油電混合商用車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計研究及應(yīng)用

徐世福 梁帥 孫哲 靳永剛

（1. 陜西保利特種車制造有限公司 西安710200; 2. 陜汽集團商用車有限公司 寶雞722405）

主題詞：HEV 驅(qū)動電機 動力電池 自動變速器 分動器 整車控制器

縮略語

1 前言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對環(huán)境保護的意識日益提高。隨著汽車網(wǎng)聯(lián)化、智能化、電動化和共享化發(fā)展，對車輛智能化的要求和對車輛經(jīng)濟性要求相應(yīng)提高。尤其是由于一些特殊作業(yè)的需求，對車輛電力需求的加大，油電混合動力商用車可以很好地滿足這些需求，混合動力商用車具有動力性好、排放低、油耗低、無需外部充電、無需建基礎(chǔ)設(shè)施、自充電、自備移動電源和燃油經(jīng)濟性好的特點，車輛起步、加速由電機輔助驅(qū)動，也可由電池供電，實現(xiàn)電機單獨驅(qū)動，從而使車輛實現(xiàn)排放低、動力性強和噪音低。發(fā)展混合動力汽車技術(shù)是商用車實現(xiàn)低碳化的重要技術(shù)方向之一。

2 油電混合商用車動力系統(tǒng)匹配

2.1 油電混合動力商用車基本參數(shù)及設(shè)計要求

油電混合動力（HEV）系統(tǒng)主要由發(fā)動機、自動離合器、發(fā)電驅(qū)動一體電機組（ISG）、自動變速器（AMT）、驅(qū)動橋、磷酸鐵鋰動力電池和電池控制器構(gòu)成，混合動力系統(tǒng)構(gòu)架見圖1，整車基本參數(shù)見表1。兩套動力總成系統(tǒng)可以分別獨立地驅(qū)動汽車，動力可以互相疊加輸出，也可以單獨輸出驅(qū)動。

圖1 油電混合商用車動力系統(tǒng)構(gòu)架

表1 油電混合商用車整車基本性能及設(shè)計參數(shù)

2.2 發(fā)動機的匹配計算

油電混合動力系統(tǒng)中的發(fā)動機決定著整車動力性能和經(jīng)濟性能。根據(jù)商用車的最高車速、最大爬坡度及最大加速度要求選擇發(fā)動機。

2.2.1 滿足最高車速的功率需求

油電混合動力商用車最高車速持續(xù)正常運行最高功率為：

式中，P為最高車速時消耗的功率；為最高車速；為整車總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動系統(tǒng)總效率。

當(dāng)以最高車速100 km/h行駛時，通過計算得到所需的最大功率為160 kW。

2.2.2 滿足最大爬坡能力的功率需求

車輛最大爬坡度下需要的最大功率為：

式中，P為最大功率；為坡度角；為最低速度。

當(dāng)以車速大于10 km/h（坡度60%）行駛時，通過計算得到所需要的功率為255 kW。

2.2.3 滿足加速時間要求的功率需求

從0～50 km/h的功率需求為：

式中，P為滾動阻力功率；P為空氣阻力功率；P為加速阻力功率；為車速；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；d/d為加速度。

2.2.4 計算結(jié)果

當(dāng)車輛從0加速到50 km/h，通過計算得到所需的功率為200 kW。

根據(jù)整車性能設(shè)計要求，選擇發(fā)動機功率取最大值，即：

發(fā)動機的基本參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機基本參數(shù)

為了滿足整車性能要求，同時考慮到商用混合動力車附加功率需求，主要包括電動轉(zhuǎn)向泵功率、電動氣泵功率、AMT 電動換擋機功率、空調(diào)壓縮機功率后的整車總功率需求是298 kW。

2.3 驅(qū)動電機的匹配計算

永磁同步驅(qū)動電機具有效率高、節(jié)能性好、轉(zhuǎn)矩大、駐坡啟動比較容易、平滑調(diào)速、操作平穩(wěn)、體積小和重量輕、功率密度高、維修簡單的特性，因此永磁同步電機是驅(qū)動電機的最佳方案。

驅(qū)動電機決定著整車動力性能和經(jīng)濟性能。經(jīng)濟車速、最大爬坡度和最大加速度是選擇驅(qū)動電機主要影響因素?；旌蟿恿ι逃密嚥捎冒l(fā)動機與驅(qū)動電機共同驅(qū)動車輛的方案，發(fā)動機與驅(qū)動電機各自發(fā)揮自己的特長，同時又共同滿足車輛總的性能要求。發(fā)動機至少要補充51 kW 的功率才可以滿足車輛最大爬坡度的要求，驅(qū)動電機還要滿足純電驅(qū)動下最少行駛80 km的設(shè)計要求。

