增程式電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)匹配與性能仿真

張 良，宋秦中，王祚鑫

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇理工學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

目前，純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展受到了限制，其根本原因主要有以下幾方面：①由于使用大電池組，比汽油汽車(chē)昂貴得多；②車(chē)載電池的功率有限，與汽油車(chē)相比動(dòng)力性不足；③單次充電的續(xù)駛里程有限；④給車(chē)載電池充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。由于這些問(wèn)題的存在，限制了純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。混合電動(dòng)汽車(chē)可以完全解決電動(dòng)汽車(chē)的上述問(wèn)題[1]。但傳統(tǒng)的混合電動(dòng)汽車(chē)也有一些缺陷，其結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜，成本太高，且控制起來(lái)比較困難。而增程式電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)不同，它在傳統(tǒng)混合電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改善，比較接近于純電動(dòng)汽車(chē)，同時(shí)解決了成本與技術(shù)等方面的問(wèn)題，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 增程式電動(dòng)汽車(chē)工作模式

增程式電動(dòng)車(chē)是一種串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，只有一套驅(qū)動(dòng)裝置，內(nèi)燃機(jī)只是用來(lái)給蓄電池充電的一個(gè)裝置[2]。增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)的零部件有：電動(dòng)機(jī)和主減速器、內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)；通過(guò)電氣傳動(dòng)的零部件有：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和蓄電池、蓄電池和電動(dòng)機(jī)。各零部件之間根據(jù)車(chē)輛不同的工作狀態(tài)，切換不同的能量傳遞方法，以此來(lái)降低燃油的消耗。

圖1 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)匹配

表1為增程式電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，表2為增程式電動(dòng)汽車(chē)的性能要求。

表1 增程式電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 增程式電動(dòng)汽車(chē)性能要求

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是增程式電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵零部件，需要頻繁地啟停、加減速、低速爬坡時(shí)輸出高轉(zhuǎn)矩和高速爬坡時(shí)輸出低轉(zhuǎn)矩，要求電機(jī)在很寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)有較好的效率特性。當(dāng)車(chē)輛在滑行和制動(dòng)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)能量回收，要求電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向控制。直流無(wú)刷電機(jī)符合上述要求，因此選擇直流無(wú)刷電機(jī)作為增程式電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)[3]。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速和車(chē)速之間的關(guān)系為：

(1)

其中：vmax為車(chē)輛最高車(chē)速。

車(chē)輛在水平路面勻速行駛，達(dá)到最高車(chē)速時(shí)，只考慮空氣阻力和摩擦阻力，此時(shí)電動(dòng)機(jī)功率為:

(2)

其中：m為車(chē)輛最大設(shè)計(jì)質(zhì)量;g為重力加速度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積。

最大坡度勻速行駛時(shí)，不考慮加速阻力，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率為：

(3)

其中：vi為車(chē)輛在最大坡度上運(yùn)行的速度；αmax為車(chē)輛行駛的最大坡度角。

2.2 蓄電池的匹配

目前，蓄電池的類(lèi)型有鉛酸電池、鋰電池和鎳鎘電池等。蓄電池性能的好壞主要從能量密度、循環(huán)壽命、質(zhì)量比功率和質(zhì)量比能量等幾個(gè)方面來(lái)判斷。鋰離子電池在這些性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此選用鋰離子電池作為增程式電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池。

2.3 增程器的參數(shù)匹配

當(dāng)蓄電池電量消耗殆盡時(shí)，車(chē)輛行駛的能量全部由增程器提供。增程器的輸出功率要保持車(chē)輛能夠在恒定速度下行駛,其額定輸出功率為[4]：

(4)

其中：va為車(chē)輛勻速行駛時(shí)的速度。

計(jì)算得出增程器匹配的基本參數(shù)如表3所示。

表3 增程器基本參數(shù)

2.4 蓄電池模型的建立

能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)雖然只是一個(gè)簡(jiǎn)單的電能儲(chǔ)存裝置，但其充放電受溫度的影響很大[5，6]。圖2為蓄電池的仿真模型，主要包括開(kāi)路電壓和內(nèi)阻計(jì)算模塊、功率限制模塊、電流計(jì)算模塊、SOC估算模塊、蓄電池?zé)崮Ｐ湍K5部分。各模塊間的相互配合，保證了車(chē)輛能夠平穩(wěn)持續(xù)地運(yùn)行。

