庄 勋

（安源客车制造有限公司，江西 萍乡 337000）

我国政府根据国情和汽车技术发展趋势，制定了“公交优先”的电动汽车发展战略。在公交市场上，纯电动车因电池技术无法取得实质性的突破，发展比较缓慢，而混合动力客车则因政府支持发展比较迅速，较为成熟的混合动力技术客车也成为各大客车厂家竞争新能源市场的主要产品。

1 工作原理

PK6113PHEV是我公司根据市场需要，联合南车时代研制开发的并联式混合动力城市客车。整车动力系统主要由发动机、电机及控制器、超级电容和整车控制器（VCU）等组成，如图1所示。

1.1 系统控制原理

车辆控制器通过采集驾驶员踏板、发动机转速、电机转速、档位、离合器状态，判断驾驶员的驾驶意图，并计算出目标牵引力矩，以发动机油耗最小为原则，同时参考电机外特性、发动机外特性和储能系统的各项边界条件，对电机和发动机进行力矩分配，最终实现电机、发动机力矩耦合，按照驾驶员的意图驱动整车运行。

该车保留了常规机械制动的主要部件，且直接在后轴上添加了电制动，并由车辆控制器予以控制。车辆控制器的控制是基于车速和制动踏板的位置信号，而车速和制动踏板的位置信号则显示了期望的制动强度，以及预置在车辆控制器中的制动控制策略[1]。这种制动系统的特色仅在于其电制动力是通过电气控制的，而机械制动力则是由驾驶员通过制动踏板予以控制的。在这个系统的设计和控制中，关键问题是为了回收尽可能多的制动能量，应正确控制其电制动。该系统制动踏板的前段是电制动，后段气制动也将工作，因此，驾驶员对车辆制动踏板运用的好坏是节油与否的关键所在[2]。由于公交车运营线路固定，因此，在制动时要有预见性。在预备进站时，提前踩制动踏板，利用制动踏板前段行程（气制动暂时未动作）输出电信号，使驱动电机转变工作状态，给超级电容充电；速度较高时，可踩下较大行程，更多地给储能系统充电。驾驶员在正常减速时，应使用电制动来回收制动能量，停车时才使用气制动。

1.2 工作模式

1）传统工作模式。电机既不参与制动，也不参与驱动。当电驱动系统出现问题时，可切换到传统的工作模式继续工作。能量流动线路为发动机→离合器→变速器→驱动轮。

2）发动机轻载发电模式。当发动机负载较轻时，电机进入发电工况，增加发动机载荷，从而改善发动机排放，并一定程度上减少油耗。能量流动线路为发动机→离合器→变速器→驱动轮，发动机→离合器→变速器→驱动电机→电机控制器→储能系统。

3）驱动助力模式。当电池系统或超级电容系统电能达到一定容量时，根据驾驶员的驾驶意图，电机转为驱动工况，为整车起步和加速提供助力，从而减少发动机的功率输出以减少油耗。能量流动线路为发动机→离合器→变速器→驱动轮，储能系统→电机控制器→电机→车轮。

4）电制动模式。车辆制动时，电机转为发电工况，由电机将车辆制动时产生的制动能量转化为电能存储到储能系统。这时的能量流动线路为驱动车轮→电动机→电机控制器→储能系统。

PK6113PHEV混合动力客车为低入口柴-电混合动力系统，采用简单易行的并联驱动方式，适合经常加速行驶的干线城市客车或快速公交，适用于站点距离长或者具有全封闭行驶路权的公交线路[3]。

2 底盘与车身设计

2.1 整车关键零部件布置

PK6113PHEV型混合动力城市客车采用我公司自制的混合动力专用客车底盘，配装玉柴YC6J190-30型发动机、美国Maxwell Technologies公司的48V/165F超级电容、湖南南车公司的TQD101永磁同步电机组成的南车电动混合动力总成。车身方面装配的是已公告的PK6112AG3型城市客车车身。具体布置如图2所示。

2.2 主要技术参数

2.3 整车动力匹配计算

1）发动机功率的选择。其他计算参数：传动效率η=0.9；迎风面积 A=7.875 m2；空气阻力系数 Cd=0.48；滚动阻力系数 fr=0.015；最大功率：Pmax=（M×g×fr×Vmax/3600+Cd×A×V3max/76140）/η=（16500×9.8×0.015×76/3600+0.48×7.875×763/76140）/0.9=81.1 kW

