增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析*

□ 宋金龍

廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 福建漳州 363105

1 研究背景

環(huán)境污染與能源枯竭是各個(gè)國(guó)家急需解決的問(wèn)題,發(fā)展新能源汽車(chē)是解決環(huán)境污染與能源枯竭問(wèn)題的一種主要途徑[1-3]。2018年,我國(guó)新能源汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)售122萬(wàn)輛。其中,純電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量占有比較大的比例[4]。然而,續(xù)駛里程不足、充電設(shè)施不完備等問(wèn)題仍然制約著純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展[5-6]。增程式電動(dòng)汽車(chē)能夠有效改善續(xù)駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,與燃油汽車(chē)相比,具有發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)恒定、燃油利用率高等優(yōu)點(diǎn),并且可以有效改善污染物排放問(wèn)題[7-8]。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力只來(lái)源于動(dòng)力電池,增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源除動(dòng)力電池外,還有增程器。增程器并沒(méi)有直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē),所以增程式電動(dòng)汽車(chē)的燃油消耗和污染物排放與燃油汽車(chē)相比均較低。對(duì)增程器的參數(shù)進(jìn)行匹配,以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行選取,是降低燃油消耗,減少污染物排放的關(guān)鍵點(diǎn)[9-10]。

筆者對(duì)某款增程式電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與增程器進(jìn)行參數(shù)匹配,在保證整車(chē)?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)增程器工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,以降低整車(chē)燃油消耗,減少污染物排放。

2 增程式電動(dòng)汽車(chē)工作原理

純電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)主要包括三部分:電機(jī)、電池、電控,增程式電動(dòng)汽車(chē)在此基礎(chǔ)上增加了增程器。增程器由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成,工作模式有純電動(dòng)模式和增程模式兩種[11]。

增程式電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是增程式電動(dòng)汽車(chē)的唯一驅(qū)動(dòng)部件,動(dòng)力電池是主要?jiǎng)恿υ?。?dòng)力電池的電荷狀態(tài)是整車(chē)工作模式轉(zhuǎn)換的主要判斷依據(jù)。在動(dòng)力電池電荷量比較充足時(shí),整車(chē)行駛在純電動(dòng)模式下,由動(dòng)力電池提供動(dòng)力。當(dāng)動(dòng)力電池電荷量低于45%時(shí),整車(chē)行駛在增程模式下,增程器開(kāi)始工作,為動(dòng)力電池充電,直到動(dòng)力電池電荷量達(dá)到60%,增程器停止工作。

圖1 增程式電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)框圖

3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 關(guān)鍵部件參數(shù)

筆者選取的某款增程式電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵部件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 增程式電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵部件參數(shù)

根據(jù)國(guó)家對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)性能的相關(guān)要求與城市客車(chē)的運(yùn)行工況,確定整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指標(biāo),見(jiàn)表2。

表2 整車(chē)性能指標(biāo)

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要滿足整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo):

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Pemax1為最高車(chē)速時(shí)的需求功率;Pemax2為最大加速度時(shí)的需求功率;Pemax3為最大爬坡度時(shí)的需求功率;Pemax4為坡道起步時(shí)的需求功率;ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率;m為整車(chē)質(zhì)量;ua為車(chē)速;uamax為最高車(chē)速;A為迎風(fēng)面積;I為爬坡度;g為重力加速度;a為車(chē)輛加速度;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算因數(shù)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率需要同時(shí)高于Pemax1、Pemax2、Pemax3、Pemax4。

旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算因數(shù)δ取1.07,代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到Pemax1為99.71 kW,Pemax2為35.65 kW,Pemax3為111.58 kW,Pemax4為210.96 kW。由于整車(chē)在行駛過(guò)程中還存在其它損耗,因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率取250 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要滿足最高車(chē)速時(shí)要求:

v=2πrn/i

(5)

(6)

ne=nmax/β

(7)

式中:v為車(chē)速;r為輪胎半徑;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;i為主傳動(dòng)比;vmax為最高車(chē)速;ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速;β為擴(kuò)大恒功率因數(shù)。

擴(kuò)大恒功率因數(shù)β取2.84,變速箱傳動(dòng)比為1,主減速器傳動(dòng)比為4.9,主傳動(dòng)比i為4.9,代入相關(guān)參數(shù),計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax不低于2 619 r/min,額定轉(zhuǎn)速ne不低于922 r/min。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

