详解宇通公交车插电式混联气电混合动力系统（一）

由于购买插电式混合动力系统的公交车能继续享受新能源汽车财政补贴（非插电式混合动力客车已不再属于新能源汽车范畴）以及免征车辆购置税，因此，国内的插电式混合动力公交客车市场销售情况良好。本文以宇通ZK6125CHEVNPG4公交车为例，详细分析其安装的插电式混联气电混合动力系统。

1．插电式混联气电混合动力系统的组成

宇通ZK6125CHEVNPG4公交车安装的插电式混联气电混合动力系统主要由液化天然气（LNG）发动机、扭转减振器、集成式启动机／发电机ISG （Integrated Starter andGenerator，简称ISG电动机）、电控离合器、主驱动电动机、超级电容及管理系统、锉电池组、整车控制器、五合一电动机控制器、双向斩波控制器、DC/DC转换器、电动助力转向油泵及电动机、挡位操纵面板、混合动力系统专用翘板开关及组合仪表等组成（图1）。

2．玉柴LNG发动机工作原理

宇通ZK6125CHEVNPG4插电式混合动力公交车可以根据用户的需要选装液化天然气发动机，配套的LNG发动机为玉柴YC6G230N-50，发动机最大功率为161 kW。该LNG发动机是以同系列的增压中冷柴油机为原机，根据使用天然气的需要，降低了压缩比，并对燃烧系统、凸轮型线及配气相位等进行了改进设计，去掉了柴油供给系统而加装了天然气供给系统、点火系统、增压压力控制系统及发动机电控系统（美国E-Controls公司产品）等。

如图所示，来自LNG气瓶的液态天然气，经过汽化器加热汽化成气态的天然气；稳压器将压力比较高的（约1.6 MPa）的天然气降低压力，并稳定在0.7 MPa～0.9 MPa；降压后的天然气通过低压滤清器过滤后进入电控调压器，电控调压器根据发动机运行工况精确控制天然气的喷射量；天然气与空气在混合器内充分混合，经过电子节气门控制进入发动机气缸内，并经火花塞点燃进行燃烧做功；火花塞的点火由发动机控制模块（ECM）控制，宽带氧传感器实时检测燃烧后废气中氧的含量，ECM根据氧传感器的反馈信号并修正天然气的喷射量，实现对空燃比的闭环控制。另外，ECM还通过废气旁通阀对增压压力进行闭环控制。

（1）汽化器。汽化器的主要作用是将液态的天然气经过加热，汽化成气态的天然气。汽化器安装在汽车底盘上，布置汽化器时，应尽可能靠近发动机，以减少天然气在管路中流动的阻力。汽化器利用发动机的冷却液来加热液态天然气，汽化器的安装位置不应高于发动机散热器顶部，否则会导致冷却液不能流经汽化器，造成汽化器结冰，甚至冻裂。

（2）稳压器。当气瓶内的液态天然气吸收外界热量而温度升高时，气瓶内最高压力可能会超过1.6 MPa，而玉柴发动机使用的最高燃气压力为1.38 MPa，超过该压力可能导致电控调压器失效、发动机无法启动等故障。在汽化器和低压电磁阀之间安装稳压器，通过稳压器的泄压作用，使压力降低至稳压器设定压力，以保证进入发动机的天然气压力符合发动机要求。稳压器出口安装了一个压力表，可以直观显示稳压器出口的压力。

（3）低压电磁阀。低压电磁阀的作用是用于接通和切断天然气低压管路的燃气供给。在停机状态下起到阻止燃气泄漏的作用，以保证发动机的使用安全。

低压电磁阀的特性参数：工作电压为24 V、功率为8W、工作压力为0.01 MPa～1.8 MPa.

