混合动力城市客车新技术新结构.docx

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混合动力城市客车新技术新结构

混合动力城市客车新技术、新结构系统说明

BJ6113PHEVCA-2

北汽福田汽车股份有限公司

2016年12月

1、混合动力城市客车动力系统的构型

2、混合动力城市客车关键技术开发

3、混合动力城市客车系统选型计算

4、制动能量回馈系统说明

5、动力电池参数

6、电机及控制系统

7、福田混合动力城市客车的特点

BJ6113PHEVCA-2

混合动力城市客车新技术、新结构整车系统说明

1、混合动力城市客车动力系统的构型

福田混合动力城市客车采用并联式气电混合动力技术路线，结构如图1所示，它基于成熟和先进的自动离合器和机械式自动变速器（AMT）技术，在自动离合器的输出和自动变速箱的输入之间加入一个高效率低速大扭矩永磁式牵引电动机/发电机，可以根据车辆的实际使用工况进行智能化控制，内燃机和电机既可分别单独驱动车辆,也可联合动作共同驱动车辆，实现不同的系统工作模式，使车辆经济性及排放处于最佳状态。

这种并联系统提供了串联系统中所没有的冗余操作运行模式，因此，在电机系统出现故障时，仍然可以像传统车一样运行,从而大大提高整车的出勤率。

图1混合动力城市客车的动力系统构型示意图

2、混合动力城市客车关键技术开发

2.1、关键部件选型

北汽福田欧辉客车公司从2004年开始从事混合动力客车的研发工作，通过考察、比较国内外混合动力系统技术路线的优缺点，确定了立足于自主开发，拥有独立的自主知识产权，走引进消化吸收创新的研发模式。

①技术路线选型

通过比较当前串联、并联及混联三种典型技术路线的优缺点，结合计划开发的城市客车使用环境、特点要求，福田汽车选择了可靠性更有保障、性价比更优的并联技术路线。

②自动变速箱技术选型

福田汽车通过借鉴国外特别是混合动力客车应用较为普遍的国外市场成功的经验：

应用较为成熟的混合动力系统均基于一个成熟的自动变速箱（AT或AMT）技术基础，如美国商用车应用最多的基于ALLISONAT技术基础的ALLISONEV（EP40和EP50）混合动力系统、基于AMT技术基础的EATONHYBRID系统等；反观国内制约混合动力客车应用推广的技术瓶颈恰恰正是没有一套成熟的自动变速箱技术，同期通过比较AT与AMT的性能价格比，相（近）同扭矩条件AT一般为AMT价格的2.5～3倍，结合国内产品市场潜在的消费能力，福田汽车确定了选择基于AMT技术基础构建混合动力系统的基本思路。

③先进锂离子动力电池组

基于福田汽车在新能源汽车技术开发取得的成功经验，在新一代福田混合动力客车开发中，采用了北京中信国安盟固利有限公司开发的锂离子动力电池组及能量管理系统，并顺利与混合动力系统完成匹配。

2.2、福田混合动力系统关键技术开发

福田汽车深知虽有好的零部件硬件，但不一定会有好的系统的研发道理。

项目组一开始，就把混合动力系统及控制构型和整车控制构型作为整个混合动力系统开发的重中之重。

①混合动力系统构型

福田汽车结合AMT的使用技术特点，采用电动机前置布置的技术方案，这样可以利用AMT多档速比放大电机扭矩，达到以较小电动机扭矩输入实现较大扭矩输出的目的：

②动力系统控制构型

福田汽车结合AMT的使用技术特点，提出了基于AMT控制为基础的总体动力系统控制策略构型，提出了总体基于整车使用工况扭矩特性需求为核心的整车控制特性要求。

整车整体控制特性实现起步、加速、制动、驻车、停车、起步等循环工况基于整车扭矩特性需求的控制特征，混合动力系统可以实现纯电动起步、电动机快速启动发动机、怠速停机、制动能量回收等有利于节能减排的工作模式。

