增程式电动车参数匹配与分析

增程式电动车参数匹配与分析蒋建华;范港;张翀【摘 要】针对增程式电动车研发中动力系统的参数匹配问题,以整车动力性和续航 里程为设计目标,从电驱动系统、动力电池系统、内燃式增程器系统等方面出发,设 计了增程式电动车动力系统参数，并以软件AVL CRUISE为仿真平台,采用增程器恒 功率控制策略搭建了整车模型,验证了所设计的增程式电动车的整车动力性和续航 里程.研究结果表明,车辆的最高车速、加速性能和爬坡性能满足车辆动力性能要求;车辆在10 km/h和15 km/h匀速工况下纯电动续航里程和增程模式的续航里程也 满足车辆续航里程要求.期刊名称】机电工程年(卷),期】2016(033)003【总页数】5页(P373-377) 【关键词】 增程式电动车;动力系统;参数匹配;仿真【作 者】 蒋建华;范港;张翀【作者单位】 浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310007;浙江大学动 力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310007;浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310007【正文语种】 中文中图分类】 TP391.9目前纯电动车受到动力电池比能量小，价格高等因素的影响，并且充电设施复杂充 电时间过长，就存在续航里程短不能满足远距离行驶的问题。为延长 EV 的续航里 程，将燃油发动机和电机组成的发电机作为增程器 ,与动力蓄电池一起构成动力源， 是一种可供选择的方案。增程式电动车是一种以蓄电池为主动力的电动汽车，只是 在车上装了另一个较小功率的车载发电机（增程器）并配置合适大小的油箱，以增加 续航里程1。增程式电动车跟串联式电动车的结构相似，发动机仅有的功能是发 电。在串联式混合动力车中，动力电池实际上起到平衡发动机输出功率和电动机输 入功率的作用，使发动机一直工作在最佳稳定区，致使电池的电能主要来自发动机 而且发动机基本在车辆运行时都在工作。但是增程式电动车的设计目标是尽量使用 电网给蓄电池充电的能量，当蓄电池的 SOC 低于限定限值后，发动机启动给蓄电 池充电的同时又给车辆供给动力，所以发动机的启动频率很低。增程式电动车有两种形式模式，一种是纯电动模式，另一种是增程模式。在纯电动 模式下，动力系统设定只有动力电池供电，消耗的电能都来自电网，这种模式下能 够在零油耗和零排放的情况下满足日常的行驶续航里程要求。在当蓄电池电量低于 限值后，增程器开始工作，产生的电能可用于驱动汽车行驶和给动力电池充电，从 而增加增程式电动车的续航里程。跟传统的纯电动车相比，增程式电动车在不明显 增加车辆尺寸的基础上，尽量增加车辆的续航里程。动力系统设计是增程式电动车研究的重点内容之一。目前已发表了许多有关混合动 力汽车动力系统参数匹配的研究结果。同济大学的余弢等人2提出一种功率平衡 性的增程式公交客车动力系统设计方案。长安大学以一款增程式商用车为研究对象， 对发动机与发电机的匹配对整车经济性的影响情况做了详细的研究3。辽宁工业 大学的申彩英4在基于驾驶员的驾驶习惯分析了增程式电动车的性能，并对动力 系统参数进行匹配。文献5在对ADVISOR仿真软件进行二次开发后，建立了后 轮驱动式增程式电动校车仿真模型，并对整车动力系统验证进行了验证。文献6-7 以油耗和加速性能为目标，设计了多目标遗传算法对增程式电动汽车动力系统参数 匹配进行了优化研究。本研究以整体动力性和续航里程为设计目标，从电池系统、动力电池系统、内燃式 增程器系统等方面出发，设计增程式电动车动力系统参数。增程式电动车是在纯电动的基础上增加一套由“发电机+发动机”组成的车载发电 机组，可随时可为车辆补充电能，其简化结果如图 1 所示。动力电池作为增程式电动车的主要的动力源与驱动电机直接相连，为驱动电机提供 能量。