增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及其影響因素研究

翁才恩

摘要：以現(xiàn)有市場(chǎng)的某一電動(dòng)車型為目標(biāo)，進(jìn)行增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配，并且在ADVISOR軟件下完成建模，利用模型進(jìn)行了多種工況下的仿真，同時(shí)在相同工況下研究了不同增程器功率和SOC控制范圍對(duì)整車性能的影響。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車匹配合理，各項(xiàng)指標(biāo)都到達(dá)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo);增程器功率與當(dāng)前工況平均速度越接近越省油，在CYC_NEDC工況下SOC變化范圍在0.2～0.4之間比較省油。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車;動(dòng)力系統(tǒng);影響因素;高級(jí)車輛仿真器ADVISOR

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2019）02-0014-05

Abstract：Targeting an electric vehicle in the existing market， the powertrain matching of the range-extended electric vehicle was carried out. The modeling was completed with the ADVISOR software. The model was used to simulate under various working conditions. At the same time， the effects of different range extender power and SOC control range on vehicle performance were studied under the same working conditions. The results show that the range-extended electric vehicles designed in this paper are reasonable， and all the indicators have reached the expected design goals. The closer the range extended power is to the average speed of the current working conditions， the more fuel-efficient. Under the CYC_NEDC condition， the SOC varies from 0.2 to 0.4 is more fuel-efficient.

Keywords：range-extended electric vehicle;powertrain matching;influencing factors;Advanced Vehlcle SimulatOR

隨著全球石油能源問題和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，如何實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能環(huán)保成為當(dāng)今的熱門話題。我國(guó)大力提倡發(fā)展新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車，能夠真正實(shí)現(xiàn)零排放、低噪聲[1]，但是由于其電池問題導(dǎo)致里程太短、充電時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足人們的需求。增程式電動(dòng)汽車的概念和設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)槠淠軌蛟跐M足人們?nèi)粘Ｐ枨罄锍痰那闆r下實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛，如果要進(jìn)行遠(yuǎn)距離行駛時(shí)，可以開啟增程器模式，增加續(xù)航里程，充電時(shí)間可以在晚上，充分利用電網(wǎng)電能，減少晚上電能的損耗，減少燃油消耗和廢棄排放[2]。故對(duì)增程式電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)匹配，并對(duì)其影響因素進(jìn)行研究，從而保證其動(dòng)力性，實(shí)現(xiàn)燃油更加經(jīng)濟(jì)的行駛，是本文的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后通過MATLAB/Simulink和高級(jí)車輛仿真器（ADVISOR，Advanced Vehlcle SimulatOR）進(jìn)行整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配性能仿真，充分展示了動(dòng)力匹配效果，為對(duì)增程式電動(dòng)汽車進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和增程器（APU）組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。其中APU主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成[3];控制系統(tǒng)主要由整車控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器;對(duì)控制系統(tǒng)獲取的主要信號(hào)是踏板信號(hào)和SOC信號(hào);因此增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既能實(shí)現(xiàn)短距離純電動(dòng)的節(jié)能環(huán)保，又解決純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短的問題，可以滿足人們的基本出行需求。

1 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 增程式電動(dòng)車整車參數(shù)

本文以某電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，將其進(jìn)行增程式電動(dòng)汽車的改裝，使其滿足增程式電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)目標(biāo)，其整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所示。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是整車動(dòng)力性能的核心，車輛的加速性能、車速和爬坡能力都是由其決定的，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率選擇直接影響整車的動(dòng)力性。根據(jù)汽車行駛過程中的驅(qū)動(dòng)力、阻力和車速，可以得到功率平衡方程[4]：

1.3 動(dòng)力電池參數(shù)選擇

1.4 APU參數(shù)選擇

增程器（APU）是由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的，由于增程式電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)沒有直接的機(jī)械連接，只是單純地起到帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的作用，因此發(fā)動(dòng)機(jī)能夠工作在效率最高點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)（SOC）減少到下限（一般城市道路情況下為0.3）時(shí)，增程器起動(dòng)，到達(dá)SOC上限時(shí)關(guān)閉[7]。為了滿足車輛勻速行駛300 km以上的要求，增程器輸出功率為：