③整车控制系统构型

福田汽车项目组结合混合动力系统的不同使用特点，在整车匹配上重点开展了混合动力系统参数的匹配与优化、面向整车振动噪声（NVH）的影响因素评价及性能的结构优化设计、整车与动力系统集成匹配（整车数字控制器研制、整车分布式CAN网络设计及车载智能化仪表研制）等，以最具代表性的城市客车研发为突破点，重点开发10米以上城市客车混合动力客车产品。

为了实现上述的控制逻辑，混合动力城市客车的控制系统采用了基于CAN总线的、以整车控制器为核心的分布式控制系统，如图2所示。

整车CAN总线控制系统由三部分网络组成，分别是高速CAN和两部分低速CAN，高速CAN用于混合动力系统的控制，低速CAN中的CAN1用于车辆信息的显示，CAN2用于车身部分电器的控制，两部分通过桥模联接，桥模块的作用是屏蔽掉一些不需要显示的信息，减轻系统的数据处理负担。

图2、整车控制系统网络拓扑图

在以上的CAN网络系统中，电子油门、制动踏板，动力电池，电机等系统的工作状况，以及外围的开关量输入，都通过CAN总线信息共享，在混合动力系统的工作过程中，根据一定的控制算法，实现对发动机扭矩的控制，以及控制制动能量回馈等控制。

通过仪表和数据采集系统的显示屏，能够让司机及时看到各个部件的关键状态，并在发生故障的时候能够提醒司机采取应对措施。

2.3混合动力系统工作模式

混合动力系统根据不同的工况有不同的运行模式。

在不同的运行模式下，动力总成系统有不同的控制要求。

总的来说，动力总成控制系统就是要在满足整车驱动要求的前提下保证整车的经济性和排放性，即保证发动机时刻处于理想的工作状态，使车辆经济性及排放处于最佳状态。

1混合动力运行模式–启动发动机

在SOC高于一定值，在混合动力系统工作正常情况下,当变速箱处于空挡位置时,关闭自动离合器,由电动机快速启动发动机，不仅启动迅速,而且效率高,改良发动机启动阶段的燃烧状况，从而减少气耗和污染排放。

实用中依然保留传统的24V启动机作为备用,以加强系统的可靠性。

2混合动力运行模式–纯电动起步

在司机油门踏板一定的情况下，混合动力系统会结合自身SOC状况及油门开度等信息，计算出驱动车辆所需的电量，单独由电池驱动并自动进行换档。

当动力电池中含有足够高的电能时,可以打开自动离合器用牵引电机单独驱动车辆,起到节气减排的作用。

当车辆上不配备电动转向和电动空调时,在此运行模式下不能关闭发动机,因为动力转向和空调等附件尚需要由发动机按传统方式来带动。

电动起步可以消除离合器的在此工况下的磨损,从而提高离合器的使用寿命。

由于公交车辆的启停十分频繁,其在起步阶段的累积气耗与总气耗的比例可高达50%,因此采用电动起步对节气减排和改善离合器寿命的贡献是十分显著的。

3混合动力运行模式–电动辅助

当系统计算出目前的电量达不到单独驱动车辆的要求时，系统会耦合离合器，由发动机和电机共同驱动车辆。

4混合动力运行模式–纯发动机模式

当发动机运行在其高效区时,或当电驱动系统故障时,可由发动机单独驱动车辆,此时车辆按传统的AMT方式工作。

这一功能对提高混合动力车辆的可靠性和出勤率具有重要作用。

在车辆匀速行驶的情况下，发动机的富余能量给电池充电。

⑤混合动力运行模式–能量回收模式

当车辆减速时,在放松或释放油门、或踩刹车的情况下，系统将进入能量回收状态,此时电机工作在发电机模式下,将车辆的制动能量转化为电能贮存在电池中以备后用,此刻回收的比例由油门开度或刹车的深度决定。

