某增程式電動(dòng)公交車(chē)性能開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)研究

黎程　杜志良　張有

摘 要：增程式電動(dòng)汽車(chē)是新能源汽車(chē)領(lǐng)域一個(gè)重要分支。增程式電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)應(yīng)主要關(guān)注兩點(diǎn)，第一是動(dòng)力系統(tǒng)的選型和匹配，第二是整車(chē)控制邏輯的制定與策略的優(yōu)化。如果設(shè)計(jì)恰當(dāng)，可同時(shí)滿足整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。文章以某自主研發(fā)增程式電動(dòng)公交車(chē)為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)車(chē)性能研究與驗(yàn)證，取得了較好的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車(chē);驅(qū)動(dòng)模式;性能開(kāi)發(fā);整車(chē)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-01-04

Abstract：?Extended-range electric vehicle is an important categoryof new energy vehicles. The design and research of the extended-range electric vehicle mainly focus on two points.?The first isthe matchingand selection of the main powertrain systemand the second is the vehicle control logic development and strategy optimization. If the design is suitable， we can meet the vehicle power and economic indicatorrequirements. In this paper， an independent research and development of electric vehicles is used as the research objectto obtainthe actual vehicle performance research and verification. And the testachieved good and expected results.

Keywords： Extended-range electric vehicle;?Matching;?Performance research;

Vehicle testCLC NO.：?U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）11-01-04

引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越多的走入人們的生活，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。增程式電動(dòng)車(chē)以其獨(dú)特的工作特性逐漸進(jìn)入人們的視野。

增程式電動(dòng)汽車(chē)可以看作是串聯(lián)式混合動(dòng)力向純電動(dòng)方向的延伸。增程式電動(dòng)汽車(chē)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，以動(dòng)力電池為主要能量來(lái)源，而發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成輔助發(fā)電單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)APU），當(dāng)電池電量不足時(shí)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，從而延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)駛里程。

在能量管理方面，傳統(tǒng)混合動(dòng)力以?xún)?yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)，提高混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性為主要目的，而增程式電動(dòng)汽車(chē)則同時(shí)兼顧提高混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性和增加電池能量使用兩方面。因此，相比于傳統(tǒng)混合動(dòng)力，增程式電動(dòng)汽車(chē)能夠更大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排。而相對(duì)于純電動(dòng)車(chē)，增程式電動(dòng)汽車(chē)可以通過(guò)APU的工作，彌補(bǔ)由于電池能量密度較低導(dǎo)致續(xù)駛里程不足的缺陷，同時(shí)在電池電量較低時(shí)保證車(chē)輛行駛的動(dòng)力性，防止對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行深充深放。

本文以某自主研發(fā)增程式電動(dòng)公交車(chē)為研究對(duì)象，使用AVL-CRUISE 軟件建立整車(chē)動(dòng)力總成模型，在MATLAB/ SIMULINK 中建立控制策略模型，對(duì)所匹配的整車(chē)模型進(jìn)行動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真，并通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)完成了對(duì)樣車(chē)性能的驗(yàn)證。

1 增程式電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理

增程式電動(dòng)汽車(chē)是在純電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)上裝備一個(gè)輔助發(fā)電機(jī)組以備電池電量不足時(shí)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池組提供電能，因此增程式電動(dòng)汽車(chē)可以利用電網(wǎng)進(jìn)行充電，所以增程式電動(dòng)汽車(chē)要優(yōu)先使用廉價(jià)的電能驅(qū)動(dòng)，在需要額外動(dòng)力補(bǔ)充時(shí)，開(kāi)啟發(fā)電機(jī)組，并使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最佳工作點(diǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，輸出的電能通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器，傳送到電機(jī)或者動(dòng)力電池，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。行駛過(guò)程中，由整車(chē)控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VCU）解析踏板開(kāi)度信號(hào)、檔位信號(hào)和鑰匙開(kāi)關(guān)信號(hào)，對(duì)駕駛員意圖進(jìn)行識(shí)別。車(chē)輛在各工種模式之間自動(dòng)切換。

增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)部件較多，相對(duì)純電動(dòng)車(chē)增加了 APU、油箱等，相對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)增加了動(dòng)力電池組及控制器。增程式電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力總成布置方面考慮因素較多，既要保證緊湊和美觀，又要解決好諸如?APU 振動(dòng)噪聲、動(dòng)力電池安全防護(hù)與熱管理、保養(yǎng)維護(hù)以及軸荷的分配等技術(shù)問(wèn)題。

