摘要：参考北京市某新能源公交车原型数据，阐述了串联混合电动公交车动力系统的设计过程和评估方法，重点分析各部件的性能指标选择，包括牵引电机功率和转速、辅助功率单元功率、动力电池组容量和功率以及传动系减速比。其中，探索了感应牵引电机基速和传动系减速比选择的分析方法。通过Advisor2002 仿真软件，评估串联混合电动公交车动力系统设计的性能指标，为整车设计提供了参考依据。在整车性能评估中，车辆的动力性和经济性是一对矛盾。因此，对于串联混合电动公交车设计而言，根据不同的城市道路工况，在低排放前提下，优化车辆动力系统的动力性和经济性。
关键词：汽车工程 串联混合电动车辆 公共交通车辆 动力系统仿真
1 前言
在大城市，诸如北京市，有上万辆的传统燃油公交车低速高负荷运转，低效率，尾气排放严重威胁城市居民的生存空间。国外实践证明，串联混合电动车辆是一种适合城市公交运行的清洁节能新型动力车辆，能够有效降低城市公交车尾气排放，以及提高燃油经济性[1－2]。
新能源动力系统是串联混合电动公交车区别于传统燃油公交车的核心，它包括牵引电机、动力电池组、辅助功率单元（APU）和传动系等部件。动力系统每个部件的性能指标确定及其优化匹配，影响串联混合电动公交车的动力性和经济性。为此，有必要系统阐述串联混合电动公交车动力系统设计与评估。Ehsani 等[3]从车辆的加速特性分析了混合电动车辆牵引电机的功率需求下限，Doerffel [4]应用Advisor2002 评价了一辆基于有刷直流电机和锂电池动力系统的微型串联混合电动轿车的性能，在确定APU 功率指标时，忽略了牵引电机效率。参考北京市某新能源公交车原型数据，作者设计与评估了一辆基于感应牵引电机的串联混合电动公交车的动力系统，混合电动公交车的基本性能数据如表1 所示。
表1 混合电动公交车基本设计指标
项目 指标
最高车速（km/h） 60
0－50km/h 加速时间（s） 40
最大爬坡度 20%
续驶里程（km） 300
纯电动模式续驶里程（km） 60
2 零部件性能指标计算
2.1 公交车基本数据与计算
混合电动公交车的基本参数如表2。考虑理想的道路负载特性：①滚动阻力系数f 为常数，②空气绝对速度为零，③良好的水泥路面， 讨论车辆行驶性能计算[5]。这样，车辆在不同坡道上匀速行驶时，牵引装置的功率需求如图1 所示。
表2 混合电动公交车基本参数表
项目 数据
车辆总质量（kg） 16795
迎风面积（m2） 6.50
滚动阻力系数 0.012
空气阻力系数 0.65
空气密度（kg/m3） 1.23
总机械系统传动效率 0.90
车轮半径（m） 0.501
图1 六种不同道路坡度条件下牵引电机功率与车辆匀速行驶速度之间的关系
2.2 牵引电机主要参数选择
2.2.1 功率估算
北京城市公交车的平均运行速度15～30km/h，道路坡度不大于12%，因此以车辆平均速度15km/h 在12%的道路上持续运行作为确定牵引电机额定功率的重要参考量。根据图1d)，牵引电机持续运行功率选择为100kW。在减速比满足条件下，该牵引电机功率完全满足车辆在水平道路上以80km/h 高速运行时80kW 的功率需求（如图1a）所示）。
将图1b)的坡道阻力折算成水平道路上车辆持续加速行驶所需的功率。如果认为旋转质量转换系数为d=1.05，那么车辆的平均加速度为0.3733m/s2、0～50km/h 平均加速时间为37.2s，以及50km/h 加速瞬时功率分别计算为140kW。而且，从图1(a)可知，车辆在水平道路上50km/h 匀速行驶的持续牵引功率不到40kW，远远小于相应的加速瞬时功率。如果牵引电机过载功率（持续1 分钟）按额定功率的1.5 倍计算，完全满足车辆0～50km/h 加速时间不大于40s 的要求。另一方面，根据图1(f)车辆在20%坡道上以15km/h 运行的短时运行功率约为160kW，那么选择牵引电机持续1 分钟的最大功率为160kW。
2.2.2 感应牵引电机速度计算
确定感应牵引电机速度的前提条件是：① 相同的额定功率和最大功率，② 相同的额定电压Urated。感应牵引电机的速度选择有两个方面，即基速n 和最大速度nmax。一方面，基速是感应电机恒转矩和恒功率两个区的分界，是感应电机的基本特征参数；另一方面，可以通过感应牵引电机的基速来确定其最大速度。假设满足条件①和②的两个感应牵引电机，一个电机的基速为n1，另一个电机的基速为n2，则额定转矩T与基速n 关系如图2(a)所示，额定磁通F 与基速n 关系如图2(b)所示。
(a) 额定转矩与基速 (b) 额定磁通与基速
图2 相同额定功率和电压的两个感应牵引电机的额定转矩、额定磁通与基速的关系曲线
根据感应电机转子磁场定向控制原理[6]，基速以下，保持磁通额定，进行恒磁通控制；基速以上，进行弱磁控制。忽略极高速的自然模式效应[3]，存在如下关系，
式中的感应电机参数，Lm 为励磁电感（H），Lr 为转子电感（H），isd,qr 为转子磁通参考坐标系d、q轴定子电流（A）。
