基于增程式電動商用車的增程器匹配和能耗分析

解少博，劉璽斌，李司光，王 佳

(1．長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安710064;2．陜西汽車集團有限責任公司，陜西 西安710049)

0 引言

隨著能源危機的加劇和政府制定越來越嚴格的環(huán)保標準，發(fā)展新能源汽車成為未來汽車工業(yè)的必然選擇［1-2］． 其中，純電動汽車以高效、節(jié)能和零排放等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注．然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下動力電池尚未突破能量密度小、續(xù)駛里程短和價格昂貴的瓶頸，作為過渡階段的增程式電動汽車通過配置由發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成的增程器，在動力電池荷電狀態(tài)下降至一定限度時給車輛提供能量，既能發(fā)揮純電動汽車的優(yōu)勢，又能有效彌補其續(xù)駛里程短的不足之處，成為現(xiàn)階段新能源汽車的發(fā)展方向之一［3-6］．

對于增程式電動汽車而言，當需求續(xù)駛里程較短時，如在市區(qū)內(nèi)行駛，車輛工作在純電動模式;而當車輛需求續(xù)駛里程較長時，增程器開啟使車輛進入增程模式．在增程模式下，發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成的增程器可以給驅(qū)動電機提供功率，也可以為電池組充電，即將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能和電池組的電能．因此，增程器的效率將直接影響到整車的燃油經(jīng)濟性．可以說，合理地選擇發(fā)動機和發(fā)電機對增程式電動商用車的經(jīng)濟性有重要意義．

以往文獻多研究增程式電動汽車的整車動力系統(tǒng)匹配及由發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成的特定增程器的特性，而對構(gòu)成增程器的發(fā)動機和發(fā)電機匹配及其對能耗的影響關(guān)注的相對較少． 筆者針對一款正在研發(fā)的增程式電動商用車底盤，在給定增程器發(fā)電機的前提下，對兩款發(fā)動機和發(fā)電機的匹配進行了比較，分析兩種匹配方案對整車能耗的影響，從而為增程器的匹配和整車的優(yōu)化設(shè)計提供參考．

1 整車結(jié)構(gòu)和參數(shù)選型

整車參數(shù)、驅(qū)動電機和電池等主要部件參數(shù)見表1，整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示．

表1 車輛主要參數(shù)Tab．1 Parameters of the vehicle

圖1 增程式商用車結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of the extended－range vehicle

2 增程器效率

增程器由發(fā)動機和發(fā)電機通過機械連接構(gòu)成，能夠在增程模式下向外輸出功率，給驅(qū)動電機提供動力，還可以給電池組補充電量．由電動商用車的設(shè)計指標并考慮到車輛主要在市區(qū)內(nèi)運行，參考中國典型城市工況，同時結(jié)合附件功率，選擇額定功率為60 kW 的永磁電機為增程器的發(fā)電機，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min． 該發(fā)電機的效率圖如圖2 所示．

圖2 發(fā)電機效率圖Fig．2 Efficient map of the generator

在確定了發(fā)電機之后，需要匹配合適的發(fā)動機與之匹配向外輸出功率．現(xiàn)有兩款(I#和II#)排量均為2．78 L，額定功率分別為96 kW 和92 kW的發(fā)動機可供選擇，其參數(shù)如表2 所示，油耗特性分別如圖3 和圖4 所示．

表2 兩款發(fā)動機基本參數(shù)對比表Tab．2 Parameters of the two engines

圖3 I#發(fā)動機油耗圖Fig．3 Fuel map for engine I

圖4 II#發(fā)動機油耗圖Fig．4 Fuel map for engine II

由于兩款發(fā)動機有不同的油耗特性，從而有兩種不同的增程器匹配方式． 在相同的整車控制策略下，車輛在增程模式下的燃油消耗將會呈現(xiàn)差異．由發(fā)動機的油耗特性和發(fā)電機的效率特性，可以得到兩款增程器的效率特性圖，分別如圖5和圖6 所示．

