增程式微型電動(dòng)汽車整車參數(shù)匹配及校驗(yàn)

牛繼高， 李　根， 李晨旭， 李　彬

(中原工學(xué)院， 鄭州 451191)

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增程式微型電動(dòng)汽車整車參數(shù)匹配及校驗(yàn)

牛繼高， 李根， 李晨旭， 李彬

(中原工學(xué)院， 鄭州 451191)

對(duì)增程式微型電動(dòng)汽車進(jìn)行了整車的參數(shù)匹配及校驗(yàn)研究。依據(jù)整車要求對(duì)其主要部件進(jìn)行選型；根據(jù)整車基本參數(shù)和整車性能需求進(jìn)行相應(yīng)的理論計(jì)算以及恰當(dāng)?shù)墓こ谭治觯诖_保整車性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，得到動(dòng)力系統(tǒng)主要部件特性參數(shù)；通過(guò)仿真軟件matlab對(duì)整車參數(shù)匹配進(jìn)行了驗(yàn)證。

增程式電動(dòng)汽車；參數(shù)匹配；選型；仿真校驗(yàn)

能源危機(jī)、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，對(duì)汽車行業(yè)提出了更高的節(jié)能減排要求，除了進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)汽車進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、提高節(jié)能減排效果，發(fā)展新能源汽車已成為汽車行業(yè)變革的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)階段最適于發(fā)展新能源方向的汽車是增程式電動(dòng)汽車(Extended-Range Electric Vehicle,E-REV)，即在傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,EV)基礎(chǔ)上添加一套增程器，其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle ,PHEV) 類似,消耗的電能既可來(lái)自公共電網(wǎng)，也可來(lái)自石化燃料。與EV相比，E-REV提高了整車?yán)m(xù)駛里程；與PHEV相比，E-REV提高了電池容量，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，減輕了對(duì)石油的依賴度，優(yōu)化了整車經(jīng)濟(jì)性及排放性,可減緩能源消耗，改善環(huán)境問(wèn)題。本文以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，將其改裝成E-REV，根據(jù)整車基本參數(shù)和要求進(jìn)行整車參數(shù)匹配，最后通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了匹配的整車參數(shù)的正確性。

1　增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

E-REV是在PHEV基礎(chǔ)上派生的新型車輛結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介于PHEV和EV之間。圖1為E-REV的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。電動(dòng)汽車大部分時(shí)間由蓄電池供能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)電池能量達(dá)到預(yù)設(shè)的下限時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，供能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖1　E-REV動(dòng)力系統(tǒng)

2　整車主要部件的選型

2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要性體現(xiàn)在，驅(qū)動(dòng)電機(jī)既是驅(qū)動(dòng)串聯(lián)式E-REV行駛的唯一動(dòng)力裝置，又是汽車制動(dòng)時(shí)能量回收的關(guān)鍵部件。因此，選擇電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)的各方面性能必須考慮。表1是各種車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能對(duì)比數(shù)據(jù)[1]。

當(dāng)前，感應(yīng)電機(jī)較適用于高速、勻速行駛工況；永磁電機(jī)在城市工況下驅(qū)動(dòng)效率較高。因此，電機(jī)尺寸不宜過(guò)大。本研究選擇的車用電機(jī)是永磁同步電機(jī)。

表1　車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能比較

2.2車用電池的選擇

對(duì)E-REV幾種運(yùn)行模式分析對(duì)比可知，對(duì)車用電池的選擇需注重電池能量(即電池大容量)以及電池的高效率，而且選擇的電池應(yīng)該符合電動(dòng)汽車用蓄電池標(biāo)準(zhǔn)。匹配時(shí)優(yōu)先滿足能量要求，動(dòng)力電池應(yīng)具有較大的容量[2]。

表2　車用電池主要性能比較

電池性能方面還需考量自放電率、深度循環(huán)能力以及成本，而且車用電池需有較高的比能量、比功率、長(zhǎng)壽命、高安全性(詳見表2)。綜合分析后選擇磷酸鐵鋰電池。

