增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究

周正勇 高震 李研

摘 要：針對(duì)增程式電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配和控制策略問題，文章采用AVL CRUISE軟件進(jìn)行仿真與分析，完成動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配和對(duì)純電動(dòng)混合型動(dòng)力系統(tǒng)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車;參數(shù)匹配;控制策略;仿真

中圖分類號(hào)：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-08-04

Abstract： In order to solve the problem of parameter matching and control strategy of powertrain in extended-range electric vehicle， the article uses AVL CRUISE software to simulate and analyze， carry out the parameter matching of the powertrain system and verify the control strategy of pure electric hybrid system.

Keywords： extended range electric vehicle; parameter matching; control strategy; simulation

前言

增程式電動(dòng)車是一種生產(chǎn)成本較低、續(xù)航里程長(zhǎng)的新能源汽車。車輛主要以電能為能源，大部分時(shí)間工作于純電動(dòng)模式，在電池能量不足的情況下，使用混合動(dòng)力模式延長(zhǎng)續(xù)駛里程。增程式電動(dòng)車是發(fā)展純電動(dòng)汽車過程中一種很好的過渡車型[1-3]，對(duì)于緩解能源壓力和改善生態(tài)環(huán)境而言具有重大意義[4]。

1 車架總成設(shè)計(jì)

增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)與車輪通過變速器和驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械連接，車輪所需的驅(qū)動(dòng)力全部來自電機(jī)。增程器單元發(fā)出的電能根據(jù)工作模式不同，對(duì)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并將多余的電量為動(dòng)力電池組充電。增程式電動(dòng)車有外部電源接口，可以對(duì)電池組進(jìn)行充電。電量充足時(shí)，動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛前行，當(dāng)電量消耗到一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才開啟。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 原型車參數(shù)與REEV動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文研究增程器為對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的原型車為某款純電動(dòng)汽車，其基本參數(shù)如表1所示。根據(jù)一般用戶的日常需求，選取的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示，增程器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表3所示，增程器的功率曲線如圖2所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

增程式電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是整個(gè)汽車唯一的動(dòng)力源，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率在高速與低速都應(yīng)滿足汽車的起步、加速、爬坡等動(dòng)力性能。則需要匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性參數(shù)主要有：最高轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速、峰值功率以及額定功率、最大轉(zhuǎn)矩以及額定轉(zhuǎn)矩。

2.2.1 最高轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速

由于無變速器，則主減速比及車速?zèng)Q定著電機(jī)轉(zhuǎn)速的選取。車輛在最高車速下對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速即為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。由相關(guān)公式推導(dǎo)得：

其中vmax為整車最高速度，i0為主減速比，r為車輪滾動(dòng)半徑，將各數(shù)據(jù)代入中，得nmax=8964.4r/min，所以取最高轉(zhuǎn)速nmax=9000r/min?；俦圈氯?，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n0=3000r/min。

2.2.2 峰值功率及額定功率

峰值功率的確定由整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及動(dòng)力性參數(shù)來確定，應(yīng)達(dá)到最大功率需求，包括最高車速對(duì)于的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pm1，加速時(shí)間對(duì)于的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pm2，最大爬坡度對(duì)于的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pm3：

其中vmax是汽車最高車速，ηt是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，m是汽車滿載的質(zhì)量（kg），g為重力加速度，CD是汽車的風(fēng)阻系數(shù)，A是汽車的迎風(fēng)面積，f是汽車的滾動(dòng)阻力系數(shù)，vf是汽車加速終了速度，取vf=27.78m/s，ρα是空氣密度，取ρα=1.2258N·s2·m-4，vb為車輛巡航速度，取vb=16.67m/s，t是汽車加速時(shí)間，δm是汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，vc是汽車最大爬坡度時(shí)對(duì)應(yīng)的速度，取vc =20m/h，α是汽車的最大爬坡度。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)最大，即：

所以取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為75KW。由公式得：

其中λ被成為電機(jī)過載系數(shù)，取值一般介于 2 到 3 之間，這里選擇λ=3。由此可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率 Pm=25KW。

2.2.3 最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的確定

由功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可得，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為：

2.2.4 參數(shù)修正

由于傳動(dòng)比為預(yù)設(shè)參數(shù)，需要進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)算，預(yù)設(shè)的傳動(dòng)比應(yīng)該滿足下式：

其中Tmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

計(jì)算得到 6.66≤i0≤8.31，前文取i0=8.28 符合要求，故傳動(dòng)比校驗(yàn)合格。

通過上述計(jì)算，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配已經(jīng)完成，其參數(shù)如表4所示。

2.3 動(dòng)力電池組參數(shù)匹配

2.3.1 電池組的功率匹配

電池功率應(yīng)和電機(jī)功率相匹配，應(yīng)滿足公式：

其中Pb是電池組的功率;Pmax是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率;ηe是電機(jī)及其控制器的效率，取0.9;EB為電池組的能量;DOD為電池組放電深度，DOD=0.7;ηmc為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率，取0.9;ηdic為鋰電池組放電效率，取0.95;ηα為增程式電動(dòng)汽車其他附件能量消耗比例系數(shù)，取0.2;Sb為增程式電動(dòng)汽車純電動(dòng)續(xù)航里程，CE電動(dòng)汽車的電池組容量;UE電動(dòng)汽車的電池組電壓。

