏移参考值0 N·m、25 N·m、50 N·m，通过此参考值可以确定发动机向上或者向下的带状工作区域边界，分别计算出：

0 N·m，SOC增加1.8%，油耗11.58 L/100 km

25 N·m，SOC减少0.1%，油耗9.32 L/100 km

50 N·m，SOC减少1.3%，油耗7.88 L/100 km

通过内插值得出SOC变化为0时发动机扭矩偏移参考值为23.6 N·m，重新带入仿真模型进行验算，电量变化为0，此时T50公路循环百公里油耗为9.4 L/100 km。

3.2.2 综合油耗计算

参照上面3.2.1可以计算出城市循环车辆百公里油耗为8.85 L/100 km，高速循环车辆百公里油耗为10.28 L/100 km。T50的综合油耗根据GB/T 27840-2011规定的比例进行加权计算：

FC综合=8.85×50%+9.4×25%+10.28×25%=9.345 L/100 km

3.3 仿真结果汇总

参照上述3.1、3.2节的运算，可以获得2款发动机、2种混合动力构型、2个后桥速比的整车动力性、经济性仿真结果。

表2为T50动力性能汇总表，其中直驱构型后桥速比采用4.44，加箱构型后桥速比采用4.1。

表2 T50动力性能汇总表 s

493柴油机由于最高转速限制(国五柴油机最高转速在3 200 r/min)，持续高速巡航车速较低(直驱构型98 km/h，加箱构型106 km/h)，为获得较高的车速，需要转化为串联模式，长时间最高车速行驶，存在功率不平衡的隐患。汽油机则转速高(国六汽油机最高转速在5 500 r/min)，整车可以长时间最高车速巡航(均大于150 km/h)。

表3为T50经济性能汇总表，加箱方案的40 km/h等速电耗较低(16.6 kW·h/100 km)，而直驱方案为18.5 kW·h/100 km。由于回馈能量、传动效率的原因，加箱构型的循环油耗约高0.5 L/100 km。

表3 T50经济性能汇总表

通过整车动力性、经济性仿真分析，加箱构型可以较好地平衡低速爬坡性能和高速巡航(加箱构型最大爬坡度30%，直驱构型最大爬坡度20%)，直驱构型的综合油耗更好(较加箱构型约低0.5 L/100 km)。

4 结束语

通过对T50混动系统的选型及整车性能的对比分析可知，采用汽油机和柴油机两种方案的动力性能非常接近，但最高车速汽油机方案明显好于柴油机方案；整车节油率汽油机方案也好于柴油机方案。可见，通过汽油机与电机耦合，可以弥补传统汽油机商用车油耗高、可靠性差的劣势；汽油机与电机的耦合还可以显著改善整车排放、降低油耗。随着国Ⅵ排放实施，柴油机为提升排放会增加较多成本。综合汽油机体积小、转速及功率特性与电机更吻合等特点，汽油机混合动力系统更适合于轻型商用车领域[13]。