2.3增程器用發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

目前可用到HEV上的主要發(fā)動(dòng)機(jī)類型及其優(yōu)缺點(diǎn)[3]見表3。

增程器只是作為一個(gè)能量輔助單元存在，純電動(dòng)工況是增程式電動(dòng)汽車的主要運(yùn)行工況，只有在電機(jī)或電池能量不足時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)才參與工作[4]。傳統(tǒng)四沖程汽油、柴油機(jī)具有技術(shù)成熟、升功率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前車輛應(yīng)用最廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)類型。因此，增程動(dòng)力源選用四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

表3　HEV常用發(fā)動(dòng)機(jī)及其特點(diǎn)

3　整車主要部件特性參數(shù)的匹配

3.1整車基本參數(shù)和整車性能要求

整車基本參數(shù)見表4，整車性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求見表5。

表4　整車基本參數(shù)

表5　整車性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求

注：在GB/T 18386-2005所規(guī)定的行駛工況下進(jìn)行續(xù)駛里程試驗(yàn)。

3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)選擇

選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)時(shí)，主要關(guān)注電機(jī)峰值功率和額定功率、最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩等。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可由電機(jī)自身的相關(guān)參數(shù)及內(nèi)在損耗等確定，而電機(jī)基速比即：最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值， 一般取值在2～5之間。一般根據(jù)基速比的范圍可大致確定匹配的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速是否符合條件。

3.2.1電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的匹配

根據(jù)汽車相關(guān)理論知識(shí)[5]可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系式：

(1)

式中：i0為主減速器傳動(dòng)比；vmax為最高車速，km/h；r為車輪半徑，m。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可計(jì)算出最高轉(zhuǎn)速不小于5 546 rpm，取值nm-max=6 000 rpm；將常規(guī)車速定為50 km/h，可得到額定轉(zhuǎn)速的數(shù)值為2 311 rpm，取值nm=2 400 rpm。此時(shí)基速比為2.5，符合上述要求。

3.2.2電機(jī)峰值功率和額定功率的匹配

針對(duì)電機(jī)功率的選擇需兼顧電機(jī)額定功率和峰值功率的情況，在車輛設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)最高車速確定電機(jī)的額定功率，根據(jù)車輛的加速和爬坡性能確定電機(jī)的峰值功率。

由最高車速確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的計(jì)算公式[6]：

(2)

式中：Pm1為最高車速的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，kW；vmax為最高車速，km/h；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；g為重力加速度，9.8m/s2。

車輛行駛在最大爬坡度時(shí)確定的峰值功率公式[6]:

(3)

式中：Pm2為當(dāng)車輛行駛在最大爬坡度時(shí)與之相匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率，kW；vi為車輛在最大爬坡度時(shí)保持的穩(wěn)定車速，取15 km/h；αmax為最大坡度角。

(4)

式中：Pm3為由加速度所確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，km；vb為車輛的末速度，取值100 km/h；dt為設(shè)計(jì)過(guò)程的迭代步長(zhǎng)，通常取 0.1 s。

最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間三者與功率的關(guān)系曲線分別如圖2-圖4所示。電機(jī)峰值功率取最高車速功率、最大爬坡功率和加速時(shí)間功率中三者的最大值可滿足車輛動(dòng)力需求，即：

Pm-max≥max(Pm1,Pm2,Pm3)

(5)

結(jié)合車輛相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算可得Pm1=22.59 kW，Pm2=11.41 kW，Pm3=41.27 kW，最終可取Pm-max=45 kW。

對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的選擇要合理適中。電機(jī)運(yùn)行在過(guò)載或欠載狀態(tài)下對(duì)自身以及電池壽命和整車的經(jīng)濟(jì)效益均無(wú)好處，應(yīng)正確選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。

圖2　最高車速功率曲線

圖3　最大爬坡度功率曲線

圖4　加速時(shí)間功率曲線

最高車速不僅是汽車動(dòng)力性能的一個(gè)指標(biāo)，而且也實(shí)際反映了汽車的加速性能和爬坡能力，一般以最高車速初步確定電機(jī)額定功率。為方便計(jì)算，電動(dòng)汽車匹配的電機(jī)額定功率的最小值[8]一般取最高設(shè)計(jì)車速的90%或者以國(guó)內(nèi)高速公路最高限速120 km/h勻速行駛時(shí)對(duì)應(yīng)的功率。式(6)是以最高設(shè)計(jì)車速的90%得到的對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的計(jì)算公式：