3、混合动力城市客车系统选型计算

本次开发适应大中城市公交要求的10.5米和12米插电式混合动力车型主要技术参数如下：

基础车型整车参数

整车型号

BJ6113PHEVCA-2

整车外部尺寸（长×宽×高，mm）

10990×2500×3300,3400

轴距（mm）

5450

装配发动机型号

YC6A270-50

质量参数

整备质量（kg）

11350,11650

整车允许最大总质量（kg）

16550

最大载客量（人）

61/24-51 

动力系统形式

混合动力形式

单轴并联式

变速器

AMT

主减传动比

4.44/4.875

驱动形式

4×2，后驱

整车动力性能参数

最高车速（km/h）

69

最大爬坡度（%）

≥20

0~70km/h加速时间（s）

<50

基础车型整车参数

整车型号

整车外部尺寸（长×宽×高，mm）

10990×2500×3300,3400

轴距（mm）

5450

装配发动机型号

YC6A260-40

质量参数

整备质量（kg）

11350,11650

整车允许最大总质量（kg）

16500

最大载客量（人）

92

动力系统形式

混合动力形式

单轴并联式

变速器

AMT

主减传动比

6.17

驱动形式

4×2，后驱

整车动力性能参数

最高车速（km/h）

69

最大爬坡度（%）

≥20

0~70km/h加速时间（s）

<50

依据基础车型参数和整车目标性能参数，从加速性能、起步能力、爬坡度、城市工况下气耗等方面进行动力系统关键零部件的参数选型匹配合分析。

3.1、发动机选型

发动机功率偏大，车辆燃油经济性和排放性能就差；发动机功率偏小，后备功率就小，电动机只有提供更多的驱动功率，才能满足一定的车辆行驶性能要求，这势必引起电动机和电池组容量取值的增大和车辆成本的增加。

另外，电池组数目增多，在车辆上布置困难，车重增加，仅依靠发动机的富裕功率难以维持电池组的额定电量，限制了车辆的续行里程。

由于并联混合动力汽车通常都采用由发动机提供车辆平均行驶功率，由电动机提供峰值功率的控制策略，因此其功率值的选择主要应考虑车辆匀速行驶时的功率需求,通常按下式初选发动机最大功率：

Pe=（M×g×f×Vmid/3600+Cd×A×Vmid3/76140）/ηt

M（汽车厂定最大总质量）：

16500kg；18000kg

g（重力加速度）：

9.8m/S2

f（路面滚动阻力系数）：

0.012

Vmid（车速km/h）

Cd（风阻系数）：

0.65

A（迎风面积）：

6.73m2

ηt（传动系效率）：

0.87

Vmid的具体取值应依据所设计车辆的动力性能要求而定：

当Vmid=69km/h,理论计算发动机功率为72kW,发动机附件消耗功率为10kW，空调功率为15kW，实际总功率应为97kw；

当Vmid=100km/h，理论计算发动机功率为101kW，加上空调及发动附件损耗25kw，则实际总功率应为126kw。

考虑到现有满足国V排放发动机资源以及可靠性，兼顾整车动力动力性及燃气经济性，保留一定的功率贮备系数，最终选定玉柴YC6A27050作为BJ6113PHEVuA-2混合动力客车的动力源；该发动机额定功率分别为199kW/2200rpm，最大扭矩分别为1100N.m/1400-1600rpm。

3.2、电机选型

为了满足汽车动力性要求，选择的电机与发动机合成功率应与原型车发动机相当。

电机选型包括：

电机类型、电机功率选择等。

1）电机类型的选型

现代电动汽车应用的电机主要有直流有刷电机、交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机四类。

各种电机性能、控制技术和应用趋势祥见下表.

