增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與性能分析

徐志建　陳金柯　嚴(yán)鵬　黃倫倫

摘要：增程式電動(dòng)汽車，作為從傳統(tǒng)汽車向純電動(dòng)汽車過度的車型，因?yàn)檫@種車型的轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可以減少故障等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。本文針對增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求，通過對比分析國內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)方案，對增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和性能匹配，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的仿真分析，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，為增程式電動(dòng)汽車的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車;動(dòng)力系統(tǒng);參數(shù)設(shè)計(jì);性能匹配;仿真分析

中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B（綜述為A） ??文章編號(hào)：1001-2222（2016）00-0000-00

Research on the designing of the parameters and matches the performance of EPV's power system

[Absract] Extended?Range?Electric?Vehicle（EREV），as?a?transition?from?traditional?vehicle?to?pure?electric?vehicle，has?attracted?wide?attention?because?of?its?high?conversion?efficiency，compact?structure，and?the?ability?to?reduce?faults.?According?to?the?requirements?of?power?performance?and?economy?of?EREV，this?paper?compares?and?analyzes?the?relevant?technical?schemes?at?home?and?abroad，designs?the?parameters?and?matches?the?performance?of?EPV's?power?system.?On?this?basis，the?power?performance，economy?and?emission?characteristics?of?EREV's?power?system?are?simulated?and?analyzed.?The?rationality?of?parameter?design?provides?theoretical?guidance?for?the?development?of?electric?vehicle.

[Key word] Extended-range electric car，power?system，the designing of the parameters，matches the performance，simulation?and?analysis

引言

由于能源短缺、環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，使新能源汽車的發(fā)展受到政府和社會(huì)的廣泛關(guān)注，得到了快速發(fā)展。其中增程式電動(dòng)汽車由于續(xù)航里程高、加速快等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足城市居民的日常需求，也得到了推廣應(yīng)用。在國內(nèi)有多家企業(yè)、研究所進(jìn)行研究，并得到了實(shí)際應(yīng)用。

以國內(nèi)外目前研究狀況來看，各大車企都有取得長足的進(jìn)步。例如2012年奧迪公司發(fā)布一款crosslane coupe雙門四座增程式概念車。在純電動(dòng)模式下，其動(dòng)力性能上可達(dá)到最高車速182km/h，百公里加速度98s，續(xù)航能力86km，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性上，平均油耗為1.1L/100km^[1]。不僅具有良好的動(dòng)力性能，更有出色的經(jīng)濟(jì)性能。在增程式電動(dòng)汽車的性能優(yōu)化方面，目前各種優(yōu)化算法也運(yùn)用到增程式電動(dòng)汽車的控制策略設(shè)計(jì)中，其中包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，這些算法的加入進(jìn)一步提升了精準(zhǔn)控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)油耗進(jìn)一步降低。

根據(jù)增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，對增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能匹配，對動(dòng)力系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，實(shí)現(xiàn)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，為增程式電動(dòng)汽車開發(fā)提供了理論依據(jù)，具有重要的研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)原理

增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力電池系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、增程器和整車控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的能量輸出和存儲(chǔ)電能的終端，為電動(dòng)汽車提供驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，并且在電池的儲(chǔ)能不足時(shí)，存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)傳來的電能。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以單一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為整車的動(dòng)力源為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，滿足電動(dòng)汽車在各種工況下的運(yùn)行要求。增程器由小型內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，要求結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)電量大。

增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，是一套閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)電動(dòng)汽車在正常行駛時(shí)，增程器系統(tǒng)不工作。當(dāng)且僅當(dāng)儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)部的電量達(dá)到某一警報(bào)線時(shí)，增程器才啟動(dòng)進(jìn)入發(fā)電工況為蓄電池充電。同時(shí)，增程器中的內(nèi)燃機(jī)為了達(dá)到環(huán)保的要求，應(yīng)選擇在低污染，高經(jīng)濟(jì)性，低能耗的工況下工作。并且，當(dāng)增程器啟動(dòng)時(shí)車輛也應(yīng)進(jìn)入低速巡航，以減少對電池的損傷。驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力電池以及增程器為串聯(lián)連接。

2.增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文研究車型的基本參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

2.2磷酸鐵鋰動(dòng)力電池模塊

首先分析電池內(nèi)阻的計(jì)算過程，電池組的總?cè)萘繘Q定了整車的續(xù)駛里程，匹配大容量的電池組可以增加續(xù)駛里程，但同時(shí)會(huì)增加整車重量并大大增加成本，所以合理的匹配電池容量對提升整車性能非常重要。對于純電動(dòng)車，計(jì)算整車的續(xù)駛里程引用 GB/T 18386 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程標(biāo)準(zhǔn)，即采用等速法（100Km/h）和續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值反向計(jì)算電池容量。^[2]具體計(jì)算方法如下：