2.3.1 滿足車輛勻速行駛能力的功率需求

車輛以50 km/h勻速行駛時驅(qū)動電機的功率為：

式中，P為勻速功率；V為勻速車速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動總效率。

通過計算得到，車輛50 km/h 勻速行駛時驅(qū)動電機所需的功率為53 kW。

2.3.2 驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩需求

根據(jù)車輛設(shè)計要求驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩為：

式中，為驅(qū)動電機最大扭矩，R為輪胎滾動半徑，為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；為最大傳動比；η為傳動總效率。

當(dāng)以滿載行駛時，驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩需要936 N·m。綜合考慮附件對功率的需求，額定功率確定為80 kW。

驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速為：

式中，為驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速；為最高車速；為最小傳動比，為滾動半徑。

通過計算可知驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。

根據(jù)車輛設(shè)計要求，驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速為：

式中，為弱磁倍率，取值范圍為1.2 ～ 3.5，本方案取2.15；n為額定轉(zhuǎn)速；n為峰值轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩為：

式中，T峰值轉(zhuǎn)矩；P為峰值功率；n為額定轉(zhuǎn)速。

由公式（8）和（9）及最大功率數(shù)據(jù)，求得驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩≥1 273 N·m。

根據(jù)計算及設(shè)計要求選擇驅(qū)動電機參數(shù)見表3。

表3 驅(qū)動電機基本參數(shù)

2.4 AMT參數(shù)匹配

油電混合動力商用車變速器采用AMT，可以滿足車輛低速爬坡、最高車速、經(jīng)濟高效區(qū)域運行的要求。采用永磁同步驅(qū)動電機與AMT 構(gòu)成總成的傳動方案,使車輛動力性強、可靠性高、電耗低，并且安全性得到顯著的提升，車輛起步平穩(wěn)、速比范圍廣、爬坡能力強，使車輛可以適應(yīng)不同車速、不同工況的要求。由于匹配AMT,駕駛員操作簡單、換擋變速快速準確，能夠較大提升車輛的駕駛舒適性和運營效益，車輛具備限速、限扭功能，提高車輛安全性，具備發(fā)動機保護、故障診斷和離合器保護功能，6擋AMT 目前是行業(yè)主流、成熟和可靠性好的自動變速器，使用范圍廣，可以滿足經(jīng)濟性、低擋良好爬坡性和高擋高速性的要求，所以選擇6擋AMT 是本項目商用車最佳方案。

最大傳動比主要是由最大爬坡度、地面附著率和最低穩(wěn)定車速共同決定。最大傳動比之和為：

式中：Σ總傳動比；η為傳動效率；T為最大轉(zhuǎn)矩。

通過計算可知：≤5.495，≥2.541，確定總傳動比Σ=26。i為最大速比；i為主減速比；主減速器的傳動比為i=6.733，AMT 速比i=3.86，AMT 基本參數(shù)見表4。

表4 AMT基本參數(shù)

2.5 自動離合器的參數(shù)匹配

自動離合器可以實現(xiàn)發(fā)動機與ISG電機的動力斷開與連接，實現(xiàn)動力自由切換的功能。該離合器從動盤采用先進的5 彈簧減振器設(shè)計，這樣的設(shè)計使離合器剛度低，扭轉(zhuǎn)角度大，減振性能更優(yōu)（表5）。蓋總成內(nèi)置自調(diào)節(jié)機構(gòu)，自動提供磨損補償，從而可以延長離合器使用壽命。離合器產(chǎn)品采用高強度沖壓件作為離合器蓋板，采用可靠的膜片彈簧設(shè)計，采用高性能摩擦材料以及先進的減振器結(jié)構(gòu)，保證了產(chǎn)品性能和可靠性。

表5 自動離合器速基本參數(shù)

2.6 分動器的參數(shù)匹配

分動器主要作用是將AMT 輸出的動力分配到不同的驅(qū)動橋，達到輸出驅(qū)動力的目的。根據(jù)整車橋荷承載扭矩、軸荷承受扭矩和不同工況來確定分動器基本參數(shù)（表6）。

表6 分動器基本參數(shù)

3 動力電池的參數(shù)匹配

磷酸鐵鋰電池具有電壓高、密度大、循環(huán)次數(shù)高、安全性高、自放電率小的特點。選取的動力電池組參數(shù)和性能對車輛動力性和續(xù)駛里程影響非常大。動力電池組的主要參數(shù)有電壓等級、額定容量、充放電倍率和溫度使用范圍參數(shù)，其數(shù)值的確定取決于電池的功率因素和能量因素,在選定動力電池組的高壓平臺等級時,不僅要兼顧電機和其它輔助電器件的電壓范圍相一致，還要保證動力電池組的放電功率能夠達到驅(qū)動電機工作時所需功率的要求，還要滿足車輛設(shè)定的續(xù)駛里程需求。