电机类型

特点

控制技术

发展趋势

直流有刷电机驱动系统

优点：

结构简单，成本低，起步加速牵引力大

缺点：

有机械换向器，最高速受限，需定期维护保养；体积大

脉宽调制技术

控制系统：

较简单

逐步被替代

交流感应驱动系统

优点：

结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，转速极限高

缺点：

低速小负载时效率低；控制系统结构负载，故障率高，成本高

控制技术：

V/F控制、转差频率控制、矢量控制和直、接转矩控制（DTC）和无转速传感器的控制法

有被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代的趋势；

美国倾向于采用异步电机驱动系统

永磁同步电机驱动系统

优点：

具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围；

缺点：

但造价较高，永磁材料会有退磁效应，抗腐蚀性差，磁场不可变

低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向；高速时用弱磁控制

得到日本和美国汽车公司亲睐已在国内外多种电动车辆中获得应用，发展前景十分广阔

开关磁阻电机驱动系统

优点：

高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速

缺点：

低速转矩脉动大，且具有高度的非线性

应用较多的是智能控制，如神经网络,模糊控制,滑模控制等智能控制方法

无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一；极具潜力，但目前应用还受限制；

德国、英国等大力开发开关磁阻电机

永磁同步电机因其高功率密度和高效率的优势为主要发展趋势，在当前国内外混合动力车型中，特别是并联式和混联式车型中多采用该类型电机。

由于BJ6113PHEVCA-2和并联式混合动力客车采用直接并联式，结构紧凑，而开关磁阻电机体积较大，转动惯量大，故该系统选择了体积小、效率高的更适应紧凑结构布置要求的永磁无刷同步电机。

2）电机功率的选择

为保证汽车动力性，选择的电机和发动机的合成外特性接近于或高于原型车发动机外特性。

混合动力系统应满足以下技术要求：

（1）电机单独起车，且起车时间＜1s；

（2）0～50km/h加速时间＜25s；

（3）最大爬坡度＞20%;；

（4）汽车的驱动转矩小于良好路面的附着转矩；

（5）常用车速下电机的工作点应处于高效区。

电机系统参数的选择必须满足以下的性能要求：

a.整车常用约在20~30km/h,此时整车驱动功率需求为19.4~29.6kW，对应电机额定功率；同时此时整车厂运行在3档位，对应的电机转速为1400~1900rpm，电机的高效区通常在电机额定基速点向高转速去偏移约200~300rpm，综合考虑常用车速功率需求和对应电机转速，选择电机额定转速为1100rpm区域，额定功率为24kW

b.15%的最大爬坡度时（爬坡车速10km/h），此时动力系统的转矩指标为最重要的，此时整车需要输入至AMT一轴的转矩要大于高于380N.m。

当整车纯电动爬坡时，380N.m即为电机系统的最小峰值转矩；由电机功率=电机转矩*电机转速/9549，即电机峰值功率=电机额定转速*峰值转矩/9549=1100*380/9549=43.7kW，初步选定电机的峰值功率为44kW

c.校核0~50km/h的加速时间<25s，同时考虑AMT每档换档时间约为1.1~1.4s，则加速时间换档时间为4*（1.1~1.4）≈4.4~5.6s，微调电机的额定转速和转矩，利用仿真软件微调电机系统额定转速至1000rpm，同时调整电机峰值转矩=电机峰值功率*9549/电机额定转速=44*9549/1000=420.156N.m

d.因为发动机和电机同轴连接，两者之间无变速机构，同时电机最高转速的95%对应整车的最高车速，计算电机最高转速=发动机最高转速/95%=2500/95%=2631rpm。

综合以上计算结构，同时寻找合适成熟可靠的电机资源，最终选定电机系统的技术参数如下：

电机额定转速：

1600rpm；额定功率：

55kW；最高转速为2500rpm,峰值转矩（爬坡转矩、堵转转矩）865N.m,峰值功率：

95kW。

3.3、电池参数选择

电池组是电能的载体，负责供给电功率给电机系统，电机系统将电能转换成机械能，驱动车辆行驶。

当前电动汽车的电池组电压平台有：

550V，562V，576V和614V。

电池组瞬间以功率的形式提供电能给电机系统，电压平台越高，电流越低，系统效率越高，但电压平台越高，对系统的安全性要求越高，综合考虑效率和安全性的问题，选择562V的电压平台，同时电池组必须满足以下关系（电池系统的放电效率为95%）：

电池组的长时间放电电流≥电机额定功率/（电池组放电效率*电池组电压平台）=100*1000/（0.95*562）=187.3A，依据整车控制策略，此时放电电流主要满足50s加速；

电池组的瞬时放电电流≥电机峰值功率/（电池组放电效率*电池组电压平台）=250*1000/（0.95*336）=468.3A，依据整车控制策略，此时放电电流主要满足瞬时转矩辅助功能。