3 整車仿真與能耗分析

為了對兩款增程器的油耗特性進行分析，在Matlab/Simulink 中搭建了增程式電動商用車正向仿真模型．由牽引電機的外特性和效率特性來實現(xiàn)駕駛員行駛意圖的解析，由發(fā)動機的萬有特性計算增程模式下的油耗，由發(fā)電機的外特性和效率特性得到增程器的輸出功率． 動力電池組為Rint 模型．駕駛員模型采用PID 控制，跟蹤目標車速進行加速踏板和制動踏板開度的調(diào)節(jié)． 仿真工況選擇為連續(xù)的中國典型城市公交工況［7］，共計100 km 構(gòu)成．

圖5 I#發(fā)動機對應(yīng)的增程器最優(yōu)效率曲線Fig．5 The optimal efficient line for engine I

圖6 II#發(fā)動機對應(yīng)的增程器最優(yōu)效率曲線Fig．6 The optimal efficient line for engine II

對于車輛能耗的計算，參考標準［8］，將行駛過程中消耗的電量折算為燃料消耗，兩者的關(guān)系為

式中:Vfuel為折算的柴油消耗量;Ek為消耗的電池能量;efuel為柴油密度;Qfuel-low為柴油燃燒的低熱值;ηeng為發(fā)動機的平均工作效率;ηgen為電機的平均工作效率．

車輛在行駛過程中純電動模式和增程模式的切換通過判斷電池組SOC 實現(xiàn)，即當電池組SOC大于35%時，車輛工作在純電動模式;當電池組SOC 小于25%時，車輛進入增程模式．同時，在增程模式中考慮了兩種控制策略:一種為增程器定點發(fā)電，即發(fā)動機和發(fā)電機運行在固定的工作點;另一種為功率跟隨模式，即發(fā)動機和發(fā)電機的工作點隨著目標功率的變化而發(fā)生變化，并且為了實現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟性，發(fā)動機和發(fā)電機的工作點沿增程器最佳效率曲線運行．另外，在功率隨動模式下，為了對比分析不同的增程器輸出功率范圍對整車油耗的影響，筆者選擇了30 ～40 kW 和25 ～40 kW 兩種功率輸出范圍，見表3．

表3 不同控制策略下的油耗對比Tab．3 Fuel comparison for the two engines

(1)增程器定點發(fā)電． 在恒功率定點發(fā)電模式下，發(fā)動機和發(fā)電機運行在固定的工作點并向外輸出功率．結(jié)合城市公交工況的平均功率需求并考慮提高發(fā)動機的負荷有助于改善燃油經(jīng)濟性，選擇增程器的輸出功率為35 kW．

對于I#發(fā)動機，與該輸出功率對應(yīng)的增程器最優(yōu)效率曲線上的工作點轉(zhuǎn)速為1 679 r/min，扭矩為230 N·m，在該工作點下，增程器的整體效率可以達到0．38．

由于具有相同的控制策略和輸出功率，兩種增程器的輸出功率和電池組的充放電電流均相同．電池組的SOC 在車輛行駛過程中的變化和油耗如圖7 所示，可以看到，在前4．2 h 車輛工作在純電動模式，之后增程器開啟車輛進入增程模式，在該模式下，發(fā)動機開始工作，整車的燃油消耗不斷上升．在行駛結(jié)束時，I#發(fā)動機對應(yīng)的車輛的電池組SOC 降至0．32，消耗燃油11．35 L，整車的等效百公里油耗為30．90 L，見表3．

圖7 電池組SOC 和消耗燃油量Fig．7 Battery’s SOC and fuel consumption

對于II#發(fā)動機，從增程器工作效率、發(fā)動機負荷率以及發(fā)動機工作穩(wěn)定性的角度考慮，選擇發(fā)動機和發(fā)電機的工作點為轉(zhuǎn)速1 730 r/min，扭矩226 N·m．從仿真結(jié)果來看，行駛結(jié)束時II#發(fā)動機對應(yīng)的車輛的電池組SOC 變?yōu)?．32，消耗燃油11． 08 L，整車的等效百公里燃油消耗為30．63 L，見表3． 在該工作點下增程器的系統(tǒng)效率也達到0．38．

(2)增程器沿最優(yōu)效率線運行，輸出功率范圍為30 ～40 kW．增程器在功率跟隨模式下，向外輸出的功率隨工況需求而不斷變化．同樣，考慮到城市公交工況下的平均功率需求和發(fā)動機負荷水平對其經(jīng)濟性的影響，選擇增程器的輸出功率為30 ～40 kW．

