摘 要：在分析里程延長式電動客車基本構型的基礎上， 設計了一種基于城市道路循環工況功率需求的電動客車動力系統匹配方法，對客車動力系統各部件進行匹配計算和優化選型。在建立整車的仿真模型的基礎上，對里程延長式電動客車續駛里程及動力性和經濟性進行了仿真分析。仿真結果表明，經過匹配計算和選型后的里程延長式電動客車，達到了設計目標中的純電動續駛里程及動力性的要求，在考慮純電動節油的條件下，客車油耗降低了 48.5%。
1.引言
隨著汽車保有量的逐年遞增，所帶來的能源和環境保護問題越來越得到人們的關注。與傳統燃油客車輛相比，電動客車在擺脫了對石油儲量的依賴，能量運用更為高效的同時， 降低了使用成本,并減少了對環境的污染[1-2]。但目前電動客車尚不如內燃機客車技術完善，主要問題在于動力電源(電池)的壽命短，使用成本高。電池的儲能量小，一次充電后行駛里程不理想等。為此，可通過增加車載發電系統形成里程延長式電動客車來解決以上問題。
里程延長式電動客車(Range Extended ElectricBus, REEB)按道路行駛工況平均需求功率來選擇內燃機高效工作區，此時處于油耗低、污染少的最優工況下工作。由于內燃機可持續工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通客車一樣。因為有了電池，可以十分方便地回收制動、下坡、怠速時的能量。有了內燃機可以十分方便地解決耗能大的空調、取暖、除霜等純電動客車遇到的難題。同時可讓電池保持在良好的工作狀態，不發生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。因此非常適合應用在城市公交客車。本文針對一款里程延長式城市電動客車的設計目標，在構型分析的基礎上，設計了一種基于道路工況功率需求的動力系統匹配方法，在建立整車模型的基礎上，對系統進行性能的仿真分析。
2.里程延長式電動客車構型分析
里程延長式電動客車是在傳統電動汽車構型的基礎上，采用原動機和發電機構成的輔助功率單元(Auxiliary Power Unit, APU )，來彌補動力電池存儲能量少而帶來的不足，達到增加電驅動車輛行駛里程的目的。其結構與串聯混合動力結構基本一致，特點是具有兩種或多種能量存儲轉換裝置將能源轉化為電能給電機驅動車輛運行，結構簡單，易于實現。適合長期處于較低速低負荷或變化頻繁的工況(如擁擠的城市路況等)[3-4]。里程延長式電動客車動力系統構型如圖 1 所示，主要由驅動電機、動力電池和輔助功率單元三部分構成。
發電機輸出的電能和動力電池儲存的電能可以分別或進行混合后為驅動電機提供能量。系統通過發電機—電機實現了能量的機械—電—機械的轉換，將傳統汽車機械耦合傳動變成了通過電纜進行的電傳動，發動機與車輛完全機械解耦，其運行工況不受汽車行駛工況的影響，可以始終控制在最佳的工作區內穩定運行[5]。
3.系統匹配與部件選型
本文通過分析道路工況功率需求分析，對里程延長式電動客車動力系統進行了匹配計算及部件選型，其技術路線如圖 2 所示。系統匹配及選型過程中， 首先通過分析道路工況，得到在此工況下整車的功率需求，從而決定對整車動力源的功率要求，由于所設計的里程延長式電動客車為電驅動平臺汽車，得到整車功率需求即可確定牽引電機的功率，通過車輛的加速及爬坡度的計算，可得到牽引電機的最大轉矩及變速箱(減速器)的速比。 按照續駛里程的要求，可計算得到動力電池的容量參數。根據道路工況，確定輔助功率單元的平均功率后，可通過建立原動機高效區、發電機高效區及電池電壓的參數關系，對輔助功率單元進行匹配和選型。
3.1 道路工況及整車性能參數分析
車輛性能要求主要取決于運行狀態，因此設計時需要考慮循環工況和道路要求。圖 3 為具有中國典型性的城市公交車運行工況曲線。
由分析可知， 城區工況總運行時間 1304s， 行駛里程 5.840km。城區工況中最高車速為 60km/h，平均速度為 22.6km/h (除去怠速后的統計， 怠速比為 28.8%) 。在設計時，需要考慮汽車行駛的公路及車庫內通車道的條件。本文參考文獻[6]對中國各級公路主要技術指標、車庫內通車道的最大坡度數據，設計里程延長式電動客車的設計目標如表 1 所示。
3.2 牽引電機的選型
本文計算過程認為理想的道路負載特性，即：空氣絕對速度為零、良好的水泥路面。里程延長式電動客車在道路上行駛，牽引電機需要克服行駛阻力(Ft)，包括滾動阻力(Ff)、空氣阻力(Fw)、坡度阻力(Fi)和加速阻力(Fj)：