3.1 動力電池組容量計算

動力電池組的容量需要綜合考慮車輛設(shè)定的行駛里程需要消耗的能量，比功率、比能量、能量效率、自放電水平和循環(huán)壽命是選擇動力電池的重要參數(shù)。

一般情況下先按照車輛以50 km/h速度勻速行駛80 km 工況下整車消耗的能量來確定，此時整車的功率需求為：

式中，=50 km/h。

根據(jù)整車其它參數(shù)，獲得整車功率需求=53 kW。

動力電池組能量為：

式中，W為動力電池組實際續(xù)航能量；為續(xù)駛里程；為續(xù)駛時間；

由式（12）計算得出W=91.3 kW·h；

式中，W按照消耗的電量20%計算；ξ為有效放電容量系數(shù)，按照0.8計算。

通過計算可得W=28 kW·h；

式中，W為電池組總能量；為電池組電壓；為電池組容量。

計算可知電池容量=275 A·h。

3.2 動力電池組數(shù)目選擇

根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)和特點，動力電池組一般都是由眾多單體電芯通過串、并聯(lián)組合的方式組成，成組后滿足續(xù)駛里程時的能量為：

式中，為電池單體個數(shù)；為單體電池工作電壓；為單體電池容量；η為電池組平均放電率。

動力電池的基本參數(shù)見表7。

表7 磷酸鐵鋰動力電池基本參數(shù)

4 整車控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計及參數(shù)匹配

4.1 整車控制器系統(tǒng)參數(shù)匹配

整車一體化控制器系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的駕駛意圖、車輛行駛狀態(tài)和整車零部件（包含AMT 自動變速箱、驅(qū)動電機、動力電池等）的運行狀態(tài)，來實現(xiàn)車輛的自動起步、自動換擋和決定驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩輸出、高壓電的閉合和斷開、驅(qū)動電機啟動或者停機狀態(tài)。整車控制器系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機驅(qū)動控制器、TCU、動力電池控制控制器等共9 項控制子系統(tǒng)（圖2），實現(xiàn)電驅(qū)動、變速器、動力電池、電動轉(zhuǎn)向助力油泵驅(qū)動、電動氣泵驅(qū)動、DC/DC、絕緣監(jiān)測儀、電動空調(diào)壓縮機和高壓倉（快充、電加熱、上裝的高壓配電）功能。

圖2 整車控制系統(tǒng)構(gòu)架

4.1.1 ISG電機控制器電氣參數(shù)

ISG電機控制器通過控制ISG電機的啟動、停止、加速、減速、制動來實現(xiàn)對車輛的動力輸出，根據(jù)ISG電機以及平臺電壓要求確定ISG電機控制器的技術(shù)參數(shù)，如表8所示。

表8 ISG電機控制器電氣參數(shù)

4.1.2 電動轉(zhuǎn)向泵控制器電氣參數(shù)

電動轉(zhuǎn)向泵控制器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成部分，通過電機控制器控制車輛的轉(zhuǎn)向泵，按駕駛員意圖控制車輛行駛方向，同時確保轉(zhuǎn)向的靈活性、操控性、穩(wěn)定性和舒適性。根據(jù)車輛總質(zhì)量以及平臺電壓確定電動轉(zhuǎn)向泵控制器的技術(shù)參數(shù)，如表9所示。

表9 電動轉(zhuǎn)向泵控制器電氣參數(shù)

4.1.3 電動空壓機控制器電氣參數(shù)

電動空壓機控制器是通過變頻控制空氣壓縮機來實現(xiàn)給車輛提供制動以及控制部件的氣源。根據(jù)儲氣筒氣壓以及平臺電壓確定電動空壓機控制器的技術(shù)參數(shù)，如表10所示。

表10 電動空壓機控制器電氣參數(shù)

4.1.4 DC/DC電氣參數(shù)

DC/DC變換器由功率模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊3個部分組成，功能是為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)和其它輔助設(shè)備提供所需的電源。根據(jù)車輛負載部件的電壓需求和平臺電壓確定DC/DC變換器的技術(shù)參數(shù)，如表11所示。

表11 DC/DC電氣參數(shù)

