增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力參數(shù)匹配與性能仿真

周亞洲，牛禮民，楊洪源，尹 然

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力參數(shù)匹配與性能仿真

周亞洲，牛禮民，楊洪源，尹 然

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

為將一款純電動(dòng)汽車(chē)改裝為增程式電動(dòng)汽車(chē)，通過(guò)對(duì)増程器工作模式和原理的分析，對(duì)増程器的發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配，得出合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)合MATLAB/Simulink與ADVISOR軟件平臺(tái)對(duì)改裝前后的整車(chē)在相同循環(huán)工況(CYC_UDDS)下進(jìn)行對(duì)比仿真分析。結(jié)果顯示，改裝后的增程式電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程達(dá)177.8 km，且整車(chē)的動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性控制在合理的范圍內(nèi)，表明文中所提純電動(dòng)汽車(chē)改裝方案是可行、有效的，為后續(xù)實(shí)車(chē)改造和整車(chē)路試實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。

增程式；續(xù)駛里程；參數(shù)匹配；仿真分析

能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)突出，致使能源消耗較大的汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展日益受到限制，因此開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)已成為各國(guó)汽車(chē)公司的共識(shí)。其中純電動(dòng)電車(chē)以零排放、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)獲得了大眾的青睞，但受到動(dòng)力電池技術(shù)的限制，其難以達(dá)到傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的續(xù)駛里程，且一般的純電動(dòng)汽車(chē)成本較高，導(dǎo)致其難以較快發(fā)展與普及。作為純電動(dòng)汽車(chē)的一種較低成本的替代方案，增程式電動(dòng)汽車(chē)是目前最有實(shí)際應(yīng)用前途的車(chē)型，也是純電動(dòng)汽車(chē)的平穩(wěn)過(guò)渡車(chē)型[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。Matt等[2]在某型增程式電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝氫氣和普通燃油的雙能源發(fā)電系統(tǒng)(Dual-Power Generation System)對(duì)其進(jìn)行改造，使該型增程式電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程得到了很大提升；趙世靖等[3]針對(duì)傳統(tǒng)增程式電動(dòng)汽車(chē)提出了一種新型雙軸傳動(dòng)系統(tǒng)，在滿(mǎn)足動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的要求下，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配，MATLAB分析表明，該新型傳動(dòng)方案能夠顯著提高原型車(chē)性能；申彩英等[4]在分析駕駛員駕駛習(xí)慣的基礎(chǔ)上，以滿(mǎn)足相關(guān)性能指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)進(jìn)行匹配，CRUISE軟件仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車(chē)滿(mǎn)足性能要求。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)的研究主要集中在動(dòng)力結(jié)構(gòu)及參數(shù)匹配上，以?xún)?yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性、提高整車(chē)動(dòng)力性能與續(xù)駛里程為目的。

本文以滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性能并提高續(xù)駛里程為目標(biāo)，從工程實(shí)踐出發(fā)，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)原型車(chē)進(jìn)行加裝増程器的改裝，并采用MATLAB/Simulink和ADVISOR兩款軟件對(duì)純電動(dòng)原型車(chē)與改造后的增程式電動(dòng)汽車(chē)分別進(jìn)行動(dòng)力性能、續(xù)駛里程性能聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證將純電動(dòng)汽車(chē)改造成為增程式電動(dòng)汽車(chē)的方案可行性。

1 增程式電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)與原理

增程式電動(dòng)汽車(chē)(Extended Range Electric Vehicle，EREV)是一種將發(fā)電與充電兩種過(guò)程結(jié)合在一起的新型電動(dòng)汽車(chē)，基本結(jié)構(gòu)如圖1。汽車(chē)內(nèi)部配有小功率發(fā)動(dòng)機(jī)，并且與發(fā)電機(jī)串聯(lián)集成在一起共同組成増程器，起到發(fā)電并向動(dòng)力電池充電的作用。EREV在行駛時(shí)，可以在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)與增程驅(qū)動(dòng)2種工作模式[5]下切換運(yùn)行，模式切換的依據(jù)是蓄電池的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)閾值。

圖1 增程式電動(dòng)汽車(chē)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of EREV

増程器的工作模式見(jiàn)表1。在純電動(dòng)模式下，蓄電池的SOC值在設(shè)定的正常范圍內(nèi)，運(yùn)行模式如圖2。此時(shí)增程式電動(dòng)汽車(chē)與普通純電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行原理基本相同，増程器不工作，蓄電池向驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)減速器傳遞至車(chē)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。

