双层城市巴士HEV系统

双层城市巴士HEV系统
摘要：本文描述了具有高效、节能、低排放量的双层城市巴士混合电动车。

为了更有效的利用石油资源，比传统内燃机车具有耗能低、效率高、超低气体排放的电动车的研究越来越受到人们的注意。

为了达到较高程度的能量效率，采用串动型的混合电动驱动系统，并且用最新开发的锂离子电池。

此外，结合超宽轮胎的应用，使机械组件的排列具有更大的灵活性；而且，齿轮路径宽度可以提高到传统尺寸的1.4倍。

本工程的下一步计划包括燃料效率及排放气体特性的分析。

研究表明，燃料消耗水平可以降低近33%，与automatic-transmissim比可以降低近40%。

并且，从废气排放讲，与automatic-transmissim车比较（尤其是NO
x
），可以减少50~70%，正是其是高效清洁汽车。

1、前言
人们对减少污染、提高燃料效率的HEV汽车的希望越来越大。

所有的主要汽车生产商。

今年已开始开发各类型的HEV，他们的努力也不断受到人们的注意。

对于大型车辆如卡车和巴士，在日本，方向主要在并联型的HEV尤其是降电子体系与hydraulic 贮能体系结合起来的HEV已逐步应用于公共交通中。

但是，这些并联形式的HEV配备了一个较大的内燃机，因此其结构很难适应于Low—floor、stepless型巴士的要求。

并且，提高内燃机的能量效率和降低排放水平也越来越重要。

在这种情况下，我们致力于一种新型、串联的HEV，本文提供了一个有关技术问题的报告。

此外，指出了这种HEV体积的经济性和低排放特点，本文也对Hev setepless 巴士的功能、特点作了介绍。

2、HEV体系燃料经济性的提高
2.1 驱动能量回收系统的特点
在制动期间，当刹车或减速时，HEV 用其驱动电极作为发电机，使能量得到回收。

表 1 表明了在市区环境内行驶的大型交通巴士按图1驱动时的驱动和制动能
量的计算值。

在能量计算时，根据驱动阻力，驱动能量值大于制动能量值。

但是，如果假设所有的制动能量可以
被回收，与没有能量挥手的情况相比，驱
动能量可以降低35%，因此认为工作效率高。

然而，制动能量的实际回收水平低于
表1的值。

表1城市驱动模式的能量比较
驱动模
式
(1)驱动
能量
(2)制动
能量
((1)－
(2))/(1)
M15 582wh 365wh 0.372 Tokyo 1841wh 1205wh 0.345 如表2 所示，效率下降的主要原因是
储能设备效率的原因。

表2能量储存效率的比较
二十一世纪80年代前酸电池＋有刷
DC电机是使用的主要方式；同样，铅酸电
能量
储存
设备
铅酸
电池
＋
有刷
DC电机
铅酸
电池
＋
无刷
AC电
机
锂离
子电
池
＋
无刷
AC
电机
Hydraulic
pump
＋
储能器
效率0.42 0.68 0.85 0.8~0.9
池＋无刷AC电机结合应用的主要在90年代。

这十多年来，锂离子电池＋无刷AC 电机是常用的方法。

从上表可以看出，过去的20年中，在电池和电机技术方面的进展是效率提高了一倍。

Hydraulic 储能器方法（或MEBCS）具有更高的效率，燃料的经济性被认为是这种方法由于铅酸电池＋有刷DC电机的主要原因之一。

还有，第二个引起实际制动能回收水平比表1数据低的原因是能量储存装置的容量。

表3为几种储能设备的最大输出比功率和最大比能量
从表3可以看出，输入密度低于输出密度；但是，表4表明，在市内行驶期间，Tokyo中在对刹车力大于相关的最大驱动力。

如果，根据实际情况，将电池的容量设置为可以吸收所有的制动能量，输出功率将超量以及电池重量也会提高。

所以，输出功率（即电机输入功率）被标准化，许多电池的容量设置也是这样。

表4室内行驶模式的最大驱动&制动
力（KW）
行驶模式最大驱动力最大制动力M15 110.3 69.4
TOKYO 119.9 135.5
在第一个例子中，铅酸电池的容量计算是根据表4中TOKYO在市内环境行驶下的驱动和制动力来的。