(6)

由車輛相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到Pm4=17.78 kW，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率Pmr≥min(Pm1,Pm4)，故綜合考慮取Pmr=20 kW。

3.2.3電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的匹配

待確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基速、峰值功率和額定功率后，可得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩為：

(7)

(8)

式中：Tmr為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，Nm；Tm-max為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，Nm。可計(jì)算得電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩分別為：Tmr=79.6 Nm；Tm-max=179 Nm。

3.2.4參數(shù)修正

在基本確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)之后，還需綜合驗(yàn)證匹配的最大爬坡度、最高車速和主減速比三者是否滿足要求[9]，即：

(9)

若經(jīng)過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的主減速比范圍包括原型車主減速比即為滿足條件；如不滿足，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行修正或?qū)?dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，甚至需重新改變方案。根據(jù)文中相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得主減速比范圍應(yīng)滿足4.392≤i0≤5.410，而原型車的主減速比為5，符合條件。由此，可初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性參數(shù)(見表6)。

表6　驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性參數(shù)

3.3蓄電池特性參數(shù)的確定

作為整車驅(qū)動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ春途哂袃?chǔ)存能量作用的裝置，蓄電池在電動(dòng)汽車上起到了至關(guān)重要的作用。其特性參數(shù)，應(yīng)從保證電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程的角度出發(fā)，主要包括電池組電壓和電池組容量的匹配。

3.3.1蓄電池組峰值功率的確定

為保證汽車的動(dòng)力性，蓄電池最大放電功率

Pbatt-max=kcpubatt/1 000需要滿足

(10)

即，由功率需求確定的電池組容量應(yīng)滿足：

(11)

式中：Pbatt-max為電池組最大輸出功率，kW；k為電池組最大放電率；cp為由功率需求確定的電池組容量，A·h；ubatt為電池組額定電壓，V；ηmc為電機(jī)效率，取值0.9；Paux為車輛電氣附件功率需求，取最大值4.5 kW。

3.3.2蓄電池組容量的確定

當(dāng)E-REV在純電模式下勻速行駛時(shí)，令蓄電池可用容量滿足蓄電池純電動(dòng)續(xù)駛里程的設(shè)計(jì)指標(biāo)，其儲(chǔ)存的總能量Ebatt=ubattcE/1 000應(yīng)滿足：

(12)

即：

(13)

式中：Ebatt為電池組儲(chǔ)存的總能量，km·h；CE為由能量需求確定的電池組容量，A·h；vd為純電動(dòng)模式下要求的最高巡航車速，取值vd=90 km/h；

S為純電動(dòng)續(xù)駛里程，km；DOD為電池組放電深度，取DOD=0.7；ηbatt為電池組平均放電效率；ηaux為汽車附件能量消耗比例系數(shù)，取值ηaux=0.1。

因此，電池組容量的取值可由下式得到：

(14)

由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓確定電池組電壓等級(jí)，當(dāng)電機(jī)功率確定時(shí)，電池組的電壓和放電電流成反比，若想保護(hù)動(dòng)力源，將電池母線的工作電流控制在一定的范圍內(nèi)，應(yīng)將電池組電壓等級(jí)提高。但電池組電壓又不宜過(guò)高，否則，會(huì)增加整個(gè)電池組的體積和重量，不利于整車的設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的電機(jī)電壓等級(jí)以及選取的永磁同步電機(jī)的電壓等級(jí)，將動(dòng)力電池組的額定電壓定為336V。車輛附件功率取最大值 4.5kW，將表4和表5的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(11)和式(13)中，可得到圖5所示的電池組容量-最大放電率關(guān)系曲線。從圖5可清楚地看到A、B兩點(diǎn)縱橫坐標(biāo)值以及代表的含義。結(jié)合現(xiàn)有廠家的產(chǎn)品規(guī)格，確定電池組容量取 50A·h。電池組容量要滿足能量和功率需要，要求電池組最大放電率不小于4.04C。動(dòng)力電池組的主要參數(shù)如表7所示。