只有当蓄电池的电量低于限定值后，启动发动机发动机，由发动机与发电机 组成的增程器给驱动电机提供能量，同时也可以给动力电池充电，以增加续航里程 达到长途行驶的目的。增程式电动车有两种工作模式:纯电动模式和增程模式。在纯电动模式下，动力电 池提供增程电动车全部能量，即增程器不工作的状态。而在蓄电池电量低于某个限 定值时，车辆进入增程模式启动发动机和发电机给整车提供电能带动驱动电机工作。 增程式电动车的动力系统主要由动力电池系统，增程器和电力驱动系统组成，有燃 油发动机发电及电网充电两种方式提供动力。所研究的增程式电动车是某款增程式电动自行车，根据一般日常应用需求，整车的 参数及性能如表1、表 2 所示：2.1 电力驱动系统增程式电动车行驶时驱动电机提供动力源，所以在整车动力系统参数匹配与设计中 驱动电机的参数设计与匹配就十分重要。驱动电机的参数包括：电机额定功率 Pm， 电机的峰值功率Pmmax，电机的峰值转速nm，电机最大转速Tmmax。2.1.1电机额定功率Pm及峰值功率Pmmax考虑驱动电机功率时需要同时考虑驱动电机的额定功率和峰值功率。驱动电机的峰 值功率Pmmax-般是根据车辆的加速及爬坡性能确定，驱动电机的额定功率Pm 一般根据车辆的最高车速确定的。 满足车辆满载最高速度的电机峰值功率计算公式为： 式中:nt效率系数，取0.95 ;是车辆部分负载时的质量，取100 kg ; g重力加 速度，取9.8 m/s2 ； f路面的滚动阻力系数，取0.03 ； V1车辆的最大速度， 取20 km/h ； A迎风面积，取1 m2。满足车辆部分负载最大爬坡度的电机最大功率计算公式是：式中：a是最大爬坡度，这里取9% ; m3部分负载，取110 kg。 满足车辆部分负载时最大加速性能的电机最大功率计算公式是： 式中：6质量换算系数，取1.25 ;pa空气密度，取1.205 kg/m3 ; V0加速 初始速度，取0 m/s。驱动电机的峰值功率放要同时满足最大爬坡、最大功率和最大加速度性能的要求。 则驱动电机的峰值功率8：则根据式驱动电机的峰值功率Pmmax为875 W。 驱动电机的额定功率则可以根据式(5)确定： 式中：入一驱动电机的负载系数，一般为23,则得Pm为350 W。2.1.2 电机峰值转速nmax和峰值转矩Tmax 由于本研究中的增程式电动车的选用的驱动电机为轮毂电机，则电机峰值转速是根 据车辆的最高行驶速度确定9。其中的关系式为：最后确定驱动电机的峰值转矩Tmax，可以式(7)计算：式中：P速比，取2.5 ;计算结果为nmmax为500 r/min ; Tmmax为25Nm。2.2 动力电池匹配设计 动力电池给车辆提供主能源，要保证车辆的动力性能，纯电动续航里程和最大续航 里程。本研究中增程式电动车的动力电池类型为铅酸蓄电池。最大放电功率需满足 下面关系式：式中：Pmax驱动电机的最大功率；nmc电机效率系数，取0.98 ; PA车辆 附件的功率，取20 W。根据式(8)得Pbat_dis_,max大于950 W。在本研究中增 程式电动车蓄电池SOCmin=20%，SOCmax=80%。动力电池组还需要满足增程式电动车性能指标中的纯电动续航里程d1, Cp为功 率要求蓄电池容量,CE为能量要求蓄电池容量。则应该满足如下关系式： 式中：CE能量要求蓄电池容量“discharge蓄电池充电效率，取0.98 ;na辅助电力设备消耗电能比例，取0.95 ; k最大放电率，单位是1/h。 蓄电池容量为：根据式(9 11)选取蓄电池容量为5 Ah。2.3 增程器参数匹配设计 由于本文中的增程式电动车尺寸原因，最终结构紧凑的2冲程发动机。增程式电 动车增程器采用恒功率控制模式，则增程器要保证能够单独提供车辆以20 km/h 速度匀速行驶电机所需功率和蓄电池充电功率。