由公式聯(lián)立求解，得出數(shù)據(jù)如表5。

2.3.2 電池組容量校核

電池的能量除了要滿足能量需求外，還要滿足瞬時(shí)功率要求，電池的最大能量滿足下式：

其中k為電池組最大放電率，這里取k=7.5h -1;ηmc為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率，取ηmc =0.9;為Pacc增程式電動(dòng)汽車其他附件功率，這里取Pacc=3kW。

帶入得到CE≥39.81 A·h，前文確定CE =45 A·h，滿足要求。根據(jù)匹配思路，對(duì)增程式電動(dòng)汽車的所有相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配，并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比，動(dòng)力電池容量進(jìn)行校核，最終確定所有參數(shù)如表6。

3 增程式電動(dòng)汽車整車仿真分析

采用 AVL CRUISE 軟件對(duì)整車進(jìn)行建模仿真，對(duì)整車的動(dòng)力性及續(xù)航里程進(jìn)行分析。

3.1 動(dòng)力性結(jié)果分析

整車在循環(huán)工況中，整車仿真準(zhǔn)確性主要根據(jù)車輛速度跟隨的情況來評(píng)價(jià)，即工況理想車速與車輛實(shí)際車速的對(duì)比。圖3為 NEDC 循環(huán)局部速度跟隨情況，由圖可知在確定的NEDC工況下，整車的實(shí)時(shí)仿真速度與工況所要求的實(shí)時(shí)速度基本符合，出現(xiàn)小波動(dòng)也在實(shí)時(shí)最大速度與實(shí)時(shí)最小速度內(nèi)，說明整個(gè)增程式電動(dòng)汽車仿真模型匹配較為良好，能夠滿足預(yù)設(shè)的要求

由圖4、圖5可得，0-100km/h 加速所用時(shí)間為14.6s，所能達(dá)到的最大速度為129km/h，在速度為 20km/h 時(shí)最大爬坡度為 30.14%，均滿足設(shè)定的車型初始動(dòng)力參數(shù)。

3.2 純電動(dòng)模式續(xù)航里程仿真分析

當(dāng)整車處于純電動(dòng)-混合型整車控制策略下時(shí)，為防止電池過充過放，同時(shí)減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間，需要在常參數(shù)模塊中設(shè)定電池SOC 充電的上限值與下限值為40%與30%。在仿真之初，設(shè)定電池組已經(jīng)完全充好電，即SOC初始值為100%。完成一個(gè)循環(huán)后SOC 變化情況如圖6。

由仿真數(shù)據(jù)得到一個(gè)NEDC循環(huán)結(jié)束后，SOC值由100%降到88.4%，即一個(gè) NEDC循環(huán)消耗11.6%的電量。通過比例運(yùn)算可得，若SOC值到達(dá)30%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，則純電動(dòng)續(xù)航里程可以達(dá)到65.9km，符合初始設(shè)定的在純電動(dòng)續(xù)航里程大于60km的目標(biāo)，故動(dòng)力電池組參數(shù)匹配良好。

3.3 純電動(dòng)-混合型動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證

為使增程器系統(tǒng)盡早啟動(dòng)使整車進(jìn)入混合型控制策略，現(xiàn)將動(dòng)力電池組的 SOC 初始值設(shè)定為40%，SOC 上限值與下限值仍設(shè)為40%與 30%，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的期望轉(zhuǎn)速為6000 r/min。建立循環(huán)工況任務(wù)，基于5個(gè)NEDC循環(huán)工況的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到如圖7的動(dòng)力電池組SOC實(shí)時(shí)數(shù)值。由圖7可以清晰地發(fā)現(xiàn)當(dāng)動(dòng)力電池組的SOC值達(dá)到下限值30%時(shí)，

電池組進(jìn)入充電過程，即增程器系統(tǒng)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)已開始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)诫姵亟M的 SOC值達(dá)到上限值40%時(shí)，增程器系統(tǒng)則停止工作。

圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過圖8可以發(fā)現(xiàn)增程器系統(tǒng)啟動(dòng)及關(guān)閉良好，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及功率均非常接近期望值，每個(gè)循環(huán)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)總時(shí)長(zhǎng)為406s。

圖9顯示的車輛實(shí)時(shí)走行距離，未出現(xiàn)較大波動(dòng)及異常數(shù)據(jù)，表明增程器系統(tǒng)、電池及驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作正常，同時(shí)表明純電動(dòng)混合式整車控制策略可以準(zhǔn)確的控制車輛參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)增程式電動(dòng)汽車整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)、增程器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及整車的動(dòng)力性指標(biāo)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配。

（2）分析增程式電動(dòng)汽車的工作模式，確定增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略為純電動(dòng)-混合型控制策略。

（3）根據(jù)參數(shù)匹配結(jié)果和選擇的控制策略，在AVL CRUISE中搭建整車仿真模型，對(duì)整車的動(dòng)力性進(jìn)行了計(jì)算分析，仿真結(jié)果表明，整車動(dòng)力性基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，并且控制策略能夠很好地執(zhí)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱利宏.微型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配及仿真研究[J].上海汽車，2013（9）：3-7.

[2] 朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE純電動(dòng)汽車匹配計(jì)算與仿真[J].上海汽車， 2012（9）：11-15.

[3] 姜立標(biāo)，吳斌，馮驍，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力性參數(shù)的仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車工程，2011，33（12）：1013-1017.

[4] 龔賢武，吳德軍，馬建，等.增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2014， 33（6）：929-933.