通过综合考虑，以及考察市场上现有的产品资源，决定采用中信国安盟固利动力科技有限公司的25Ah锂离子电池单体构成电池组，该电池单体的参数如下：

项目

参数

额定电压

3.7V

额定容量

50Ah（2C充电/放电）

内阻

≤1.5m

充电截止电压

4.20V±0.01V

最大充电电流

持续：

100A

瞬时：

250A（≤30s）

最大放电电流

持续：

100A

瞬时：

250A（≤30s）

循环寿命（室温下）

≥3000次（1C充放电，剩余电量大于70％额定容量）

工作温度

-20℃~55℃

存储条件

-10℃~40℃（建议0～30℃）湿度30±20％

重量

370kg

电量保持性能

＞95％（25℃条件下存放28天后）

外壳材料

铝塑膜

3.4、控制策略

以整车燃气经济性和排放性能为整车控制优化目标，整车控制策略依据整车实时工况计算整车所需要的驱动力和驱动功率，同时依据发动机、电动机、变速箱和电池组的状态，选择合理的运行模式、变速箱档位，优化分配发动机和电动机转矩输出，控制策略根据优化目标、约束条件和算法的不同而不同。

电力辅助控制策略根据确定的控制逻辑，设定一系列静态入口，从而获得一个最狭窄的工作窗口作为发动机/发电机的工作区间，这是电力辅助控制策略的基本思路。

图：

电力辅助控制策略示意图

其中，

Td――驱动扭矩

Te――发动机扭矩

各种工况的控制策略如下：

1）起动发动机

BJ6113PHEVCA-2并联式混合动力客车采用采用直接并联方式，电机轴通过以离合器与发动机曲轴机械连接。

因为电动机的启动转矩远高于气体机传统启动系统装配的启动机的启动转矩，在变速箱置于空档和离合器结合后，电动机可以快速将发动机的转速从零提升至怠速转速以上，使发动机快速启动，减少了发动机启动过程中的燃气消耗和污染物的排放。

2）纯电动起步和纯电动驱动模式

Td≤Temin，且SOC≥SOCmax

在混合动力汽车平路上起步和低速行驶时，整车所需要的驱动的转矩小于发动机的最小工作转矩，若此时发动机参与驱动，则发动机的负荷小，燃气经济性差偏离了发动机高效的工作范围，如汽车需求的牵引负荷偏小或者发动机运行转速过低，气耗和尾气排放情况较差。

同时，若满足电池电量充足的条件，这时整车控制器控制离合器离合和电动机单独驱动整车运行，即纯电动运行模式，汽车的牵引功率全部由电机提供，动力电池向电机提供能量，处于放电状态。

此时，整车运行噪音低。

发动机与动力系统通过离合器的分离断开连接，整车控制器根据整车辅助系统，如制动泵和转向系统需求，控制发动机处于运行或停机状态。

3）混合动力模式

条件：

Td＞Te优化值，且SOC≥SOCmin；或Td＞Temax，且SOC≥SOCmin

在全负荷加速或重载工况下，当汽车行驶功率高于发动机最优工作区域的驱动功率时，为了减少排放，整车控制器将发动机控制在其最优工作区域，不足的驱动功率由电动机提供，动力系统处于发动机、电机混合驱动模式，汽车的负载功率等于发动机输出功率和电机输出功率之和；或整车所需驱动功率远高于发动机能输出的最大功率，同样整车控制器将发动机控制在其最优工作区域，不足的驱动功率由电动机提供，动力系统处于发动机、电机混合驱动模式，汽车的负载功率等于发动机输出功率和电机输出功率之和，如果此时单纯由发动机驱动，则发动机动性能无法满足整车需要，且发动机的经济性和排放性能指标都将恶化，因此在混合驱动模式下，电机起到提供峰值驱动功率的作用，为辅助驱动。

4）发动机单独驱动模式

条件：

SOC≥SOCmax，且Td为中等负荷

当汽车行驶于相对稳定的工况时，如在公路上稳速行驶，汽车需求的驱动功率在发动机最佳工作区域，发动机此时的经济性和排放性都能较好的保证，而且动力电池的荷电状态（SOC,StateofCharge）处于较高水平（达到或超过设定上限），混合动力系统工作在纯发动机模式，汽车的牵引功率全部由发动机提供。