圖5　電池組容量-最大放電率關(guān)系曲線

參數(shù)數(shù)值單體電壓/V3.2單體容量/(A·h)5電池包額定電壓/V336最大放電電流/A5C參數(shù)數(shù)值單體個(gè)數(shù)105串10并可用SOC范圍/%30～100電池包額定容量/(A·h)50最大充電電流3C

4　E-REV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果驗(yàn)證

在沒(méi)有建立E-REV整車仿真模型之前，根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)，利用動(dòng)力因子對(duì)車輛動(dòng)力性進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而仿真驗(yàn)證整車的最高車速、加速性能和爬坡度。

4.1加速性能的驗(yàn)證

根據(jù)已知的驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性、傳動(dòng)系效率以及整車基本參數(shù)，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，得到0～100 km/h的加速時(shí)間，計(jì)算公式為[3]：

(15)

式中：v1為加速測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)的起始車速，取值0；v2為加速測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)的終止車速，取值27.78m/s；Tp(v)表示電機(jī)的外特性轉(zhuǎn)矩，為車速的函數(shù)；v表示實(shí)時(shí)車速，m/s。

圖6　加速性能的仿真計(jì)算模型

由圖6可知0～100 km/h的加速時(shí)間為18.24 s。

4.2爬坡度和最高車速的驗(yàn)證

依據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)[5]，根據(jù)汽車動(dòng)力因數(shù)和滾阻系數(shù)可計(jì)算車輛的爬坡能力，公式如下：

(16)

(17)

式中:α為坡道角；D為動(dòng)力因數(shù)；F1為車輪上的驅(qū)動(dòng)力；Fw為車輛行駛過(guò)程中受到的空氣阻力。

利用Matlab軟件，根據(jù)已知的電機(jī)外特性數(shù)據(jù)和整車基本參數(shù)采用m語(yǔ)言編寫算法程序，運(yùn)行程序，得到圖7和圖8所示圖形。圖7為驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖，圖8為E-REV的爬坡度曲線。

圖7　驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖

圖8　車速爬坡度曲線

圖7中，粗實(shí)線表示電機(jī)作用在車輪上的驅(qū)動(dòng)力，其他5條線表示爬坡度分別為 0、10%、20%、30%、40%時(shí)對(duì)應(yīng)的車輛行駛阻力。由圖8可知，當(dāng)i=0時(shí)(即車輛行駛在無(wú)坡度路面上時(shí))行駛阻力曲線與驅(qū)動(dòng)力曲線沒(méi)有交點(diǎn)，此時(shí)車輛的最高車速由電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速?zèng)Q定[3]。因此，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 rpm時(shí)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的最高車速為129.84 km/h。由圖8可知，當(dāng)車速為15 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的E-REV的最大爬坡度為22.8%。

表8　整車動(dòng)力性能指標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果

由表8可知，E-REV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)能夠滿足整車動(dòng)力性的指標(biāo)要求，這也驗(yàn)證了文中提出的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的可行性。

5　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)汽車相關(guān)理論知識(shí)和工程分析，初步確定整車參數(shù)匹配各主要部件的特性參數(shù)，并驗(yàn)證了其可行性。該研究為后期整車參數(shù)的優(yōu)化和整車模型的搭建提供了一定的理論參考。

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(責(zé)任編輯：陸俊杰)The Parameters Matching and Simulation Check of Extended Range Electric Mini Car

NIU Ji-gao1, LI Gen1, LI Chen-xu1, LI Bin1

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007， China)

The purpose of this paper is to match and verify the parameters of the extended range electric vehicle. In accordance with the requirements of vehicle, the selection of main components of vehicle is achieved; the corresponding theoretical calculations and proper engineering analysis have done based on the basic parameters and performance requirements of the vehicle, while ensuring the vehicle performance indicators to meet the design requirements, to obtain the characteristic parameters of the main components of the power system. Finally through the simulation software Matlab, the vehicle parameters matching is verified.

the extended range electric vehicle; parameters matching; the selection; simulation check

2016-07-04

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A460006)

牛繼高(1970-)，男，河南鄭州人，講師，博士，主要研究方向?yàn)樾滦蛙囕v動(dòng)力系統(tǒng)建模、仿真及控制。

1671-6906(2016)04-0037-06

U469.72

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.008