发动机高效、低油耗区域位于负荷率80%～90%之间，因此，发动机实际功率应再增加15 kW；考虑对汽车动力性的要求，增加安全裕度5 kW；发动机附件消耗功率为4～10 kW（转速为2500 r/min，最高限速2200 r/min），空调功率为10～15 kW。综合各种因素，初步选取发动机功率为125 kW[4]。最后选定为额定功率140 kW、最大扭矩为700 N·m（转速为1200～1700 r/min）、排量为6.5 L的YC6J190-30共轨电喷柴油机，排放达到欧Ⅲ标准，有良好的燃油经济性[5]。

2）电动机功率的确定。由于该车的电动机只在起步、加速和爬坡时工作，所以电机功率的选择须满足汽车的加速要求和最大爬坡度要求。考虑到整车布置的合理性，所选电机的体积和质量不宜过大，永磁同步直流电动机具有这方面的优势。另外，永磁直流电动机具有高功率密度、高转速和高效率的特点[6]。以汽车V=10 km／h速度爬坡25%来计算,该车所需总共功率：

加上其它因素，初步计算整车的功率为176 kW。因此，电动机加上发动机的功率须大于180 kW，已经选定的发动机额定功率为140 kW，所以选择驱动电机的额定功率为45 kW，峰值功率65 kW，其技术参数见表1[7]。

表1 驱动电动机的技术参数

3）储能系统的选择。以超级电容作为储能系统，为电机提供储存和能量。利用超级电容器的瞬间高功率、充电迅速、寿命长等特点来满足电动车爬坡、加速所需的瞬间高功率，以及再生制动的高效能量反馈回收[8]。采用Maxwell电容BMOD0165 P048，数量10个，串联连接；管理系统能够监测这10个电容的电压、电流和温度，通过CAN总线上传显示数据及报警。

2.4 结构与性能特点

PK6113PHEV混合动力城市客车采用发动机和电动机共同驱动汽车。发动机与电动机分属两套系统，可分别独立地向汽车传动系提供转矩。在不同的路面上，既可共同驱动，又可单独驱动，两者不存在能量形式的转换，因而能量损失较少[9]。整车在结构上保留了原有的操纵机构，只是在副仪表台处安装了一个传统模式开关。一旦系统出现问题，驾驶员可按下此开关切换到传统的工作模式继续工作。这种设计降低了驾驶员的操纵难度和工作强度，减少了操作失误的可能性，降低了事故率。

发动机型号比传统车要小，所以直接减少总的尾气排放量。此外，发动机始终处于高效工作区，这也大大提高了尾气的排放标准，同样的发动机在混合动力工作模式下可以达到或接近下一个排入标准[10]。利用超级电容的高功率、寿命长等特点作为储能系统，避免了中途更换电池的成本和工作难度，减少客户在使用过程中保养的工作量和费用。

这套系统利用电机的高效率、改善发动机的不良工况以及制动能量的回收，最高可以节油30%，当然这是在实验条件下测得的数据，实际情况依据驾驶员的驾驶习惯以及路面状况有所不同。

3 结束语

在以能源和环保为主题的今天，低油耗、低污染的混合动力城市客车已逐渐进入人们的视野，并开始成为主流。全国各大城市对混合动力城市客车的需求与日俱增。PK6113PHEV一经推出，就受到市场的广泛关注。通过对整车发动机、超级电容、电机进行合理匹配，整个设计方案能够达到城市客车的功能要求，提高了车辆的动力性和经济性。

[1]（美）Mehrdad Ehsani,Yimin Gao,Ali Emadi.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车——基本原理、理论和设计（原书第2版）[M].倪光正，倪培宏，熊素铭，译.北京：机械工业出版社，2010.

[2]巩养宁，杨海波，杨竞.电动汽车制动能量回收与利用[J].客车技术与研究，2006，28（3）:28-29.

[3]高宗立.XMQ6116G混合动力城市客车[J].客车技术与研究,2007，29（6）:11-13.

[4]刘涛，赵立军，赵桂范.汽车设计[M].北京：北京大学出版社,2008.

[5]冯健璋.汽车发动机原理与汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6]孙逢春.电动汽车[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

[7]张汝辉.并联混合动力城市客车实际工况的试验与改进[J].客车技术与研究,2007，29（5）:18-21.

[8]方伟新，吴森，宗杨.超级电容与蓄电池并联使用对混合动力公交车的改进[J].客车技术与研究，2005，27（5）:12-13.

[9]邓亚东，高海鸥，王仲范.并联式混合动力电动汽车控制策略研究[J].武汉大学学报，2004，(3)：139-144.

[10]王立志，李春梅.浅谈黄海混联式混合动力公交车的原理及性能[J].客车技术，2011，（1）：26-28.