符合（2）和（3）两式的一组参数如下
假设感应电机的定子电感与转子电感相等。一般来说，对于同等额定功率和电压的感应电机，基速升高，额定电流、重量和体积变小，比功率和效率增加。
感应牵引电机的最大速度确定与基速选择相关。就感应牵引电机驱动系统而言，感应牵引电机的最大速度与基速之比为3 是一个优化值，能够有效提高质量比功率和功率密度，而系统效率并不会降低[7]。感应牵引电机的最大速度越高，要求逆变器的开关频率越高，开关损耗随之增加，也带来控制难度。与此同时，相应的传动系统机械强度要求迅速提升，成本增加。
从国内感应牵引电机及逆变器的技术状况，选择100kW 感应牵引电机的基速为1800r/min，这样相应的最大转速为5400r/min。
2.3 APU 主要参数选择
串联混合电动车辆的APU 功率由车辆平均功率决定。然而，公交车运行所需的平均功率由城市道路状况决定，如北京、上海、天津的道路比较平坦，而重庆、大连、青岛的道路有较大坡度。就北京城市公交车来说，车辆以最大速度在水平道路上持续行驶的功率作为平均功率较为合适。那么，由车辆60km/h的允许行驶功率，认为感应牵引电机的平均效率为85%，那么APU 发电机的连续输出功率为59kW。
如果考虑发电机运行的平均效率为85%，那么发电机所需的机械输入功率约为70kW，也就是APU 发动机的最小连续输出功率为70kW。
APU发动机运行好坏直接决定串联混合电动公交车的尾气排放和燃油经济性。在符合城市公交车的运行状况下，适当减小发动机功率，增加动力电池容量和功率，有助于降低尾气排放和提高燃油经济性。串联混合电动公交车的APU 发动机选择高效电控柴油机比较好，而发电机可以是无刷交流同步发电机、永磁同步发电机、感应发电机或开关磁阻发电机。前者技术成熟，而且控制成本低。后三种发电机能够兼有电动功能，只是控制复杂。永磁同步发电机效率最高、功率密度大；感应发电机坚固可靠，维护少，而且便宜；开关磁阻发电机是一种新型发电机，很有前途，需要克服转矩脉动和噪声较大的缺点。
2.4 动力电池组主要参数选择
动力电池组的性能有三个基本指标：能量、功率和循环寿命。车辆以纯电动模式行驶时，平均速度为40km/h，动力电池组的能量至少满足60km的续驶里程。由图1(a)可知，电机的牵引功率约为30kW。如果认为该工况下牵引电机的平均效率为75%，而电池组的放电效率为90%，那么所需的动力电池组最小能量为66.7kWh。
而电池组和发电机的功率必须满足牵引电机的最大运行功率，认为牵引电机的平均效率为85%，那么动力电池组所需的最大功率为132kW。动力电池组必须具备3 倍于额定容量的放电电流，那么电池组的存储能量为44kWh。
这样，动力电池组所要求的最小能量为66.7kW?h，即使选择铅酸电池，也完全能够满足最大输出功率132kW 的指标。
2.5 减速比选择
对于串联混合电动车辆来说，一般以牵引电机最大转速和车辆最大行驶速度来确定传动系的最小减速比。同时，牵引电机要满足车辆最大行驶速度时的转矩要求。当车辆的最大行驶速度为80km/h 时，最小减速比约为12.749；而最大行驶速度为60km/h 时，最小减速比约为17。
车辆的最大减速比由牵引电机具备以稳定低转速的最大转矩输出能力确定。具体用车辆爬坡所需的转矩与牵引电机最大转矩、额定转矩之比确定车辆最大减速比，由于车辆爬大坡时速度较低，迎风阻力可以忽略不计。这样，车辆最大减速比与道路坡度、牵引电机转速之间的关系曲线如图3(a)所示。
(a) 最大减速比 (b) 减速比28 时的阻力矩
图3 车辆在各种坡道上行驶的最大减速比及阻力矩
根据最大减速比曲线图3(a)，认为最大减速比在25～30 是合适的。如果要求牵引电机在输出额定功率和额定转矩内满足车辆在15%的坡道上低速稳定行驶，而且低速档和高速档之间的比数最好小于1.7 [5]。那么，车辆的最大减速比应在28 左右，最小减速比约为17。
图3(b)表示最大减速比28 时，车辆在各种道路坡度下的阻力矩情况。由图可知，车辆能够以最大速度36km/h 左右在4%坡道上匀速行驶，车辆足以15km/h 在12%的坡道上匀速行驶，能够爬20%的坡道。
3 Advisor 仿真
Advisor 是一种基于Matlab®的能量流分配的后向式电动车辆、混合电动车辆和燃料电池车辆仿真软件，通过各种自行设计或标准循环行驶工况仿真整车、动力系统或部件模型的性能，比如整车的动力性、经济性和排放性，控制算法的功率流和效率特性等。
基于上面的计算，用Advisor2002[8]仿真串联混合电动公交车的设计性能，车辆仿真参数如表2 和表3 所示。表3 Advisor 串联混合电动公交车仿真部分参数
 仿真结果表明：
(1) 车辆短时行驶最大速度为57.8km/h，持续行驶的最大速度为53km/h，感应牵引电机效率为77%；
(2) 车辆持续行驶在4%坡道上的最大行驶速度为18km/h，感应牵引电机效率为82%；