表1 増程器的工作模式Tab.1 Working patterns of range extender

在增程模式下，蓄電池的SOC值低于設(shè)定的最低閾值，運(yùn)行模式如圖3。此時(shí)増程器的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(Engine Control Unit，ECU)控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并運(yùn)行在最佳狀況，使發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能首先進(jìn)入功率分配裝置，一部分供給電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，并且當(dāng)車(chē)輛停止時(shí)，可以利用市電為蓄電池充電。

圖2 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式Fig.2 Operation pattern of pure electric drive

與純電動(dòng)汽車(chē)相比，增程式電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)?yán)m(xù)駛里程得到了較大提升，可以隨時(shí)在加油站加油。由于增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小，其排放及燃油經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)統(tǒng)燃油汽車(chē)，長(zhǎng)距離行駛油耗比較低，大部分情況下發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，噪聲小。相較于純電動(dòng)汽車(chē)的放電深度(Depth of Discharge，DOD)，增程式電動(dòng)汽車(chē)可以淺度充放電，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命[6]。

2 増程器參數(shù)匹配

文中選用的原型車(chē)為眾泰公司的知豆E20純電動(dòng)汽車(chē)，整體外觀見(jiàn)圖4，基本參數(shù)見(jiàn)表2，改裝后的性能要求見(jiàn)表3。

増程器的參數(shù)匹配是進(jìn)行改裝的重要環(huán)節(jié)之一，只有進(jìn)行正確、合理的參數(shù)匹配與選型，才能使改裝后增程式電動(dòng)汽車(chē)滿(mǎn)足動(dòng)力性及續(xù)航里程的要求。増程器的參數(shù)匹配包括發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配和發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配，當(dāng)整車(chē)需求功率較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由蓄電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)整車(chē)需求功率較大時(shí)，如爬坡、加速時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滿(mǎn)足整車(chē)的功率需求[7?9]。

増程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇對(duì)于整車(chē)設(shè)計(jì)尤為重要，汽車(chē)的加速性能和爬坡性能可以由汽車(chē)的最高車(chē)速來(lái)體現(xiàn)。因此常根據(jù)汽車(chē)的最高車(chē)速來(lái)初步選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，此時(shí)理論設(shè)計(jì)功率[7]應(yīng)滿(mǎn)足

式中：PR是發(fā)動(dòng)機(jī)理論設(shè)計(jì)功率；ηt是傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m是汽車(chē)質(zhì)量；g是重力加速度，取9.81 m/s2；f是滾動(dòng)阻力系數(shù)；vmax是汽車(chē)最高車(chē)速；CD是風(fēng)阻系數(shù)；A是汽車(chē)的迎風(fēng)面積。式中各參數(shù)取值見(jiàn)表2，經(jīng)計(jì)算得到増程器發(fā)動(dòng)機(jī)的理論設(shè)計(jì)功率PR=6.59 kW。

發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率應(yīng)大于理論設(shè)計(jì)功率6.59 kW，以滿(mǎn)足一定的冗余功率需求，如電路負(fù)載、車(chē)內(nèi)燈光、空調(diào)等，這里選用的増程器發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程雙缸汽油機(jī)。則増程器的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為：功率10 kW，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，排量0.17 L。

圖3 增程驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式Fig.3 Operation pattern of extended range drive

圖4 原型純電動(dòng)汽車(chē)整體外觀Fig.4 Appearance of the pure electric vehicle

表2 整車(chē)基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of prototype vehicle

表3 改裝后增程式電動(dòng)汽車(chē)性能要求Tab.3 Performance requirements of the modified EREV

根據(jù)所選的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗Map圖[8]，可以計(jì)算出滿(mǎn)足增程式電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程所需要的油箱容積，為

式中：S為增程里程，取100 km；fg為發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作點(diǎn)處的油耗，取150 g·kW-1·h-1；Pg為發(fā)動(dòng)機(jī)高效點(diǎn)處的功率，為5.09 kW；va為勻速行駛車(chē)速，取40 km/h；ρ為燃油密度，取0.737 g/mL；η為發(fā)動(dòng)機(jī)油電轉(zhuǎn)換效率，取0.8，計(jì)算得V=3.2 L。

對(duì)于與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連的發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到電機(jī)與蓄電池的具體參數(shù)。表4，5分別是原型純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)(直流永磁同步電機(jī))性能參數(shù)與蓄電池的相關(guān)參數(shù)。

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)低噪聲的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子為永磁體，效率高、功率密度大，在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用范圍廣，故増程器的發(fā)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)[9]，發(fā)電機(jī)的理論設(shè)計(jì)功率PG滿(mǎn)足下式