I#發(fā)動機對應(yīng)的電池SOC 和油耗變化如圖8(a)所示．從圖中可以看出，在行駛結(jié)束時，電池組SOC 變?yōu)?．34，消耗燃油12．55 L，整車的等效百公里油耗為31．42 L．增程器工作點的分布如圖8(b)所示． 可以看到，工作點處于增程器最優(yōu)效率曲線上，效率在0．37 ～0．38 之間．

圖8 I#發(fā)動機功率隨動發(fā)電仿真結(jié)果Fig．8 Simulation results for engine I

II#發(fā)動機對應(yīng)的增程器輸出功率范圍同樣為30 ～40 kW，在行駛終了，電池組SOC 變?yōu)?．34，消耗燃油12．58 L，如圖9(a)所示． 對應(yīng)的增程器工作點分布如圖9(b)所示，工作點的效率在0．38 附近．

(3)增程器沿最優(yōu)效率線運行，輸出功率范圍為25 ～40 kW． 為了研究增程器輸出功率范圍的變化對整車油耗和電池組充放電電流的影響，設(shè)置增程器輸出功率在25 ～40 kW 之間．

圖9 II#增程器功率隨動發(fā)電仿真結(jié)果Fig．9 Simulation results for engine II

整車的等效百公里油耗分別為31． 96 L 和31．73 L，見表3．I#發(fā)動機對應(yīng)的增程器的工作點效率見圖10，效率處于0．37 ～0．38 之間，II#發(fā)動機對應(yīng)的增程器的工作點效率見圖11，效率在0．38附近．

圖10 I#增程器工作點效率分布Fig．10 Efficiency of the APU’s working points

4 結(jié)論

(1)通過發(fā)動機的油耗特性和發(fā)電機的效率特性，得到了應(yīng)用于增程式電動商用車的兩款增程器的效率特性及最佳效率曲線．同時，進行了增程式電動商用車的百公里工況行駛仿真．

圖11 II#增程器工作點效率分布Fig．11 Efficiency of the APU’s working points

(2)從兩款增程器的能耗仿真分析可以看出，定點發(fā)電策略的整車等效百公里油耗低于功率隨動策略下的油耗．

(3)從定點發(fā)電的角度來看，I#發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成的增程器對應(yīng)的整車等效百公里油耗略大于II#發(fā)動機對應(yīng)的車輛等效百公里油耗．

(4)從能量消耗的角度來看，在功率隨動模型下，當設(shè)置的增程器輸出功率的上下限在較寬的范圍時，會增大車輛的等效百公里油耗．

［1］ 歐陽明高，李建秋，楊福源，等． 汽車新型動力:系統(tǒng)，模型與控制［M］． 北京:清華大學(xué)出版社，2008．

［2］ 陳清泉，孫逢春，祝嘉光，等． 現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］． 北京:北京理工大學(xué)出版社，2002．

［3］ TATE E D，HARPSTER M O，SAVAGIAN P J． The electrification of the automobile:from conventional hybrid，to plug-in hybrids to extended-range electric vehicles［C］//2008 World Congress． SAE technical Paper，2008:156 -166．

［4］ JOCHEM W，KEVIN R，DAVIE G． Development of electric and range-extended electric vehicles through collaboration partnerships［J］． SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical System，2010，3(2):215 -219．

［5］ 胡明寅，楊福源，歐陽明高，等． 增程式電動車分布式控制系統(tǒng)的研究［J］． 汽車工程，2012，34(3):197 -202．

［6］ XU Liang-fei，YANG Fu-yuan，HU Ming-yin，et al．Comparison of energy management strategies for a range extended electric city bus［J］． Journal of University of Science and Technology，2012，42(8):640-647．

［7］ 國家發(fā)展和改革委員會．QC/T 759—2006 汽車試驗用城市運轉(zhuǎn)循環(huán)［S］． 北京:中國標準出版社，2006．

［8］ 全國汽車標準化技術(shù)委員會．GB/T 19754—2005 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］． 北京:中國標準出版社，2015．