增程式電動汽車動力系統(tǒng)及參數(shù)匹配

張宇　段俊法

摘 要：增程式汽車是一種配有充電插口和具備車載供電功能的純電能驅(qū)動的電動乘用汽車，具有結(jié)構(gòu)簡單、電機直驅(qū)、易于維修保養(yǎng)等優(yōu)點?；诖?，本文首先分析增程式電動汽車的工作模式，然后在滿足整車動力性能的前提下，根據(jù)整車動力總成的特點，提出對整車零部件參數(shù)匹配的方法。

關(guān)鍵詞：增程式電動汽車；動力系統(tǒng)；參數(shù)匹配

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0104-03

The Power System and Parameters of Extended-Range

Electric Vhicle Match

ZHANG Yu DUAN Junfa

（North China Water Conservancy and hydropower University，Zhengzhou Henan 450011）

Abstract： The extended range vehicle is a pure electric power driven electric passenger car equipped with charging socket and vehicle power supply function. It has the advantages of simple structure， direct drive motor， easy maintenance and so on. Based on this， this paper first analyzed the working mode of the extended range electric vehicle， and then， on the premise of meeting the vehicle's dynamic performance， and put forward the matching method of vehicle parts parameters according to the characteristics of the vehicle powertrain.

Keywords： extended-range electric vhicle；power system；parameter match

1 研究背景

隨著全球能源枯竭、環(huán)境污染的加深，各國政府以及各大車企均加大對汽車行業(yè)的探索，對汽車行業(yè)進行深入改革，尋求一種節(jié)能、高效、環(huán)保的新型汽車以緩解能源與環(huán)境問題[1-3]。增程式電動汽車作為傳統(tǒng)汽車到純電動汽車過渡的橋梁，其動力性能和經(jīng)濟性能成為研究者們的重點關(guān)注方向[4-5]。

增程式汽車是一種配有充電插口和具備車載供電功能的純電能驅(qū)動的電動乘用汽車。增程式電動汽車主要包含動力電池系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、增程器（發(fā)動機和發(fā)電機）及整車控制系統(tǒng)四部分[6]。動力電池系統(tǒng)作為整車的動力源，為電動機驅(qū)動系統(tǒng)提供電能驅(qū)動車輛行駛的同時，也提供發(fā)動機起動電流。電機驅(qū)動系統(tǒng)提供整車的動力輸出，電機控制器通過接收整車控制器的信號控制整車的行駛。增程器主要由小排量的發(fā)動機和發(fā)電機組成，發(fā)動機提供的動力不直接參與整車的驅(qū)動[7]。增程式電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 工作模式

2.1 純電動模式

這種模式下，動力電池提供車輛行駛所需要的功率，增程器不參與工作，整車相當(dāng)于純電動汽車，減少了車輛對石油的消耗，實現(xiàn)了“零排放”。純電動模式能量流動見圖2。

2.2 增程模式

當(dāng)動力電池的電能降低到最低限值時，APU系統(tǒng)起動，開啟增程模式，發(fā)動機根據(jù)制定的控制策略運行，帶動發(fā)電機發(fā)電，多余的電能則用于動力電池充電。增程模式能量流動見圖3。

2.3 再生制動模式

當(dāng)車輛以較高車速制動時，驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一部分電能，存儲在驅(qū)動電池中，節(jié)約了部分能量，在較低車速時制動，由于反拖電機不能產(chǎn)生有效的電能，故低速制動不具備再生制動。再生制動模式能量流動見圖4。

2.4 停車充電模式

停車時動力系統(tǒng)全部停止，增程式電動汽車像純電動汽車一樣具備外接充電設(shè)備給汽車充電的功能，通過車載充電器連接外接電網(wǎng)對動力電池進行充電，為下次行車做準(zhǔn)備。停車充電模式能量流動見圖5。

3 參數(shù)匹配

增程式電動汽車性能受到整車參數(shù)及動力部件性能的影響，因此對整車參數(shù)進行匹配對提高增程式電動汽車整車性能至關(guān)重要。本文在滿足整車動力性能的前提下，根據(jù)整車動力總成的特點，提出對整車零部件參數(shù)進行匹配的方法[8]。

3.1 增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)

汽車的動力系統(tǒng)指標(biāo)主要包括以下幾點。

3.1.1 最高車速Vmax。最高車速是指汽車在水平且平整的路面上（一般為混凝土或瀝青路面上）行駛時能達(dá)到的最高速度，用Vmax表示。目前，最高車速都是設(shè)計參數(shù)，即表示所設(shè)計車輛的最高行駛速度能達(dá)到或超過的一個車速。

3.1.2 加速時間t。加速時間代表汽車的加速能力，通常加速時間分為原地起步加速時間和超車加速時間。

3.1.3 最大爬坡度[αmax]。汽車的最大爬坡度代表車輛的爬坡能力，指在滿載（或在某一裝載質(zhì)量）的情況下，行駛在較好路面上時車輛的最大爬坡能力，用[αmax]表示。[αmax]表示車輛的極限爬坡能力，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際行駛路面的最大坡度。之所以取最大是考慮其行駛在實際坡道上時，應(yīng)具有順利在坡道上起步，并克服路面上的坑洼所產(chǎn)生的局部較大阻力的能力。

對電動汽車而言，最高車速是電動汽車的極端使用情況，Vmax的大小與車輛的性能和要求有關(guān)，Vmax與電機的功率成正比，與傳動系統(tǒng)的速比成反比；電動汽車的最大爬坡度[αmax]與電機的轉(zhuǎn)矩和傳動系統(tǒng)的速比均成正比。