式中：Pcharge给动力电池充电功率，取100 W; PRE增强器的额定功率，380 W，则增程器的额定功率PRE为380 W。结合整车性能中的续航里程要求，油箱的容积大小V如下计算：式中：P内燃机的输出功率，取200 W; S增程模式行驶里程，取30 km ;be最优燃油消耗率，取400 g/(kwh); V2巡航车速，取15 km/h ;p汽油 密度，取0.75 g/ml ;根据式(13)得容积为1.2 L。本研究中的增程式电动车的模型基于AVL CRUISE仿真软件10-11，依次选择整车模块、驾驶员模块、发动机模块、发电机模块、电池模块、刹车模块等模块，依次输入确定整车动力系统参数。软件AVL Cruise仿真任务有：Constant Drive; Climbing Performance; Full Load Acceleration; Maximum Traction Force; Brake/Coast/Thrust; Cycle Run; Cruising。本研究中的增程式电动车为两轮模型， 是在Cruise里面的模型如图2所示。3.1 整车动力性能仿真分析 整车动力性仿真分析为将得到的增程式电动车动力系统的关键参数输入软件Cruise中，通过仿真验证。基于Cruise建立的模型得到的加速性能仿真结果如图 3所示12。笔者通过软件AVL Cruise仿真分析整车动力系统参数匹配情况。设计的增程式电 动车动力性能仿真结果如表3所示，对比表2可见，动力系统的参数能够满足整 车动力性能设计要求。3.2 整车续航里程性能分析本研究中增程器的控制策略为恒功率控制策略，增程器启动后，发动机在预设的工 作点按恒定功率输出，输出功率不随工况的变化而变化13。当电池组的荷电状态 高于设定值时，增程器关闭并使用动力电池组为车辆提供能量，从而使电池组的SOC维持在一个合理的区间14。在本研究中增程式电动车的控制方式为当当蓄电池SOC值在20% 80%之间时， 增程器保持上一工作状态；当蓄电池的SOC值低于20%，发动机启动，车辆进入 增程模式；当蓄电池SOC值大于80%后，发动机关闭，车辆进入纯电动模式。 增程式电动车的续航里与其行驶的工况和行驶模式有关。本研究中对整车仿真采用 了 10 km/h和15 km/h的匀速车速行驶。车辆以10 km/h行驶中蓄电池SOC,发动机功率及行驶路程的变化如图3所示。 车辆以15 km/h行驶中蓄电池SOC,发动机功率及行驶路程的变化如图4所示。 如图4所示增程式电动车在10 km/h匀速行驶，从图4中可以得到车辆纯电动模 式下的续航里程超过30 km/h，满足预期的纯电动续航里程要求。并且可以从图 4中可见车辆的总续航里程明显大于60 km，满足预期总续航里程要求。如图5所示增程式电动车在15 km/h匀速行驶下，在SOC值降到20%之前是纯 电动模式，从图5中可以得出纯电动续航里程超过30 km，满足预期的设计目标。 并且15 km/h的总续航里程超过60 km,也能满足续航里程的与其设计目标。本研究首先根据整车动力性能指标和续航里程目标理论计算得到增程式电动车电力 驱动系统、动力电池系统、内燃机增程系统主要参数。然后在软件AVL Cruise建 立增程式电动车模型，通过仿真得到整车动力性能指标和续航里程能力，验证在理 论计算得到的动力系统参数的合理性。本研究直接通过软件AVL Cruise建立逆向仿真模型，能够直接得到整车动力性能 参数和经济性能参数，大大能够减少实验的工作量，降低研发成本。但是本研究中增程式电动车的控制方法为恒功率控制策略，将发动机的工作点一直 控制在最佳经济运行工况点。其中没有考虑蓄电池充电功率，影响了蓄电池的使用 寿命。参考文献(References):1 TATE E D, HARPSTER M O, SAVAGIAN P J. 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