(3) 纯电动模式时，车辆以40km/h 匀速行驶的续驶里程为36km，感应牵引电机效率为68%；
(4) 串联混合电动公交车模型与标准模型TransitBUS_hybrid_in 行驶30 个CYC_CBDBUS 标准城市道路循环工况（约96km），作动力性和经济性比较，结果如表 4。表4 串联混合电动公交车模型与标准模型
 在CYC_CBDBUS循环工况下，串联混合电动公交车模型和TransitBUS_hybrid_in 标准模型相比，前者的动力性远优于后者，而经济性比后者差7.6%。由于串联混合电动公交车模型的牵引电机低速转矩高，后备功率大，利于加速和爬坡；然而，在水平道路下，车辆轻载运行，效率低，直接影响车辆的燃油经济性。
串联混合电动公交车模型仿真没有完全达到动力系统设计指标，原因有以下几个方面：牵引电机：轻载运行效率低，最高转速只有为5200r/min。感应牵引电机仿真的运行效率MAP图如图4(a)所示，轻载时感应牵引电机的运行效率低，小于原有设计最低的平均效率值75%，影响动力系统设计能力的发挥。在有限能源供给下，对续驶里程影响尤为严重。感应牵引电机的最高转速限制了车辆最大行驶速度的提升，适当减小传动系最小减速比即可满足车辆最大行驶速度60km/h 的指标。
(a) 牵引电机MAP 图 (b) APU 发动机MAP 图
图4 牵引电机和APU 发动机MAP 图
APU输出功率不足：实际将应用VW-1.9L-PD-TDI 柴油发动机做试验，其MAP 图如图4(b)所示，它的排放与效率优化区的最大持续运行功率为62.2kW，这样APU 的仿真输出功率最大为54.7kW，比设计值59.5kW 小8%。限制了感应牵引电机功率的输出，直接影响车辆以最大速度持续行驶，对车辆的爬坡能力也有影响。
动力电池组：质量增加，全面影响动力系统性能的进一步提高；SOC 最小值为0.4，也降低了车辆续驶里程。
4 结束语
串联混合电动公交车是一种介于纯电动公交车和燃料电池公交车之间的具有超低排放能力的过渡型“绿色”环保车辆，研究一整套规范化的设计与评估方法极为重要。就动力系统而言，根据不同的城市道路工况，在低排放前提下，进行优化设计与匹配，改善车辆的动力性和经济性。本文重点分析动力系统各部件的性能指标选择，包括牵引电机、APU、动力电池组和传动系，探索了感应牵引电机基速和传动系减速比选择的分析方法。借助于Advisor2002 进行整车性能评估，如牵引电机及其逆变器、动力电池组和APU等部件工作效率直接影响串联混合电动公交车的经济性，尤其牵引电机及其逆变器的系统效率变化大，是平衡动力性和经济性矛盾的关键，值得深入研究。而且，为串联混合电动公交车动力系统设计提供了参考依据。
参考文献
1 Kevin Chandler，Kevin Walkowicz，Leslie Eudy. New York city transit diesel hybrid-electric bueses: final results，July 2002
2 K. Kelly，L. Eudy. Field operations program – overview of advanced technology transportation: CY2000，NREL/MP-540-27962，July 2000
3 M. Ehsani，K. M. Rahman，and H. A. Toliyat. Propulsion system design of electric and hybrid vehicles. IEEE Trans. On Ind. Elec.，VOL. 44，NO.
1，Feb. 1997
4 D. Doerffel，S. Abu-Sharkh. Performance evaluation of a low cost series hybrid electric vehicle. EVS-19，Seoul Korea，Oct. 2002
5 余志生. 汽车理论. 北京：机械工业出版社，1994
6 Chee-Mun Ong. Dynamics simulation of electric machinery using Matlab/simulink. Newyork：Prentice-Hall，1998
7 E.M. Hall，S.S. Ramamurthy，J.C. Balda. Optimum speed ratio of induction motor drives for electrical vehicle propulsion，APEC proceedings V1，Mar. 2001
8 National Renewable Energy Laboratory NREL，ADVISOR (Advanced Vehicle Simulator)，Ver：2002(end)
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