假设电机效率（也是发电效率）为90%，根据电池可以吸收最大的制动力计算，其重量超过717Kg。

但是，当输出标准化以及随之电池容量被确定后，可以发现电池的重量可被减少到533Kg。

然而，在这样的设置下，可以被吸收的驱动力仅为101KW，接近最大制动力的80%。

因此，认为传统的铅酸电池不能提供足够的容量，以及在大多数情况下，存在全部的制动能量不能被回收。

但是，再采用新的锂离子电池的情况下，能够吸收最大制动力的要求质量为287Kg，这表示相对于实际应用水平的提高。

然而，hydraulic能量的储存的储存器具有无限输入功率密度的特点。

因此，与电池相比，这种方法可以提高相当优秀的能量吸收性能；但是，能量密度低，在公共交通巴士系统中应用这种储能器的重量为460Kg。

在上面已详细描述过，目前认为提高制动能量回收效率最有效的方法是采用锂离子电池和无刷交流电机相结合的模式。

因此，决定在HEV的研制中采用此种方法。

2.2 发动机工作特点优化的结果
图2 为Tokyo城市内用的大型公共交通巴士的发动机工作图，可以看出，对于这种类型的标准发动机驱动车，对于这些点发动机速度和扭矩在很宽的范围内可以应用。

因此，对于车来说，在低扭矩—输出范围内有燃料效率低的倾向。

对于串动式的HEV，当负荷高时，发动机效率最大，如果发电机此时工作，可以使燃料的消耗
减少。

并且，如2、1节讨论的那样，串动式HEVS具有驱动—能量发电的能力，因此，可以采用一个比较标准车辆驱动类型更小、更紧凑的发动机。

对于发动机工作处于高负荷、高效率点，损失部分减少，相当于减少了燃料消耗。

3、对大型公共交通HEV巴士基本情况的研究
3、1 HEV体系的特点
上面已说明，为了使制动能量可以回收利用，HEV将发动机和发电机、电池结合在一起。

并且，发动机也处于最高效率工作点。

因此认为这样的汽车可以达到更高的经济性。

如图3所示，根据上述的组合行为，存在三种类型的组合结构。

表5说明了每种类型的HEV的有利和不足点。

表5 HEV体系的优点和缺点
类型串动式并动式混动式
驱动体系效率差优秀
良好~
优秀
制动能量吸收优秀差
良好~
优秀
发动机
工作点的优化优秀良好
良好~
优秀
驱动系
统装配
容易性
优秀良好差体系重
量及成
本
良好良好差
应用Canter
HEV
Hino
HIMR
Toyota
Prius
Coaster
HEV
Honda
insight
在串动式结构中，发动机和轴没有直
接连接，发动机驱动发电机，产生电能驱
动电机，电机驱动车辆。

由于没有这样的连接，当确定各部件
在车辆中的位置时具有更大的自由度，尤
其是与驱动系统有关的部件；因此，串动
式结构是新型Low—floor巴士理想的结
构。

并且，由于在加速期间的峰值输出可
以分布在电池之中，可能使发动机更紧凑
而且也使其工作在最高的燃油效率点。

然而，这种类型的结构特点是驱动系
统的各部分是串联连接的，整个驱动系统
的效率为各单元的效率之乘积，因此实际
上其效率低于标准manual—
transmission车辆的效率。