（4）电控调压器。电控调压器（EPR）由内置微处理器和大功率的高速电动机组成，用于精确控制天然气的供给量，其作用类似于一个燃料喷射泵，主要功能为按照发动机ECM的压力指令来控制EPR的出口压力，控制参数为EPR出口压力与连接到EPR的反馈管压力之差（LNG燃料与空气的压力差），EPR与ECM之间采用CAN总线通信，EPR接收来自于ECM的指令信号，其内部的微处理器将ECM的指令信号转换成驱动信号并驱动EPR内部的高速电动机，使EPR的实际出口压力与反馈管压力之差与目标压差值吻合，并且通过一个压差传感器来对出口压力与反馈压力差值进行实时检测并反馈至EPR微处理器，实现出口压力的闭环控制。

（5）混合器。混合器是依据文丘里效应制成的，其主要作用是将天然气和中冷后的空气充分混合，使燃烧更加充分、柔和，有效降低NOx排放和排气温度。

3．插电式混合动力系统的主要部件

3.1高压储能装置

宇通插电式混合动力公交车采用了超级电容及铿电池组共同组成高压储能系统，充分利用超级电容的高功率密度、铿电池组的高能量密度的优点，提高储能系统的充放电效率，同时对锉电池组具有保护作用，可有效延长锉电池组的使用寿命。

（1）超级电容及管理系统。超级电容安装在车内后部的高压设备舱右侧，采用了美国麦克斯威公司生产的超级电容，超级电容由12个超级电容模块串联而成，单体超级电容模块的电压为48 V，超级电容的总电压为576 V。12个超级电容模块集成在一个超级电容箱体内，分三层布置，每层布置4个模块，每个模块都有对应的风扇进行冷却。

超级电容的容量在仪表上以百分比的形式显示，仪表上显示符号为“SOC” （State Of Charge）。

超级电容管理系统安装在超级电容箱体后面的地板上，为超级电容的保护设备，其主要作用是为超级电容提供过压保护及过温保护。

超级电容管理系统具有高压、压差、过压、高温、温差、绝缘检测、总电流检测及风扇控制等功能；其端面上有高压检测口、控制口、温度检测口、电压检测口A和电压检测口B等5个端口。超级电容管理系统通过一个四芯数据线向整车控制器传递工作状态信息，通过上述信息，整车控制器可以判断超级电容工作是否正常。

（2）锉电池组及双向斩波控制器。狸电池组安装在车内后部的高压设备舱左侧。选用了中信国安盟固利公司生产的锰基锉离子电池组，其标称电压为153.6 V，额定容量为80A·h。

高压锉电池组主要由金属箱体、电池模块、电池管理系统、电器系统（高压继电器、预充继电器、熔丝等）及散热系统等组成（图7）。

双向斩波控制器（也称为DC/DC转换器）位于铿电池组支架的左上方，用于对铿电池组的电压及电流进行智能控制。

（3）双电源系统。宇通插电式混合动力公交车由超级电容及锉电池组共同组成一个双电源系统。其中，10 m～14 m插电混合动力公交车，采用了低电压平台（150V～180V），18 m插电混合动力公交车采用了高电压平台（450 V～540 V）。采用双电源系统，可以充分利用超级电容的大电流充放电特点，制动时能回收更多的能量；利用锉电池组能量、密度高的特点，平衡超级电容的能量，提高纯电行驶的能力及动力性；采用双向斩波控制器对锉电池组的充放电电流及电压进行控制，可延长电池的使用寿命。

宇通ZK6125CHEVNPG4公交车双电源系统如图8所示，其特点是锉电池组放电时需升高电压，而充电时需降低电压，电压的转换是通过双向斩波控制器来智能控制。

（4）外接充电。宇通ZK6125CHEVNPG4公交车的充电接口位于车辆左侧最后一块侧窗玻璃下方（高压设备舱外左侧，图9），晚班车辆收车后，可以利用价格相对便宜的电网低谷电力给锉电池组充电。该插电式混合动力公交车分别安装了交流充电接口及直流充电接口，其中，交流充电接口采用7芯充电枪，直流充电接口采用9芯新国标充电枪。具备直流充电条件的，可通过直流充电枪进行快速充电，若无直流充电设备时，也可利用380 V交流电，通过车载双向斩波控制器对锉电池组进行充电。