本文以客車平均速度 10km/h 在爬坡度為 22%的道路上運行作為確定牽引電機最大功率的重要參考量;而以客車最高設計速度在平坦道路上運行作為確定牽引電機額定功率的重要參考，由圖 4 和圖 5 可以確定牽引電機在此條件下運行功率為：
3.3 動力電池的選型
動力電池電壓要和電動汽車的電壓等級和變化范圍一致;容量要滿足電動汽車在運行過程中對能量的要求;最大充電功率和放電功率要滿足發電機和牽引電機的功率要求。考慮到所選牽引電機外電壓，本文選擇電池端電壓為 380V，總線電壓變化范圍為 360～410V。電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時的最大輸出功率和消耗的能量，以保證混合動力電動汽車動力性和續駛里程的要求。結合整車純電動續駛里程指標計算所需動力電池的容量。為避免電池過度放電，本文參考文獻[7]的計算，純電動續駛里程以電池容量的 70%來計算。
根據我國頒布的 GB/T18386-2001《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》中的要求，并結合參考文獻[7]的計算。 在設計續駛里程 50km 以上的情況下，選擇以 60km/h 等速運行時所需電池容量作為電池容量要求，考慮電池的衰減，選擇電池容量為有效安時132Ah。
3.4 APU 的選型
根據來自電動機的功率需求， 對 APU 系統的功率基本要求為：在中國城區工況的平均功率的基礎上，附加 10kW 左右的空調、轉向等輔件功率作為系統的平均功率， 考慮到系統效率后的平均功率作為 APU 系統的額定功率。
由式(1)～式(7)可以計算得到城區工況平均功率為 34.3kW，若考慮牽引電機平均效率為 0.85，則對于城 區 工 況APU輸 出 功 率 應 不 小 于34.3kW/0.85=40.5kW。為此，在 APU 的設計中，本文選用了某公司生產的 1.9L 柴油發動機作為 APU 的原動機，其特性曲線如圖 6 所示，可以看到，該發動機的高效區在 1800～2800rpm 之間，最大扭矩點 2200r/min 功率為 54kW，可以滿足系統對 APU 需求功率的要求。APU設計中的發電機采用最高效率可達90%以上的永磁同步電機，本文選用的發電機效率曲線如圖 7所示。由圖 6 和圖 7 可以看出，在發動機高效工作的區域，發電機的效率也達到了 90%，基本實現了系統的高效工作區匹配。
4.整車性能仿真
為了驗證所設計的里程延長式電動客車滿足系統設計要求，本文在 Matlab/Simulink 中建立了整車仿真模型。所建模型如圖 8 所示，主要可分為駕駛員模型、輔助功率單元 APU 模型、驅動電機模型、動力電池模型、變速器模型、整車及控制器模型等。為了保證仿真模型的真實性，各關鍵零部件模型均采用臺架試驗所得數據建立的 MAP 圖， 仿真所用循環工況則選擇中國城市公交典型工況。
在所建立仿真模型的基礎上，進行了整車續駛里程性能仿真，其中 SOC 初始值為 0.9，SOC 終止值為0.2。結果如表 5 所示。由表 5 可見，所設計的里程延長式電動客車在空載條件下滿足勻速 60km/h 續駛里程大于 50km 的設計要求。
由表 7 可以看出，里程延長式電動客車在使用外接充電的條件下。SOC 初始值為 0.9，SOC 最終維持在 0.3 附近，純電動續駛里程電耗為 42.31kWh，油耗為 39L，與傳統燃油車相比，在考慮純電動節油的條件下，油耗降低了 48.5%，滿足了設計目標中燃油經濟性降幅大于 40%的要求。
里程延長式電動客車與傳統燃油客車的發動機工作點分布比較如圖 9 所示。由圖 9 可以看出，由于可外接充電以及 APU 工作時改變了發動機的工作點， 因此所設計的里程延長式電動客車具有較理想的燃油經濟性。
5.結論
1) 在分析里程延長式電動客車構型及道路工況功率需求的基礎上，提出一種基于中國城市公交道路工況的增程式電動客車匹配方法，通過設計參數匹配及選型方案，實現了牽引電機功率、動力電池容量、柴油發動機及永磁同步發電機高效工作區等參數匹配和部件的選型;
2) 在建立系統仿真模型的基礎上，分別對系統的純電動續駛里程、動力性和經濟性進行仿真。仿真結果標明，在本文所設計的匹配方法下，里程延長式電動客車在滿足設計目標要求的續駛里程、動力性的條件下，考慮純電動節油時，油耗降低了 48.5%。
參考文獻
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