設(shè)：續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值 80（km），整車形式傳動(dòng)效率（取0.9），電機(jī)工作效率（取0.9），電池放電效率（取0.95），電池組總?cè)萘?E（kWh），整車在 80km/h 負(fù)載穩(wěn)定行駛輸出功率為 P25（kW），由能量平衡可得需要的電池總?cè)萘繛椋?0Ah

求出電池組總?cè)萘亢?，根?jù)選用電池規(guī)格，以及動(dòng)力電池所需電壓，可以簡單計(jì)算出單體電池的個(gè)數(shù)。而本文中所選取的電池規(guī)格為每塊容量20Ah、質(zhì)量為520g。計(jì)算的出n≥315考慮到電器耗電，取電池為350塊。

根據(jù)計(jì)算，在本文選用磷酸鐵鋰電池單體電池 3.2V，20Ah。70節(jié)串聯(lián)，5組并聯(lián)。在鋰離子蓄電池的容量下，當(dāng)放電深度不超過 80%時(shí)，電動(dòng)車以 80km/h 勻速行駛的行駛里程 >80km可見，蓄電池的個(gè)數(shù)與容量匹配合理。

2.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊

增程式電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)裝置，主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制裝置，電機(jī)具有的工作特性為低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒功率。低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，電流出于輸出最大狀態(tài)，這時(shí)間的力矩達(dá)到最大，可滿足車輛起步加速、爬坡時(shí)對轉(zhuǎn)矩的要求;當(dāng)車輛起步之后，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，電機(jī)工作處于弱磁區(qū)，電機(jī)功率達(dá)到最大狀態(tài)，電機(jī)在恒功率區(qū)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)沿著最大特性曲線工作時(shí)，電機(jī)發(fā)熱為電機(jī)繞組。一般沿著最大特性曲線工作時(shí)，電機(jī)工作時(shí)間持續(xù)30秒左右，能夠滿足車輛加速和最高車速行駛要求，同時(shí)要有大的調(diào)節(jié)范圍。

電機(jī)需要確定的特性參數(shù)主要有電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基速、峰值功率以及額定功率。

2.3.1最高轉(zhuǎn)速和基速

采用的主減速器的減速比為i=5，最高轉(zhuǎn)速有關(guān)系式：

可得電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速=4752.1;電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系用擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β來表示，β=最高轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速，β值降低，轉(zhuǎn)矩增高，有利于提高車輛的加速性能和爬坡性能，運(yùn)行性能更加穩(wěn)定，但是這也會(huì)增加功率年喚起尺寸，所以β值不能過高，范圍在2-4之間，β值取2.目前，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到8000-15000r?min。由關(guān)系式，得電機(jī)基速=2376。因此最高轉(zhuǎn)速取=5000，=2500。

2.3.2 ?各工況下功率的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)要保證車輛在平原地區(qū)各工況下都能正常行駛，所以增程式電動(dòng)汽車滿足最高車速、最大爬坡度車速、最大爬坡車速等性能指標(biāo)。

2.3.3 最高車速對應(yīng)的電機(jī)功率

當(dāng)車輛在平坦路面行駛時(shí)且對應(yīng)最高車速時(shí)，由—最高車速的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率（kW），最高車速（），—傳動(dòng)系統(tǒng)效率g —重力加速度，g=9.8，從而的出=21.5kW。

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率由最高車速確定，當(dāng)最高車速功率為21.5kW，考慮到電動(dòng)機(jī)過載系數(shù)越大，電機(jī)設(shè)計(jì)難度增大，電機(jī)的額定輸出功率小于電機(jī)峰值功率的一半。過載系數(shù)取2，即=25kW。

2.4 ?發(fā)動(dòng)機(jī)選型

增程器開啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)并不和驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接相連接，與傳統(tǒng)汽車相比，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和要求較低，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的選型范圍較廣?？紤]到增程式動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)和成本問題，增程式電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、效率高有利于降低整車質(zhì)量和車輛使用成本。下表為可用于增程式器的發(fā)動(dòng)機(jī)特性比較。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)與兩缸四沖程汽油機(jī)被認(rèn)為是較好的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比于兩缸四沖程汽油機(jī)，效率低且發(fā)展技術(shù)并不成熟。所以選擇小型化、經(jīng)濟(jì)性、低排放的兩缸四沖程汽油機(jī)。同時(shí)選擇永磁同步電機(jī)一起構(gòu)成增程式電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力系統(tǒng)。

增程式電動(dòng)汽車日常運(yùn)行主要在純電動(dòng)工況下，只有在電池能量不足時(shí)，APU啟動(dòng)參與發(fā)電。當(dāng)電池SOC低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率可滿足60km/h的速度運(yùn)行即可。此時(shí)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率：