其中ηm是電機(jī)效率，這里取ηm=0.9。計(jì)算得PG=7.3 kW，此處取發(fā)電機(jī)輸出功率7.5 kW，額定輸出電壓為12 V，最大轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

綜上，匹配后増程器的參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)功率10 kW，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，排量0.17 L，油箱容積3.2 L；發(fā)電機(jī)額定功率7.5 W，額定輸出電壓72 V，最大轉(zhuǎn)速5 000 r/min。

表4 電機(jī)性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of motor

表5 蓄電池性能參數(shù)Tab.5 Performance parameters of battery

3 仿真與分析

采用MATLAB/Simulink和ADVISOR(Advanced VehIcle SimulatOR)軟件對(duì)原型純電動(dòng)汽車(chē)及增程式電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)2種不同配置車(chē)型的動(dòng)力性能和續(xù)航里程進(jìn)行驗(yàn)證，分析加裝増程器對(duì)電動(dòng)汽車(chē)性能的影響。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

在ADVISOR中已有的車(chē)輛部件模型參數(shù)與所需的部件參數(shù)不同，故需對(duì)不同部件變量參數(shù)的M文件進(jìn)行定義與修改。根據(jù)前述的整車(chē)及部件參數(shù)，需修改的部件主要有Vehicle(車(chē)輛)部件，Energy Storage(蓄電池)部件，Motor(電機(jī))及電機(jī)控制器部件和Transmission(變速器)部件等。

在ADVISOR中并沒(méi)有增程式電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)模型，考慮到串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)基本傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與增程式電動(dòng)汽車(chē)基本相同，因此在增程式電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)輸入界面將Drivetrain Config傳動(dòng)系配置中選擇series車(chē)型。整車(chē)及部件參數(shù)變量的具體設(shè)置與純電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)置相同。

3.2 動(dòng)力性能與續(xù)駛里程仿真

3.2.1 動(dòng)力性能

對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)基本車(chē)輛部件變量參數(shù)設(shè)定結(jié)束后，進(jìn)入仿真參數(shù)設(shè)定界面。這里采用CYC_UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)美國(guó)城市驅(qū)動(dòng)循環(huán)工況，如圖5。仿真總時(shí)間是1 369 s，行駛距離為11.99 km，最大車(chē)速為91.25 km/h，平均車(chē)速為31.51 km/ h，行駛期間的停車(chē)次數(shù)為17次，設(shè)定循環(huán)工況重復(fù)次數(shù)為10次進(jìn)行仿真。為測(cè)試純電動(dòng)汽車(chē)的加速性能，同時(shí)勾選Acceleration Test加速性能測(cè)試，進(jìn)入加速測(cè)試仿真選項(xiàng)，選定0～80 km/h的加速性能測(cè)試，仿真結(jié)果如圖6。

在10次CYC_UDDS標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程達(dá)到81.5 km，0～80 km/h的加速時(shí)間為18.9 s，最高車(chē)速約90 km/h。同時(shí)對(duì)比圖6(a)，(b)可以發(fā)現(xiàn)，在汽車(chē)進(jìn)行加速及高速行駛時(shí)，蓄電池的SOC下降較快，仿真結(jié)果基本符合已知的原型純電動(dòng)汽車(chē)的基本性能指標(biāo)。

圖5 CYC_UDDS行駛工況Fig.5 Running condition of CYC_UDDS

圖6 純電動(dòng)汽車(chē)在CYC_UDDS工況下的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of electric vehicle under CYC_UDDS

對(duì)加裝増程器改裝之后的增程式電動(dòng)汽車(chē)，同樣采用CYC_UDDS標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況，設(shè)定循環(huán)工況重復(fù)次數(shù)為2次進(jìn)行仿真。為測(cè)試改裝之后的增程式電動(dòng)汽車(chē)的加速性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，勾選Acceleration Test加速性能測(cè)試，進(jìn)入加速測(cè)試仿真選項(xiàng)，選定0～80 km/h的加速性能測(cè)試，仿真結(jié)果如圖7。

圖7 增程式電動(dòng)汽車(chē)在CYC_UDDS工況下的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of EREV under CYC_UDDS