此时离合器结合，电机控制器关闭功率器件的输出端，电机定子三相绕组无电流输入，电机无电磁能量转换，电机的输出轴（电机转子轴）类似于变速系传动轴，起到连接动力传输的轴的作用，本身无电动机转矩输出。

5）制动能量回收模式

当车辆处于下长坡和减速制动时，车辆驱动轮的旋转速度高于电机的同步转速，电机工作在发电工作模式，将整车的动能转换成电能并反馈至电池组储存起来，以待适当的时候驱动车辆行驶，此工作模式即为回馈制动模式。

回馈制动模式是电动汽车的重要模式，是实现PHEV经济性的一个重要途径。

在以下两种状态，还需要机械制动参与：

①紧急制动时，电动机之动力矩无法满足制动距离和制动时间的要求；②同时当车辆处于低速时，电动机制动力矩很小，回馈的制动效率较低，PHEV制动的实现有时采取回馈制动与机械制动相结合的复合制动方案。

6）发动机驱动同时带动电动机发电

当整车所需驱动功率小于发动机最优工作区域所能输出的功率且电池组的核电状态较低时，整车控制器控制发动机工作在最优工作区域，在满足整车驱动的同时带动电动机发电，将多于的输出功率通过电动机输送并储存在电池组中。

7）停车停机模式（备选）

BJ6113PHEVCA-2并联式混合动力客车采用采用直按并联方式，由于电机功率远大于启动机，使得采用电机启动发动机时可发快速启动，且无须考虑启动机寿命；城市公交客车由于起停频繁，且有时由于交通信号的原因，经常长时间处于停车状态，传统车辆因避免损坏电机，大都处于怠速状态；和动客车因采用动机启动，如条件允许，在车辆停止时，关闭发动机，以进一步提高车辆经济性。

3.5、整车电功率比水平

并联混合动力车辆按相关政策关于电功率比定义:

混合动力汽车的最大电功率比计算公式如下：

R=k×Pm/（k×Pm+Pe）

式中：

R：

最大电功率比

Pm:

电机额定功率

Pe:

发动机额定功率

其中对K值规定如下：

ISG轿车为1.5；其他型式混合动力轿车为2.0；混合动力客车为1.7。

福田混合动力客车最大电功率比为［80*1.7/

］＝46.7％；

4、制动能量回馈系统说明

混合动力电动汽车节能的原因之一在于其能实现回馈制动，回馈制动也称再生制动，传统制动是将汽车的惯性能量通过制动器的磨擦转化为无法回收的热能散放到环境中，而对于混合动力电动汽车（PHEV）而言，电机具有可逆性，即电机在特定条件下可以转变成发电机状态运行，通过设计的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置中，这样就可以回收一部份惯性能量。

4.1制动能量回馈控制策略

图4制动能量回馈控制策略示意图

根据电机的结构，当以电机制动方式制动时作用于驱动轮上的回馈制动力为

式中：

F为车轮回馈制动力；

为电机制动力矩，由电机的工作特性及控制电流决定；

为变速器传动比；

为主减速器传动比；

为驱动轮半径；

为总的机械效率。

在此制动过程中电机的输出功率为:

式中：

Pm为电机的回馈制动功率；

为回馈制动能量回收系数，该系数在制动过程中是一个变量，可定义为汽车制动减速度的函数，

；

为整车制动总功率；

为电池组端的放电功率；

为电机效率；

为电池充电效率。

4.2制动能量回馈工作模式

电动汽车回馈制动系统的性能有两点要求，一是最大限度地提高制动能量地回收程度，二是要满足制动距离和制动稳定性地要求。

因此应在力求最大限度地提高回馈制动功率的同时，确保回馈制动与摩擦制动的协调控制，以保证汽车制动力的要求。

并联式混合动力电动汽车底盘结构与传统内燃机动力客车的底盘相比,仅在离合器与变速箱之间增加了一个驱动电机，气压动力