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基于再生制动模型的并联混合动力客车参数设计
【摘要】：本文介绍了一种利用再生制动模型确定并联混合动力客车动力系统主要参数的设计方法。动力系统参数包括内燃机的额定功率、传动比、电机的最大转矩、蓄电池的功率和容量。建立仿真模型并在实际工况下对再生能量进行分析。设计目标需满足车辆的动力性，如速度和加速度，同时控制发动机在预期的范围内工作来保证能源利用率。在仿真结果中选择了部分参数进行对比，表明此客车的油耗降低了25%。
1引言
为了应对越来越严格的排放法规和不断上涨的燃油价格，汽车行业正在为下一代汽车寻找更清洁、更高效的动力系统[1]。混合动力汽车(HEV)的动力系统结合了传统的内燃机、电动机和蓄电池，是汽车制造商下一代动力系统的首选。与传统汽车相比，它具有良好的燃油经济性和更出色的行驶里程，价格和成本也都令人满意。许多中国客车制造商和动力总成生产商正在开发更清洁、更经济的混合动力客车，以满足市场需求[2]。
城市公共汽车在城市路线上行驶时，平均速度低，瞬时加速快。为了运输更多的乘客，中国大多数城市都采用12米长的公交车。平均车速小于35公里/小时，即使两站之间有许多红绿灯，两站之间的距离也往往小于 500 米。在大多数情况下，城市公共汽车的最高速度小于 50 公里/小时。当然，混合动力系统应该能够模拟低速行驶的发动机和回收制动能量，在等待交通信号灯和汽车停止时使发动机停止工作[3][4]。
- 在低速情况下采用纯电动模式用电动机来驱动汽车，这可以避免内燃机离合器打滑，高排放，高油耗的启动过程。
- 再生制动能量越多，燃油经济性越好。为了增加再生制动，要使发动机和动力系统分离来避免摩擦。
- Stopamp;go功能可以在停车等待和发动机空转时关闭发动机。城市的交通路况很复杂，这个功能很重要。
在图1中比较了四种并联混合动力系统的具体构造。在(a)方案中，由于离合器无法完全分离，当车辆制动时无法回收最大的制动能量。(b)方案中，由于机械构造复杂，无法在客车上实现。而在方案(d)中由于传动装置不能放大转速和转矩，电机的转速和转矩均低于其他三种方案，也不可行。以此来看，方案(c)最为合适，这个方案有很多原型，比如沃尔沃和伊顿。
图1：并联混合动力汽车的构造
表1：并联混合动力系统的对比
图1所示的并联混合动力系统结构[5][6]的机械结构仍有些复杂，阻碍了它混合拓扑的应用。如图2所示，结合串联动力系统进行了改进，在发电机和电动机之间增加了离合器，发动机可以在合适的速度范围间驱动车辆，整体效率可以得到提高。此混合动力系统也有广泛应用，如金龙客车的混合动力系统[7]。
图2：混联动力系统的构造
一直以来，混合动力系统的设计往往集中在控制策略的开发[8][9]。实际上，参数设计和控制策略一样起着重要的作用。混合动力系统的参数不仅包括蓄电池和电动机的参数，如发动机和电动机的额定功率和电动机的最大转矩，而且还包括主减速比和传动比。根据车辆动力学理论，传动比不仅属于传统车辆的优化工作，还影响制动能量的回收。电动机和蓄电池的参数用混合动力汽车模型来解决，例如应用再生模型来研究电动机功率的影响。
本文试图给出一种解决并联混合动力汽车参数匹配问题的方法，其中以城市公交车为原型。通过对混合动力汽车模型的详细说明，介绍了城市客车的要求和限制，全面描述了参数匹配过程，深入分析了各参数的影响，并简要介绍了本文所采用的混合动力汽车控制策略。
2 混合动力系统的运行模式
并联混合动力汽车的运行模式如下：
1）纯电动模式：常规客车通常利用 AT 中的离合器或液力偶合器的滑移效应从 0 加速到一定的速度，但混合动力系统客车只有在速度大于怠速时才由电动机驱动，从而避免了低效的滑移过程。
2）电动机助力模式：当驾驶员完全按下油门踏板时，电动机将协助发动机减轻柴油机的负担，使柴油机在低负荷区运转，提高燃油经济性。
3）纯发动机模式：在中高速时，变速器往往换到高速挡位和高效率挡位上，仅有发动机工作来驱动汽车。此时即使蓄电池的电量足够，电动机也不会工作，当蓄电池电量过低时，发动机还可以提供额外动力给它充电。
4）制动能量再生：当踩下制动踏板时，电动机会变为发电机为蓄电池充电，电动机的功率越大，回收的制动能量越多。
图3：混合动力汽车的工作模式
图3中表示了典型的混合动力驱动模式，在实际道路上，电动模式的行驶距离可能很长，而纯发动机模式的行驶距离可能很短，因为城市循环中的最大行驶速度低于 50 公里/小时。在电动汽车中，电池能量消耗大，循环次数增加，并通过再生制动得到补充，但在低速和再生制动条件下可能会导致电池过度放电，同时应避免使用发动机直接对蓄电池进行充电，此时的能源利用率极低。这意味着柴油机应该尽量缩小规模来避免对蓄电池充电，由此可得参数匹配的两个注意点：1）电动机的设计应满足车辆驾驶性能同时尽可能进行制动能量回收。2）发动机的功率可以满足车辆在仅有发动机驱动时的动力要求。
3 发动机参数的匹配
柴油机是客车的主要动力来源。通常情况下发动机功率应满足最高车速下的功率要求。高速行驶时为了克服路面不平带来的问题，动力因数应大于0.04.