3.3 增程器匹配

增程器是增程式電動(dòng)汽車(chē)增加續(xù)駛里程的主要部件,輸出功率需要滿足固定車(chē)速的動(dòng)力性需求。在我國(guó)城市公交工況下,平均車(chē)速為22.77 km/h,車(chē)輛行駛速度大部分時(shí)間低于40 km/h[12-13]。因此,整車(chē)固定車(chē)速取30 km/h,此時(shí)增程器輸出功率Pe為:

(8)

代入相關(guān)參數(shù),計(jì)算得到增程器輸出功率Pe為22.3 kW。由此可選定發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為45 kW,發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率為60 kW,發(fā)電機(jī)的峰值功率為63 kW。

4 整車(chē)仿真分析

4.1 整車(chē)模型

筆者采用AVL Cruise軟件搭建增程式電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)的最高輸出功率為60 kW,發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下所需點(diǎn)火控制曲面圖如圖2所示。由圖2可知,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 700 r/min左右時(shí)具有比較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速效率曲面圖如圖3所示。由圖3可知,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)效率可以達(dá)到90%,由此增程器中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)選取3 000 r/min。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)所需點(diǎn)火控制曲面圖

圖3 發(fā)電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速效率曲面圖

4.2 經(jīng)濟(jì)性

筆者對(duì)搭建的增程式電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型在新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試工況下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真,運(yùn)行結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 仿真運(yùn)行結(jié)果

由圖4和圖5可知,在新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試工況運(yùn)行中,整車(chē)的最高實(shí)時(shí)仿真車(chē)速與新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試工況的最高時(shí)速不符,主要原因是該車(chē)為大型公交車(chē),最高設(shè)計(jì)車(chē)速為80 km/h。在中低速階段,整車(chē)仿真時(shí)速與新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試工況時(shí)速一致。通過(guò)仿真結(jié)果可知,整車(chē)的續(xù)駛里程為81.6 km,百公里燃油消耗為16.59 L,仿真結(jié)束時(shí)電池剩余電荷量為20%。

圖5 續(xù)駛里程仿真結(jié)果

4.3 動(dòng)力性

增程式電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型的爬坡度仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,增程式電動(dòng)汽車(chē)的最大爬坡度可以達(dá)到16.47%。由此可得最高車(chē)速可以達(dá)到84 km/h,0～50 km/h的加速時(shí)間為22.91 s。仿真結(jié)果符合整車(chē)動(dòng)力性設(shè)計(jì)目標(biāo),即動(dòng)力系統(tǒng)的匹配方案可行。

圖6 爬坡度仿真結(jié)果

增程式電動(dòng)汽車(chē)的主要優(yōu)勢(shì)是節(jié)能減排,為了進(jìn)一步降低增程式電動(dòng)汽車(chē)的燃油消耗,減少污染物排放,筆者將對(duì)增程器的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

5 增程器工作點(diǎn)優(yōu)化

筆者通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件聯(lián)合仿真,對(duì)增程器的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。采用非支配排序遺傳算法對(duì)增程器工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為優(yōu)化變量,以最低的燃油消耗和最少的污染物排放為優(yōu)化目標(biāo),以續(xù)駛里程和整車(chē)動(dòng)力性為約束條件。在Isight軟件中,simcode模塊集成了批處理文件。通過(guò)批處理文件調(diào)用AVL Cruise軟件,實(shí)現(xiàn)增程式電動(dòng)汽車(chē)仿真,同時(shí)實(shí)現(xiàn)AVL Cruise軟件與Isight軟件的數(shù)據(jù)交換。

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 320 r/min,百公里燃油消耗為6.58 L,續(xù)駛里程為82.6 km,仿真結(jié)束時(shí)的電池剩余電荷量為20%。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與燃油消耗之間的關(guān)系如圖7所示,圖中綠色表示最佳工作點(diǎn),紅色表示不滿足要求的工作點(diǎn),藍(lán)色表示滿足要求的工作點(diǎn)。由圖7可知,對(duì)于增程式電動(dòng)汽車(chē)而言,增程器的最佳工作點(diǎn)并不在圖2中經(jīng)濟(jì)性比較高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),可見(jiàn)增程器工作點(diǎn)的選取對(duì)整車(chē)燃油消耗及污染物排放具有重要影響。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與燃油消耗關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)某款增程式電動(dòng)汽車(chē)增程器的工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,使整車(chē)在滿足續(xù)駛里程的條件下,燃油消耗得到極大改善。優(yōu)化后,燃油經(jīng)濟(jì)性得到極大提高,百公里燃油消耗降低了60.3%。對(duì)增程器工作點(diǎn)的研究,可以進(jìn)一步降低增程式電動(dòng)汽車(chē)燃油消耗,減少污染物排放,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。