=（mgf+）

得出結(jié)果=0.8，f =0.015，=0.29，A =2.54取=60km/h，計(jì)算得=6.30kW初步選擇發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率 P=7kW。

參數(shù)設(shè)計(jì)匯總表

3.增程式電動(dòng)汽車建模與仿真

3.1 增程式電動(dòng)汽車模型構(gòu)建

根據(jù)表2、3、4中的系統(tǒng)參數(shù)，在ADVISOR中進(jìn)行增程式電動(dòng)汽車模型的構(gòu)建，如圖2。與傳統(tǒng)汽車相比較，增程式電動(dòng)汽車主要增加了電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電源總線等模塊。建立的增程式電動(dòng)汽車模型。

3.2 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性分析

3.2.1 行駛工況

由于增程式電動(dòng)汽車的行駛工況大多為城市工況和城郊工況，因此在本文的仿真分析中采用的是 ECE工況，即Economic Commission for Europe，是歐洲實(shí)行的汽車行駛油耗測試工況的試驗(yàn)法，代表的是一種城市和城郊組合循環(huán)工況，如圖4。

3.2.2 模擬分析結(jié)果

由于本文最初設(shè)計(jì)是為江滬浙平原丘陵地區(qū)，適用于城市內(nèi)或短距離城市間行駛的人群，所以針對動(dòng)力性能，使用了ECE工況進(jìn)行了仿真模擬，其結(jié)果如圖：最高車速93.67km/h、0-50km/h加速度6.1s、15km/h速度下最高爬坡度20%。由于環(huán)境影響，車輛使用在中低速，所以最高車速并不是很高，降低了最佳車速區(qū)間，使得日常運(yùn)行基本維持在最佳車速區(qū)間內(nèi)。而爬坡性能，受到電機(jī)本身的影響，其值并不是很大，但由于在平原地區(qū)坡度較小，其爬坡性能滿足要求。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，動(dòng)力性符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且滿足設(shè)計(jì)對象的日常需求。

通過對經(jīng)濟(jì)性能的仿真結(jié)果的分析，我們可以看出增程式電動(dòng)汽車的油耗相比傳統(tǒng)同功率統(tǒng)汽車，燃油消耗率降低了69%。如圖5，在汽車行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于第一次開啟狀態(tài)時(shí)，由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)初始溫度和啟動(dòng)扭矩的影響，有較大的燃油消耗，排放也相應(yīng)受到影響，CO和NOx的排放急劇上升。但是在后期的運(yùn)行過程中，處于較為平穩(wěn)狀態(tài)，其排放也迅速降低，并穩(wěn)定在較低值。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，汽車出現(xiàn)的加速或減速的變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)也處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，如圖6，故燃油消耗處于一個(gè)定值，相比較傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的波動(dòng)的運(yùn)行工況，燃油消耗率大大降低。又由于選用較小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，在增程器運(yùn)行后由于發(fā)動(dòng)機(jī)不提供汽車啟動(dòng)、減速、加速等消耗燃油的行車動(dòng)作的能量，所以污染物的排放大幅度降低。^[8]

與此同時(shí)，電池的SOC值也在接近線性變化，有利于延長電池壽命。圖7中，SOC充放電穩(wěn)定，在增程器開啟后，在提供電量的同時(shí)，電池也在小幅度充電。進(jìn)一步提升了續(xù)航里程。

從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的MAP圖和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率分布圖，可以看出驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率基本在80%以上，且電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在中低轉(zhuǎn)速。這一速度區(qū)間，不但能夠擁有完好的動(dòng)力性能，且在改變行駛狀況時(shí)，汽車的車速變動(dòng)較小。這將使電池放電穩(wěn)定，且能更高效的降低耗電量，進(jìn)一步加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)性能。

4.結(jié)論

（1）本次參數(shù)設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車，經(jīng)過建模仿真驗(yàn)證，在滿足設(shè)計(jì)對象的對整車性能的需求的同時(shí)，燃油消耗率相對傳統(tǒng)汽車降低了69%。

（2）本次增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)匹配，使用高功率發(fā)動(dòng)機(jī)低輸出、高功率發(fā)電機(jī)的方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電量處在高效位置，減少高功率輸出的耗損，實(shí)現(xiàn)增程式電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)化，為增程式電動(dòng)汽車開發(fā)提供了理論依據(jù)，具有重要的研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

（3）增程式電動(dòng)汽車作為傳統(tǒng)汽車向電動(dòng)汽車的過渡車型，可以解決電動(dòng)汽車的續(xù)航里程不足的缺點(diǎn)，但是在日常使用上，卻也由于過長的純電動(dòng)里程，在一定程度上也偏向于一種“略重的純電動(dòng)汽車”。

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