3.1发动机功率的确定
车辆的功率是根据
(1)
计算得出。其中的单位为km/h，M为客车质量单位为kg，g取9.8，A是车辆的迎风面积，是风阻系数，f0和f1为滚动阻力系数。在公式1中用到的参数均在表2中给出。
表2：客车部分原始参数
符号 数值 单位
汽车质量 M 16000 kg
风阻系数 Cd 0.65
迎风面积 A 7.2 m2
重力加速度 g 9.8 ms-2
动力系统效率 eta; 0.9
f0 0.078
f1 0.000056
功率与速度的关系如图4所示。
根据国家标准，大多城市立交桥的坡度在4%左右。城市公交车的最大车速不超过50km/h，爬升立交桥的速度一般为30至40 km/h。考虑乘客和货物的重量，当车速小于100km/h时车辆的总重为16000kg，阻力功率小于132kw，与坡度5%车速为44km/h的客车相同。通常有20—25kw的其他部件，如空调、风扇等。所以发动机的功率应在150kw以上，也就是240马力。玉柴公司的j系列发动机功率在180到245马力之间，选用了200马力的发动机。
图4：恒定速度下阻力功率和速度的关系
3.2平均驱动功率
我们要考虑的是，发动机平均牵引力需要克服城市道路的阻力，注意城市工况会有许多停停走走的情况。否则蓄电池会无法进行制动能量的回收，甚至无法避免充电驱动。
平均驱动功率可根据 (2) 来计算，
(2)
其中sigma;是将惯性转换为牵引力的等效因子，其他参数与（1）相同。平均功率和平均速度密切相关，但比上一节选择的发动机功率要小得多。由此设计的发动机功率可以满足城市循环工况的要求。
3.3发动机转矩
如果电池或电动机出现故障，也应考虑纯发动机驱动的动态特性。表示爬坡能力和加速性能的动力因数为：
(3)
TICE为发动机的最大扭矩，TACC为附件扭矩，这种情况下为70N∙m，r是车轮半径，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比。变速箱和主减速器的设计将在后面讨论，但对于城市客车，通常将最高挡位传动比为1，将最低挡位传动比设置为6至7，主减速器的传动比通常为5至6，并且车轮半径通常为0.5米。200马力柴油发动机的最大扭矩大于730 N∙m，一档的动力因数如图5所示，其中ig为6，i0为5。D大于20％，这意味着发动机的动力性能符合需求。
图5：200马力柴油机一档动力因数
4 电机参数匹配
电动机的主要作用是在驾驶员完全踩下踏板的情况下协助发动机将车辆推进至一定速度，并在制动时产生电能给电池充电。典型的电动机特性如图6所示。 它由转矩恒定范围和功率恒定范围组成。在纯电动机驱动期间，发动机将在恒定扭矩范围内工作。 因此，最大扭矩由动态因数决定；最大功率由制动时所能回收的能量决定。为了实现可持续驱动，应保持电力平衡。
图6：电动机特性图
4.1再生评估
车辆制动时，电动机将产生最大负转矩来给蓄电池充电。制动力可以由下式表示：
(4)
其中Tbrake是总制动力，Twheel是制动盘的制动力，Tm是电动机的负转矩。为了得到最大的制动回收能量Twheel设为0，故原式可写为：
(5)
总电能为：
电机和蓄电池的效率均为90% 。再生率为衡量功率和转速如何影响制动器恢复的指标，反映了从一定速度降至0过程中再生能量与动力的关系。
图7：不同电机转矩下的速度曲线
图7是45km/h时的再生制动仿真结果，在仿真过程中，通常选择最高档位或第二最高档位为一个固定挡位；最终减速比设定为5。更改最大电机负转矩和转速来计算再生率。首先将电机的基础转速设为1400r/min，然后将电机转矩以100N∙m为步长增加，结果在表3中。
表3：不同最大再生扭矩下的再生率
从表中可看出负转矩越大，回收的能量越多，制动距离和制动时间越短。当扭矩从0增加到-400 N·m时，从0增加到46.8％，但是当扭矩继续增加到minus;600 N·m时，仅添加了10.16％的再生率。因此，在电动机成本允许的情况下，电动机负转矩应为-400N∙m至-600N∙m。
将扭矩设置为-400N∙m，选择ig为1，电动机转速约为1200 r / min和ig为1.5的第二档，电动机转速为1790 r / min的两组数据。这两种传动比的仿真结果如图8所示。当ig为1.5转速为1790 r / min时，nb越高，再生率越大。这是因为当转速较高时，电动机的最大负转矩会受到更大的影响。但是，如果ig为1.5，初始速度为1200 r / min时，当nb大于初始速度，则再生率不会增加。实际上，城市公交车的驾驶员倾向于改变较高的档位以降低发动机转速并进一步降低燃油消耗。对于城市公交车来说，更大范围的恒定功率有利于再生制动。从这个角度来看，电机基本转速不应高于1200 r / min。
图8：不同基速下的再生率
4.2动力学评估
电动机扭矩设计应满足纯电动机驱动要求，并在驾驶员完全踩下踏板时与发动机共同工作。动力因数D由下式来计算：
(8)
其中驱动转矩仅为电动机转矩，动力因数与电机转速的关系如图9所示，可看出在转速范围内，动力因数最小的是转矩为300N∙m的电机。
由于电动机只会驱动汽车至一定速度，此时电机转速大于空转速度，因此纯电动模式并不会过多使用。加速时间并非主要由电动机决定，而是由电动机和发动机共同作用动机共同作用。图10所示的总转矩曲线比仅电动机工作的1/3或仅发动机工作的1/3大得多，因此与传统的公交车相比，混合动力汽车的动力学性能更为优越。
图9：不同最大转矩的电机动力因数
图10动力总成的转矩与动力因数关系图
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