圖2 蓄電池仿真模型

3 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真

3.1 動(dòng)力性能仿真

動(dòng)力性是評(píng)價(jià)車(chē)輛性能的一個(gè)重要指標(biāo)[7]，圖3為增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能仿真結(jié)果。由圖3可知：車(chē)輛的最大速度為156.4 km/h，0～100 km/h的加速時(shí)間為7.7 s，車(chē)輛在恒定速度30 km/h的最大爬坡度為33.9%。

圖3 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能仿真結(jié)果

表4為增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性仿真結(jié)果與性能要求對(duì)比。通過(guò)表4可知：相較設(shè)計(jì)時(shí)的車(chē)輛動(dòng)力性能要求，增程式電動(dòng)汽車(chē)的最大速度提高了7.6 km/h，0～100 km/h的加速時(shí)間提高了2.4 s，速度恒定時(shí)的最大爬坡度提高了12.5%，提升的幅度較大。由此可見(jiàn)，增程式電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力性能能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表4 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性仿真結(jié)果與性能要求對(duì)比

表5為增程式電動(dòng)汽車(chē)純電動(dòng)行駛里程仿真結(jié)果和性能要求對(duì)比。由表5可知：相較設(shè)計(jì)時(shí)的車(chē)輛行駛里程，增程式電動(dòng)汽車(chē)的純電動(dòng)行駛里程提高了4.65 km?？梢?jiàn)，增程式電動(dòng)汽車(chē)的純電動(dòng)行駛里程符合設(shè)計(jì)要求。

表5 純電動(dòng)行駛里程仿真結(jié)果與性能要求對(duì)比

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真

燃油經(jīng)濟(jì)性是車(chē)輛的主要性能指標(biāo)之一，增程式電動(dòng)汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性是指車(chē)輛在完成特定運(yùn)輸工作時(shí)消耗的燃料最小值。表6為增程式電動(dòng)汽車(chē)、普銳斯混合動(dòng)力車(chē)和燃油乘用車(chē)的百公里油耗對(duì)比。由表6可知：增程式電動(dòng)汽車(chē)的百公里油耗約為3.2 L，比燃油乘用車(chē)百公里油耗減少了3.7 L，比普銳斯混合動(dòng)力車(chē)百公里油耗減少了1.5 L。可見(jiàn)，增程式電動(dòng)汽車(chē)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面有一定的提升。

表6 不同車(chē)型百公里油耗對(duì)比

在經(jīng)濟(jì)性能仿真分析中，不僅可以知道車(chē)輛的百公里油耗值，還可以知道其他關(guān)鍵部件運(yùn)行時(shí)的效率分布點(diǎn)。通過(guò)對(duì)這些分布點(diǎn)的分析，可以幫助研究增程式電動(dòng)汽車(chē)的控制策略和參數(shù)匹配的合理性。

圖4為增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率分布。由圖4可知，剛開(kāi)始啟動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)效率不穩(wěn)定，當(dāng)其轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí)，它的效率分布點(diǎn)很集中，一直保持在一個(gè)很高的區(qū)域內(nèi)，這樣可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)輸出功率和扭矩，提高了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖5和圖6分別為蓄電池充電和放電效率分布。由圖5和圖6可知：蓄電池的充電效率基本維持在0.8以上，其放電的效率維持在0.95以上，蓄電池的參數(shù)匹配合理，符合城市家用增程式電動(dòng)汽車(chē)的要求。

圖4 增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率分布 圖5 蓄電池充電效率分布 圖6 蓄電池放電效率分布

4 結(jié)論

以某款車(chē)型為研究對(duì)象，分析了增程式電動(dòng)汽車(chē)的工作模式，對(duì)車(chē)輛的電機(jī)、蓄電池和增程器進(jìn)行了匹配，制定了相應(yīng)的控制策略。在NEDC(新歐洲行駛工況)循環(huán)工況下，對(duì)車(chē)輛加速時(shí)間、最高車(chē)速、最大爬坡度等動(dòng)力性能以及主要部件的工作效率、整車(chē)效率、燃油消耗率等經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了仿真分析測(cè)試。結(jié)果顯示：增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，其油耗相比燃油車(chē)降低很多，大大提高了車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。