增程式電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

根據(jù)增程式客車(chē)自身的使用特點(diǎn)和工況特點(diǎn)，包括其作為城市公交車(chē)、單位班車(chē)或者城際短途用車(chē)等，需要考慮的因素主要有：城市的空氣污染，噪聲污染，車(chē)輛的頻繁啟停加減速及低速行駛，制動(dòng)能量回收等。為了充分利用電能，合理分配功率，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)，增程式電動(dòng)汽車(chē)制定了以下幾種運(yùn)行模式。

1.1 電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式

增程式電動(dòng)汽車(chē)的電池組驅(qū)動(dòng)模式即純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)電池電量能夠滿足整車(chē)功率需求，APU 不工作，電能傳遞到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)車(chē)輪。電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下，整車(chē)運(yùn)行噪聲小，平穩(wěn)，完全符合當(dāng)今城市對(duì)新能源汽車(chē)的要求。

1.2 APU與電池組共同驅(qū)動(dòng)模式

當(dāng)整車(chē)的牽引功率較大，動(dòng)力電池由于電量和自身輸出電流的限制，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)能量可由 APU 和電池組共同提供，APU 輸出電能與電池組輸出的能量一起傳遞到電動(dòng)機(jī)。兩者共同驅(qū)動(dòng)的好處是可以避免電池過(guò)放電，并且能達(dá)到更大的驅(qū)動(dòng)能力。

1.3 APU驅(qū)動(dòng)且充電模式

這一運(yùn)行模式充分體現(xiàn)了增程式電動(dòng)汽車(chē)的兩套動(dòng)力系統(tǒng)相比于純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)，在電池組的電量接近下限時(shí)，APU 作為主要?jiǎng)恿υ矗闰?qū)動(dòng)整車(chē)的運(yùn)行又給電池組充電。

1.4 再生能量回收模式

由客車(chē)的運(yùn)行工況可知，在城市中客車(chē)會(huì)頻繁的減速停車(chē)，此時(shí)的回收能量對(duì)于節(jié)約能源有重要意義。進(jìn)行能量回收時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作模式相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能向電池組供電，制動(dòng)能量回收將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽鎯?chǔ)到電池中。

2 增程式電動(dòng)公交車(chē)性能開(kāi)發(fā)

2.1 樣車(chē)配置選型

根據(jù)增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)造原理，結(jié)合樣車(chē)性能開(kāi)發(fā)指標(biāo)要求，通過(guò)AVL-CRUISE軟件自帶的各組件模塊建立整車(chē)模型并進(jìn)行整車(chē)性能仿真，建模示意圖見(jiàn)圖2。

為滿足性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)，如最高車(chē)速、加速性、節(jié)油率及純電續(xù)駛里程等的指標(biāo)要求，結(jié)合現(xiàn)有整車(chē)及總成資源經(jīng)計(jì)算，最終確定選型表見(jiàn)表1，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性及效率特性見(jiàn)圖3。

2.2 增程器工況點(diǎn)設(shè)計(jì)

APU發(fā)電工況如何設(shè)計(jì)將直接影響到整車(chē)油耗的大小。通過(guò)油耗儀測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)油耗量，功率分析儀測(cè)試增程器輸出電壓、電流，使用CAN通訊設(shè)備監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出扭矩，搭建起一整套增程器性能試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)測(cè)試，繪制油耗功率比萬(wàn)有特性圖，如圖4所示。

通過(guò)萬(wàn)有特性圖可以直觀的得出如下結(jié)論：為使APU發(fā)電工況運(yùn)行在高效區(qū)，發(fā)電機(jī)功率應(yīng)在14kW至18kW之間選取，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)在1800r/min至2400r/min之間選取。綜合增程器NVH性能，選取發(fā)動(dòng)機(jī)功率為16kW，轉(zhuǎn)速為2100r/ min。

3 性能驗(yàn)證

對(duì)原型燃油車(chē)型進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，以獲得整車(chē)性能數(shù)據(jù)，試驗(yàn)包括整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及主觀評(píng)價(jià)等。在保證試驗(yàn)條件相同的前提下，進(jìn)行增程式電動(dòng)車(chē)型性能試驗(yàn)驗(yàn)證。獲得增程式電動(dòng)車(chē)型的整機(jī)基本性能數(shù)據(jù)，對(duì)比分析樣車(chē)性能的優(yōu)劣，為后續(xù)改進(jìn)及項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)提供依據(jù)。