但是，如果采用大输出功率的电机来
提供动力和制动力，以及如果电池容量足
够高，车辆的制动的大部分能量可以被回
收。

因此，这种类型的HEV结构是适合于
城市行驶条件的，因为在此环境中起动、
停车的频率相当高，串动式结构尤其适合
于在公交车部之间的短距离路线上行驶
的巴士。

并动式的结构，电机补偿发动机的输
出功率，因此，这样的车与传统的发动机
车辆具有相同的驱动模式，除了多一个电
机外。

这种系统的安装与传统的发动机驱
动车辆一样容易，驱动系统的效率可以达
到相当好的水平。

在电池充电容量减少的情况下，电机
当作发电机进行工作，对电池进行充电，
使发动机达到最大功率进行工作。

因此，
这种体系的HEV体系不需要再设置一个发
电机，是一种简单的结构。

但是，因为电
机仅趋向用于对发动机的功率进行补偿，
输出功率水平低，所以驱动能量挥手水平低。

因此，并动式体系更适合于提高驱动系统的效率而不是制动能量的挥手。

因此可以这样说，这种体系适合于连续行驶的条件下，而不是城市内的环境。

因此，可以假设将上述串动式、并动式结构进行结合：当在连续起、停的城市环境中行驶时，主要模式为串动式模式，即具有良好的制动能量回收能力。

当在郊区或长距离连续行驶时，用高效的发动机来直接进行驱动。

但是，在这种形式结构中，将发动机、电机、发电机合适地连接在一起是很有必要的，与标准的发动机驱动车辆相比，起装配的容易性受到阻碍；并且，由于发动机和发电机都有很高的输出功率，这种结构的重量大，成本高。

上面所提及的这些因素在后面对研发需求的确定中要进行全面考虑，选择串动式结构作为公共交通巴士的最合适的结构。

1、stepless、low-floor车结构
重点在于给HEV提供高的设置自由
度；
2、重量水平与传统的车辆相同
发动机被制作的更紧凑一补偿电池
和其他部件的重量
3、限于市内行驶（低排放、高效率）
重点在于制动能量的回收
4、降低外延成本及其他成本
3.2电池容量的研究
在调查HEV电池容量时，发现在欧美大型巴士上实际应用的是铅酸蓄电池，容量为55KWh。

但是如果采用新开发的高性能锂离子电池，从表3的容量、能量密度值可知需要电池的重量为917Kg，此值高于三菱已经研制的实际应用的MBECS体系。

因此，达到“重量与传统的内燃机车辆相同”的研制目标比较困难。

因此，决定根据在市内环境行驶期间的制动能来确定所需要的电池容量。

图4说明在城市环境中行驶可回收的制动能的分布。

由此，如果可以证明可以挥手的力接近150KW，在日本城市环境中驱动研制的应用是可能的。

根据发电期间电机的效率，最大可提供给电池的实际输入为135KW。

根据表3数据要求，在此水平下要求锂离子电池的重量为318Kg，此重量在实际应用能力的范围之内。

在此设置的电池容量是19KWh，比欧美大型HEV巴士上应用的电池容量的一半还要低；但是，由于在日本对纯EV模式驱动几乎没有需求，决定继续这种电池的发展计划。

3.3发动机输出的研究
对上面提及的规划，锂离子电池的最大输出是318KW，与表4指出的，与各种内驱动模式的最大驱动模式相比，这种水平是足够的。

因此，为了使发动机对电池的充电比例保持恒定，产生的电能略高于表1所示的驱动和制动能之间的差距。

表6 城市驱动模式需要的发动机一输出（KW）
电输出的要求，当停止或没有进行制动时，发电是连续进行的。

从表1的能量平衡计算可以说明，当制动能量用于重新发电时，需要的驱动能量可以被减少近65%；但是，根据电池和电机之间的连接效率，作为制动能重新发电的结果，要求发电输出的减少量可下降到土6指出的35%的低
水平。

尽管制动能可以储存在电池中，但认为从发电机产生的能量直接转到电机，不经过电池，并且因此提高了释放电流，证实是有效的。

因此，发电机输出功率设置在40KW。

3、4 发动机的研究
如2、2提及的那样，为了提高燃油的经济性，使发动机在高负荷条件下有效地工作。

并且，也认为发动机应当空调等附属装置。

发动机的工作点如图5所示，研制的目标集中在高校燃料经济性范围内工作，也使其产生的能量要求来驱动复杂的装置，此外，当air conditioner was started 时，也致力于消除对发动机速度提高的要求。

因此，决定采用三菱8.2升，6缸内燃机作为HEV的发动机。

4、能量效率
用相似的计算方法来确定HEV巴士在正常和市区驱动环境中的能量效率，得到的结果见表7、表8。

表7、8的数据表明，在正常行驶期间，速度为40Km/h，或略高一些，一般的内燃机车比开发的HEV有较高程度的能量效率。

尽管采用串动式HEV结构无法避免这种情况，但可以看出，在城市内交通条件下，采用HEV更好，这种形式的车适合于公共交通巴士。