在2次CYC_UDDS標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，增程式電動(dòng)汽車(chē)行駛了24 km，最高車(chē)速約90 km/h，0～80 km/h的加速時(shí)間為21.7 s。在仿真中設(shè)定蓄電池SOC值變化范圍為0.4～0.7。對(duì)比圖7(a)，(b)，(c)可以發(fā)現(xiàn)，在汽車(chē)加速或高速運(yùn)行時(shí)，SOC值下降較快，在SOC值低于設(shè)定的0.4時(shí)，増程器發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，一部分電能用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，多余部分用于給蓄電池充電，致使SOC值上升。對(duì)應(yīng)地，在470 s左右時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)，燃油消耗不充分，導(dǎo)致尾氣排放量急劇上升，之后發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能處在一個(gè)正常的范圍之內(nèi)，如圖7(d)所示為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)。

3.2.2 續(xù)駛里程

為驗(yàn)證改裝后增程式電動(dòng)汽車(chē)的增程效果，建立等速40 km/h的勻速循環(huán)工況(CYC_CONSTANT45)，設(shè)定循環(huán)工況重復(fù)次數(shù)為250次進(jìn)行仿真。

在等速循環(huán)工況下，蓄電池初始SOC值均為0.7，純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程是71.9 km；增程式電動(dòng)汽車(chē)每100 km油耗為1.8 L，總計(jì)行駛距離是138.9 km。由此可見(jiàn)，改裝后的增程式電動(dòng)汽車(chē)在消耗3.2 L燃料后，總的續(xù)駛里程達(dá)到177.8 km，增程里程約106 km，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

綜合純電動(dòng)汽車(chē)與增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能與續(xù)駛里程仿真結(jié)果，可以得到：純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程為71.9 km，0～80 km/h的加速時(shí)間為18.9 s，最高車(chē)速約90 km/h；增程式電動(dòng)汽車(chē)的總續(xù)駛里程為177.8 km，0～80 km/h的加速時(shí)間為21.7 s，最高車(chē)速約90 km/h。改裝后增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能仍然保持在合理的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足動(dòng)力性能要求，且在CYC_UDDS標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，增程式電動(dòng)汽車(chē)的油耗每100 km為3.2 L，其燃油消耗量與同等排量的傳統(tǒng)燃油汽車(chē)相比下降約50%[12]，節(jié)油效果明顯；在CYC_CONSTANT45等速工況下，增程式電動(dòng)汽車(chē)的177.8 km的續(xù)駛里程相較純電動(dòng)汽車(chē)的71.9 km的續(xù)駛里程有了明顯的提升，表明純電動(dòng)汽車(chē)加裝増程器的改造能夠明顯提升汽車(chē)自身的續(xù)駛里程，并且整車(chē)的動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性仍然能夠保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，因此方案是可行、有效的。

4 結(jié) 論

將某款純電動(dòng)汽車(chē)改裝為増程器電動(dòng)汽車(chē)，對(duì)其増程器的發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配，MATLAB/ ADVISOR軟件聯(lián)合仿真結(jié)果表明，增程式電動(dòng)汽車(chē)相較純電動(dòng)汽車(chē)在CYC_CONSTANT45工況下的續(xù)駛里程增加了約106 km，油耗每100 km為3.2 L，0～80 km/h的加速時(shí)間為21.7 s，整車(chē)的動(dòng)力性與續(xù)駛里程均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這些結(jié)果表明將純電動(dòng)汽車(chē)改造成增程式電動(dòng)汽車(chē)的方案是可行、有效的，并為實(shí)車(chē)改造實(shí)驗(yàn)提供了參考依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用意義。

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責(zé)任編輯：何莉

Parameter Matching and Performance Simulation for Extended Range Electric Vehicle

ZHOU Yazhou，NIU Limin，YANG Hongyuan，YIN Ran
(School of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China)

In order to convert a battery electric vehicle into an extended-range electric vehicle,by analyzing the working patterns and principles of range extender,parameters of engine and generator of the range extender’s were matched,and reasonable design parameters were obtained.With the co-simulation platform of MATLAB/ Simulink and ADVISOR,the battery electric vehicle and the extended-range electric vehicle were simulated in the same driving cycle(CYC_UDDS)respectively.Simulation results show that the driving range of the extended-range electric vehicle reaches 177.8 km,meanwhile its dynamic performance and fuel efficiency can be controlled within an appropriate range,which indicates that the modification scheme is reasonable and effective,and it provides the reference for the transformation test and vehicle road test.

extended range；driving range；parameter matching；simulation analysis

U 469.72

：A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.013

1671-7872(2016)04-0378-06

2016-01-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275002)

周亞洲(1992-)，男，安徽來(lái)安人，碩士生，主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車(chē)控制策略。

牛禮民(1976-)，男，安徽肥東人，博士后，副教授，主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車(chē)控制策略。