3.2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.2.1 驅(qū)動電機參數(shù)匹配。需要匹配的驅(qū)動電機參數(shù)有：峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、基速及最高轉(zhuǎn)速。

3.2.1.1 峰值功率與額定功率。增程式電動汽車驅(qū)動電機的峰值功率應(yīng)滿足車輛行駛的最高車速、加速性能和最大爬坡度的要求。

車輛行駛時驅(qū)動輪處需要的功率為：

[Pt=v3 600η（mgsinα+mafcosα+CdA21.15v2+δmdvdvt）] （1）

式（1）中，m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；α為行駛坡度；f為滾動阻力系數(shù)；[Cd]為空氣阻力系數(shù)；v為行駛車速；δ為汽車質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

最高車速對電機功率的要求為：

[Pmax1=vmax3 600ηT（maf+CdA21.15vmax2）] （2）

最大爬坡度對電機功率的要求為：

[Pmax2=va3 600ηT（mgsinαmax+mafcosαmax+CdA21.15va2）] （3）

式（3）中，[va]為爬坡時車速。

加速性能對電機功率的要求為：

[Pmax3=13 600ηT（mafvf+CdA21.15vf2+δmdvf+vbdt）] （4）

式（4）中，[vf]為加速末速度，[vb]為電機基速對應(yīng)的車速。

電機的峰值功率應(yīng)滿足Pmax≥max（Pmax1，Pmax2，Pmax3）

額定功率與峰值功率關(guān)系式為：

Pmax=P額×[λ] （5）

式（5）中，[λ]為電機的過載系數(shù)。

3.2.1.2 最高轉(zhuǎn)速和基速。最高轉(zhuǎn)速為：

[vmax=nmaxrigi0] （6）

式（6）中，[i0]為傳動系統(tǒng)速比。

基速與最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式為：

[n0=nmaxβ] （7）

式（7）中，[β]為基速。

3.2.1.3 峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)功率-扭矩公式的關(guān)系式確定峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩：

[P=Tn09 550] （8）

3.2.2 動力電池參數(shù)匹配。需要匹配的動力電池的參數(shù)為能量要求和功率要求。

3.2.2.1 功率要求。動力電池的最大放電功率應(yīng)滿足驅(qū)動電機的峰值功率的需要：

Pess≥[Pmaxηmc+Pacc] （9）

式（9）中，Pacc為汽車附件功率，Pess為動力電池最大放電功率。

3.2.2.2 能量要求。電池組的總能量應(yīng)滿足車輛最大純電動續(xù)駛里程需求，根據(jù)動力性能指標(biāo)計算動力電池所需能量：

[Pavg=vavg3 600ηT（mgf+CdAvavg21.15）] （10）

其中，[vavg]為動力性能指標(biāo)要求的勻速。

總能量需要：

Wavg=Pavg×t （10）

考慮到車輛行駛過程中附件消耗的功率，動力電池需求的總能量應(yīng)為：

[W=Wavg+WaddDOD·ηmc] （11）

其中，[Wadd]為車載附件消耗的能量。

3.2.3 增程器參數(shù)匹配。增程器主要由發(fā)動機和發(fā)電機組成，發(fā)動機通過驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛，在動力電池電量低于下限值時，發(fā)動機需要滿足在高效、低排放區(qū)域內(nèi)工作，能夠滿足車輛以一定的車速勻速行駛，并且滿足車輛一定的爬坡功率、附件功率以及給動力電池充電功率。

[Pe=v3 600ηTηmcηgmaf+CdA21.15v2+Paccηg] （12）

其中，[ηT]為傳動系統(tǒng)效率，[ηmc]為驅(qū)動電機效率，[ηg]為發(fā)電機效率，Pe為發(fā)動機的輸出功率，[Pacc]為附件需求功率。

4 結(jié)語

增程式電動汽車作為傳統(tǒng)汽車與純電動汽車之間的過渡橋梁，具備純電動汽車節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟性能優(yōu)良的優(yōu)點，解決了純電動汽車動力電池技術(shù)的限制及續(xù)航里程的問題，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

對增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究，是提高增程式電動汽車整車動力性能和經(jīng)濟性能的重要措施。在今后的研究中更應(yīng)該注重對整車的實車測試和搭建硬件在線仿真平臺，充分驗證對動力系統(tǒng)部件的選型和參數(shù)匹配的合理性及可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋珂，章桐.增程式純電驅(qū)動汽車動力系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2011（7）：14-19.

[2]焦磊.增程式電動汽車動力總成參數(shù)匹配及控制策略研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[3]增程式電動車與混合動力汽車誰是電動汽車過渡時期的寵兒？[J].汽車零部件，2011（4）：29-30.

[4]王神保，張戟.增程式電動汽車[J].汽車工程師，2012（12）：48-50.

[5]吳苗苗，張歡園.增程式電動汽車[J].汽車工程師，2013（11）：59-61.

[6]王耀南，孟步敏，申永鵬，等.燃油增程式電動汽車動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2014（27）：4629-4639.

[7]Massimo Ceraolo， Antonio di Donato， Giulia Franceschi. A general ap-proach to energy optimization of hybrid electric vehicles [J].Translations on Vehicular Technology， 2008（3）：1433-1441.

[8] Sun Hui. Multi-objective optimization for hydraulic hybrid vehicle based on adaptive simulated annealing genetic algorithm[J]. Engineering Applications of Articial Intelligence，2010（23）7-33.