2 增程式電動(dòng)汽車在MATLAB中的建模

根據(jù)利用上述計(jì)算選擇得到的整車參數(shù)，通過MATLAB/Simulink為平臺(tái)的ADVISOR軟件中建立了增程式電動(dòng)汽車整車模型，如圖2所示?？刂撇呗远冀y(tǒng)一采用簡(jiǎn)單的邏輯門限制，主要方法是通過控制策略將SOC的值控制在某一范圍內(nèi)進(jìn)行變化，即恒溫器控制策略，增程式電動(dòng)汽車控制策略模型如圖3所示。

3 增程式電動(dòng)汽車仿真與分析

3.1 多種工況仿真結(jié)果與分析

由于ADVISOR軟件中沒有我國(guó)道路的相關(guān)工況，因此本文先選擇使用與我國(guó)工況最為接近的CYC_NEDC新歐洲行駛循環(huán)工況，該工況循環(huán)一次的距離為10.93 km，平均車速為33.21 km/h，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最高車速120 km/h，能夠很好地檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車。

本文在ADVISOR軟件界面輸入上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和APU參數(shù)后，其中APU的功率是以60 km/h增程器的功率作為仿真的，并且將SOC控制

在0.3～0.7之間，然后將工況設(shè)置為CYC_NEDC，SOC的初始值為1，為了能夠很好地觀察設(shè)計(jì)目標(biāo)中純電動(dòng)的續(xù)航里程大于等于60 km，因此該工況下至少需要循環(huán)6次，這里設(shè)置為10次，整車仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出，在汽車進(jìn)行109.3 km的行駛后，在第5個(gè)循環(huán)過一點(diǎn)就開啟增程器，此時(shí)的SOC為0.3，還沒到0就已經(jīng)行駛了64 km，完全滿足增程式電動(dòng)汽車純電動(dòng)續(xù)航里程的目標(biāo);百公里油耗為5 L，比目前市場(chǎng)上的燃油車省油;0～100 km的加速時(shí)間為13.2 s，并且20 km/h時(shí)的爬坡度為30.8%，都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為了進(jìn)一步地說(shuō)明本文動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇的可行性和合理性，本文除了進(jìn)行以上工況仿真外，還進(jìn)行了CYC_UDDS、CYC_ECE_EUDC和CYC_HWFET工況的仿真，最終結(jié)果如表1所示，表明各種工況下的仿真結(jié)果都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中平均車速為77.58 km/h的CYC_HWFET工況的最省油，平均車速為32.1 km/h的CYC_ECE_EUDC工況的純電動(dòng)續(xù)航里程最長(zhǎng)。

3.2 不同增程器功率對(duì)整車性能的影響分析

為了研究不同增程器功率對(duì)燃油消耗的影響，本文利用控制變量的方法，將上述設(shè)置的仿真參數(shù)不變，其中工況固定為CYC_NEDC，循環(huán)次數(shù)都是10次，SOC的變化范圍為0.3～0.7，初始SOC為1，增程器功率分別為40 km/h的16 kW，60 km/h的21 kW和80 km/h的27 kW，仿真結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，增程器功率越接近道路工況平均速度（CYC_NEDC工況的平均速度為33.21 km/h），即40 km/h時(shí)，本文設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車最省油。

3.3 不同SOC范圍對(duì)整車性能的影響分析

為了研究不同SOC范圍對(duì)整車性能的影響，本文設(shè)定相同的CYC_NEDC循環(huán)工況，循環(huán)次數(shù)都是10次，增程器的功率為上述最為節(jié)能的平均速度為40 km/h時(shí)，計(jì)算得到的增程器功率參數(shù)，通過改變SOC范圍進(jìn)行仿真。結(jié)果如表4所示，SOC范圍的變化會(huì)影響燃油消耗，在CYC_NEDC工況下將SOC設(shè)定為0.2～0.4時(shí)最省油。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)增程式電動(dòng)汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的理論計(jì)算，完成了整車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配工作，最后利用MATLAB/Simulink和ADVISOR進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該車輛的動(dòng)力性、續(xù)航里程和燃油經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。并且對(duì)增程式電動(dòng)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素進(jìn)行了研究，其中增程器功率參數(shù)和SOC控制范圍都對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有影響。為了進(jìn)一步提高增程式電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，今后的研究?jī)?nèi)容將是在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行增程器和SOC控制策略的研究。

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