1、1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2目 录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1BJ6113PHEVCA-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
2、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
3、吸收创新的研发模式。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。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ALLISON AT技术基础的ALLISON EV(EP40和EP50) 混合动力系统、基于发 动 机发 动 机 电 动 机 /发 电 机控 制 器电 动 机 发 电 机控 制 器动 力 电 池 组动 力 电 池 组 机
4、械 自 动 变 速 箱机 械 自 动 变 速 箱自 动 离 合 器自 动 离 合 器 逆 变 器 /控 制 装 置逆 变 器 控 制 装 置 元元元整 车 控 制单 元整 车 控 制单 元2AMT技术基础的EATON HYBRID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2.53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 。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
5、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。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：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
6、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。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发 动 机发 动 机 电
7、 动 机 /发 电 机控 制 器电 动 机 发 电 机控 制 器动 力 电 池 组动 力 电 池 组 机 械 自 动 变 速 箱机 械 自 动 变 速 箱自 动 离 合 器自 动 离 合 器 逆 变 器 /控 制 装 置逆 变 器 控 制 装 置 元元元整 车 控 制单 元整 车 控 制单 元3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
8、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，
9、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。 混合动力运行模式 启动发动机CAN-2CAN-14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。 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
10、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。 混合动力运行模式 电动辅助5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。
11、 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。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
12、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） 1099025003300,3400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 4.44/4.8756驱动形式 42，后驱整车动力性能参数最高车速（km/h） 69最大爬坡度（%） 20070km/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） 109902500330
13、0,3400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 42，后驱整车动力性能参数最高车速（km/h） 69最大爬坡度（%） 20070km/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
14、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=(MgfVmid/3600+CdAVmid3/76140)/tM(汽车厂定最大总质量)：16500kg；18000kgg(重力加速度) ：9.8m/S 2f（路面滚动阻力系数）：0.012
15、Vmid(车速 km/h)Cd(风阻系数)：0.657A(迎风面积)：6.73m 2t(传动系效率 )：0.87Vmid 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 72 kW, 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 101 kW，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
16、-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
17、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
18、，发展前景十分广阔8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
19、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1 s；(2)050 km/h 加速时间25 s；(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 2030km/h,此时整车驱动功率需求为 19.429.6kW，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 14001900rpm，电机的高效区通常在电机额定基速点向高转速去偏移
20、约 200300rpm，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 24kWb. 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 44kWc. 校核 050km/h 的加速时间25s，同时考虑 AMT 每档换档时间约为 1.11.4s，则加速时间换档时间为 4*（1.11.4）4.45.6s，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