增程式電動(dòng)汽車(chē)性能驗(yàn)證包括功能性驗(yàn)證試驗(yàn)，動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證試驗(yàn)。功能性驗(yàn)證主要驗(yàn)證APU、電池及驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)同工作的能力，電池充放電功能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出功能及制動(dòng)能量回收功能。動(dòng)力性驗(yàn)證主要驗(yàn)證車(chē)輛的加速性能。經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證主要驗(yàn)證車(chē)輛在公交工況下與傳統(tǒng)燃油車(chē)型之間的能耗差異。

3.1 功能性驗(yàn)證

功能性驗(yàn)證分為加速、減速及自由駕駛?cè)齻€(gè)工況，通過(guò)測(cè)試可以得出如下結(jié)論：

全油門(mén)加速過(guò)程中，整車(chē)控制器VCU能夠控制電池能量平穩(wěn)釋放。經(jīng)8秒使驅(qū)動(dòng)電流從0增加到100A，最終控制電流穩(wěn)定在80A附近。當(dāng)車(chē)速達(dá)到最大限速100km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流減少至40A附近，使車(chē)輛穩(wěn)定行駛在最大限速狀態(tài)。制動(dòng)過(guò)程中，整車(chē)控制器VCU能夠控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以接近40A的電流回收制動(dòng)能量，如圖5所示。

自由駕駛過(guò)程中，整車(chē)控制器VCU能夠?qū)崿F(xiàn)控制APU與電池組共同驅(qū)動(dòng)整車(chē)行駛的功能，電池作為儲(chǔ)能裝置非常自如的進(jìn)行充放電切換。當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)，電池放電以達(dá)到助力作用，當(dāng)車(chē)輛減速時(shí)，電池充電，以達(dá)到回收能量的作用，如圖6所示。

3.2 動(dòng)力性驗(yàn)證

增程式電動(dòng)汽車(chē)不僅能單獨(dú)使用電池組放電模式進(jìn)行行駛，同時(shí)可以讓APU與電池聯(lián)合供電使車(chē)輛獲得更快的加速度。為驗(yàn)證車(chē)輛的動(dòng)力性能，僅測(cè)試單獨(dú)使用電池組放電模式車(chē)輛的加速時(shí)間來(lái)評(píng)判，如圖7所示。0到50km/h滿載加速時(shí)間為10s，且加速平穩(wěn)。與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，加速時(shí)間慢2.7s。加速性能滿足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)要求。

3.3 等速工況油耗試驗(yàn)

通過(guò)等速60km/h工況油耗試驗(yàn)可以看出，與傳統(tǒng)燃油車(chē)型相比，增程式電動(dòng)汽車(chē)并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。見(jiàn)表2，表3所示。車(chē)輛在等速行駛狀態(tài)增程式電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收的功能無(wú)法體現(xiàn)，而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛的能量需求卻是相同的。從能量的轉(zhuǎn)化效率方面來(lái)講，增程式電動(dòng)車(chē)型與匹配較好的傳統(tǒng)燃油車(chē)相比差異不大。

3.4 中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況油耗試驗(yàn)

在車(chē)輛的應(yīng)用領(lǐng)域城市公交工況非常惡劣，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中必需面對(duì)頻繁的停車(chē)，加速及減速工況。對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，在面對(duì)上述工況時(shí)表現(xiàn)非常糟糕，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅難以運(yùn)行在高效區(qū)，反復(fù)的加減速也使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，壽命降低，排放污染增加。增程式電動(dòng)汽車(chē)非常好的解決了傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在城市公交工況中遇到的諸多問(wèn)題。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB/T 19754-2015重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法》對(duì)樣車(chē)進(jìn)行中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況能量消耗量測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，曲線見(jiàn)圖8，圖9。

增程式電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行中國(guó)典型城市公交循環(huán)，百公里油耗僅8.6升，而傳統(tǒng)燃油車(chē)型百公里油耗達(dá)到16.2升，增程式電動(dòng)車(chē)型的公交工況節(jié)油率達(dá)到46.9%，見(jiàn)圖10所示。按照油箱容積70L計(jì)算，該工況的續(xù)駛里程理論上能達(dá)到894km。

4 結(jié)論

（1）增程式電動(dòng)公交車(chē)型基本性能滿足設(shè)計(jì)要求。達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（2）通過(guò)合理的動(dòng)力總成選型與策略?xún)?yōu)化，中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況節(jié)油率達(dá)到46.9%。理論續(xù)駛里程達(dá)到894km。

（3）原地起步加速至50km/h車(chē)速，加速時(shí)間僅10s，動(dòng)力性能較好。

（4）對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化選型可以達(dá)到更好的節(jié)油效果。

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