4.2 AMT控制器電氣參數(shù)

AMT 自動變速器控制器（Transmission Control Unit，TCU）接受到整車控制器的信號，通過轉(zhuǎn)換輸出信號，通過AMT 換擋電機實現(xiàn)選擋、離合器分離和結(jié)合進行聯(lián)合操縱，驅(qū)動換擋撥叉實現(xiàn)不同工況、不同車速下的自動換擋目的。AMT 系統(tǒng)主要包括傳感器、TCU、自動離合控制、選檔、換擋機構(gòu)以及顯示設(shè)備（圖3），AMT 自動變速器控制器（TCU）電氣參數(shù)見表12。傳感器測試到速度、位移、溫度參數(shù)，轉(zhuǎn)換成信號快速傳遞給TCU，TCU 根據(jù)信號實現(xiàn)自動換擋動作。然后將計算出的結(jié)果以命令的形式發(fā)送給各執(zhí)行機構(gòu)，發(fā)出動作命令。TCU 控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)模塊、電機驅(qū)動模塊、CAN 通訊模塊和電源模塊。減速機構(gòu)采用二級齒輪減速裝置，運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)采用具有自鎖功能的螺旋裝置。換擋力在100 N至200 N之間，取最大換擋力為200 N進行計算，結(jié)合實際情況選擇永磁直流電機作為執(zhí)行電機。AMT 自動變速器控制器技術(shù)參數(shù)，如表12所示。

表12 AMT自動變速器控制器（TCU）電氣參數(shù)

圖3 AMT 系統(tǒng)的構(gòu)架及策略

4.3 動力電池控制器電氣參數(shù)

動力電池控制器通過控制動力電池，對動力電池進行系統(tǒng)管理及故障監(jiān)測，最終轉(zhuǎn)換輸出不同的電壓電流，將滿足不同的系統(tǒng)的要求，動力電池控制器參數(shù)見表13。

表13 動力電池控制器參數(shù)

4.4 整車主要系統(tǒng)及控制器平臺電壓匹配

根據(jù)設(shè)計選擇驅(qū)動電機的直流電壓平臺為540 V，電壓平臺電壓范圍為420～650 V，驅(qū)動控制器額定電壓為540 V，電壓范圍為330～750 V，磷酸鐵鋰動力電池標準電壓為540 V，DC/DC 電氣輸入/輸出直流標準電壓為540/12 V，電動空壓機控制器直流額定電壓為540 V，電動轉(zhuǎn)向泵控制器直流額定電壓為540 V，AMT自動變速器控制直流額定電壓為24 V，電壓范圍為16～32 V，動力電池控制器直流電壓為24 V，電壓范圍為16～32 V，驅(qū)動電機控制器滿足驅(qū)動電機的使用設(shè)計要求，磷酸鐵鋰動力電池電壓滿足驅(qū)動電機的電壓要求，電動空壓機、電動轉(zhuǎn)向泵電壓需求分別滿足控制器電壓使用設(shè)計要求，AMT自動變速器、動力電池電壓需求分別滿足控制器電壓使用設(shè)計要求，DC/DC電氣輸出標準電壓滿足整車其它系統(tǒng)取電需求。

5 試驗驗證

關(guān)于多工況油耗量的計算中采用的我國頒布的重型商用車瞬態(tài)循環(huán)工況，即C-WTVC 循環(huán)工況（GB/T 27840—2021），如圖4所示。

圖4 C-WTVC 循環(huán)工況[22]

試驗樣車進行C-WTVC 循環(huán)工況下續(xù)駛里程測試，基本性能情況如表14所示。

表14 車輛性能設(shè)計與試驗對比

通過樣車試驗結(jié)果可知：實際驗證的商用車的各項指標已經(jīng)達到設(shè)計值，車輛的最高車速、最大爬坡度、加速時間指標都可以優(yōu)于理論設(shè)計值，超過了車輛開發(fā)的目標值，純電10 km/h 爬坡度與理論設(shè)計值持平，純電動續(xù)駛里程試驗值低于理論設(shè)計值，設(shè)計值與試驗值重合度基本控制在3%范圍以內(nèi)，所有的指標滿足車輛的使用要求，整車可靠性、經(jīng)濟性、動力性、安全性、穩(wěn)定性都處于良好的水平，總體設(shè)計指標與性能滿足使用要求。

6 結(jié)論

文章針對油電混合商用車使用要求，對油電混合商用車動力傳動系統(tǒng)進行匹配設(shè)計。依據(jù)車輛性能設(shè)計要求以及工況使用要求，對發(fā)動機、驅(qū)動電機、AMT、分動器、動力電池、驅(qū)動橋進行匹配設(shè)計。為提升油電混合商用車的動力性和續(xù)駛里程，進行了驅(qū)動電機與AMT組合的動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化，提高了整車經(jīng)濟性。整車具備噪聲低、可靠性高、舒適性好、動力強勁、經(jīng)濟性好的優(yōu)勢，采用低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速電機，拓寬電機高效區(qū)，有效提高最大爬坡度，動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、保養(yǎng)維護容易、維護時間短、維護成本低。