王澤興 伊然 魏躍遠 楊良會 羅華利
摘要:本文以增程式電動車整車參數(shù)基本要求和動力性指標作為約束條件,對驅(qū)動電機、發(fā)動機、發(fā)電機等動力總成核心部件進行了性能匹配設計,使動力總成匹配滿足整車性能要求,并通過整車動力性仿真模型進行仿真驗證。最后通過動力總成臺架及整車的測試結(jié)果驗證了仿真模型的正確性,證明了該動力總成性能匹配方法的可行性和準確性。
關鍵詞:增程式電動車;動力系統(tǒng)匹配;仿真;測試驗證
為解決電動汽車中存在的電池技術(shù)、充電站設施和續(xù)駛里程等問題,在純電動汽車基礎上增加一臺內(nèi)燃機和發(fā)電機組成的增程器來延長其續(xù)駛里程,提高用戶感受,這種安裝增程器的純電驅(qū)動車輛就稱作增程式電動車。增程式電動車在短距離行駛時處于純電模式;當行駛里程較長時增程器開始工作,增程器通過消耗燃油來發(fā)電,補充車輛行駛所需的電能或?qū)恿﹄姵爻潆?。本文僅對純電驅(qū)動模式的整車動力性進行了仿真分析和試驗驗證。
1增程式電動車動力總成性能匹配
本文基于北汽A級純電動乘用車平臺進行增程式電動汽車開發(fā),完成了動力總成的性能匹配,并配合整車要求實現(xiàn)了動力總成的整車搭載和驗證。
在設計過程中,增程式電動車的整車參數(shù)如表1和表2所示,是動力總成性能匹配設計的重要依據(jù)。
增程式電動車的動力總成在匹配設計中,動力總成性能要滿足整車性能的要求,因此,驅(qū)動電機、發(fā)動機、發(fā)電機等動力總成核心部件的匹配設計要以整車性能要求為依據(jù)。
1.1驅(qū)動電機的性能匹配
1.1.1驅(qū)動電機的功率匹配
驅(qū)動電機作為增程式電動車的唯一驅(qū)動裝置,驅(qū)動電機技術(shù)參數(shù)的選擇與匹配必須要滿足車輛行駛的最高車速、最大爬坡度、最大加速度時所需要的指標,而且電動機的功率越大,其后備功率也就越大,加速性和爬坡性也就越好。所以驅(qū)動電機在選型匹配時功率要滿足以下三個要求:
(1)最高行駛車速工況
汽車在不低于最高車速Vmax的速度下勻速行駛所需求的功率PVmax:
(1)式中,m為整車質(zhì)量;f滾動阻力系數(shù);g為重力加速度;CD為空氣阻力系數(shù);A為整車迎風面積;ηT為機械傳動效率。
(2)最大爬坡度工況
汽車能夠以不低于最低要求車速Vs,在最大坡度為αmax的坡面上行駛的功率Ps:
(2)
(3)加速時間:
滿足汽車在時間ta內(nèi)由0km/h加速到要求車速Vr所需要的電機功率Pa:
(3)
式中,6為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù),取1.25;Pa為空氣密度,取1.293kg/m3;Vb為驅(qū)動電機基速所對應的車速。
根據(jù)表1整車參數(shù)計算,得:
Pvmax=34.56kw;Ps=9.14kw;
Pa=93.12kw。
根據(jù)式(1)~(3)在不同行駛工況下計算出的功率需求結(jié)果,可知驅(qū)動系統(tǒng)的峰值功率Pmax應不小于其中的最大值,即
(4)
因此,PMmax=100kw取峰值功率。
電機的額定功率為:
式中:λ為過載系數(shù),一般取1.5-2.5。
在本項目中我們按過載系數(shù)為2進行匹配,其額定功率PMe=50kw。
1.1.2驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速匹配
在電機額定功率相同的情況下,電機的額定轉(zhuǎn)速越高,體積和質(zhì)量越小,制造成本也就越低。驅(qū)動電機的高效區(qū)一般處于額定轉(zhuǎn)速附近,從經(jīng)濟性考慮,電機額定轉(zhuǎn)速一般由車輛的常規(guī)車速決定。電機轉(zhuǎn)速與車速的關系為
(6)
式中,nMmax為驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)速。
考慮到項目第二階段發(fā)動機參與直驅(qū)的要求,結(jié)合發(fā)動機的工作特性,取減速器的一級齒輪的速比ig=1,計算電機轉(zhuǎn)速nMmax≥4119rpm,同樣考慮到在發(fā)動機參與車輛直驅(qū)的工況時,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速應與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速匹配,因此驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速取nMmax>6000rpm。
1.1.3驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩匹配
驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩的匹配要滿足汽車的最大爬坡度要求:
(7)
代入表1.1參數(shù)計算得:TMmax1≥276N·m。
同時,當驅(qū)動電機的最大功率確定后,電機的最大轉(zhuǎn)矩還應滿足:
(8)
式中,nMe為電機的額定轉(zhuǎn)速,取2000rpm,計算得:TMmax2≥478N·m。
驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩應滿足:
(9)
因此,這里取驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩TMmax=480Nm。
驅(qū)動電機的額定扭矩:
(10)
計算得:TMe=240N·m
通過對驅(qū)動電機匹配設計,驅(qū)動電機特性參數(shù)如表3所示:
1.2增程器匹配
本項目所采用的增程器是由往復活塞式汽油發(fā)動機和永磁發(fā)電機組成的發(fā)電機組。其功用是當動力電池SOC較低或出現(xiàn)故障不能工作時,為驅(qū)動電機提供能量,在該車型中,采用了全功率型增程器,其功率需要滿足車輛以最高車速130km/h勻速行駛。
因此,增程器輸出功率:
(11)
計算得:PRE=34.56kW。
發(fā)動機輸出功率:
(12)
式中,ηG為發(fā)電機的工作效率,通過發(fā)電機效率測試數(shù)據(jù)查得該工況下電機效率為0.9。
計算得:PE≥38.4kW。
巡航車速為80km/h時,需求增程續(xù)航里程為400km,則油箱容積為:
(13)
式中,V是油箱容積,SRE是增程續(xù)航里程,P80是80km/h車速時對應的發(fā)動機功率,be取250g/kwh,ρ是汽油密度取0.752kg/L,v是巡航車速取80km/h。
計算得:V=23L
1.3減速器匹配設計
本項目研究的增程式電動車,根據(jù)驅(qū)動電機的特性,選用的是單檔速比的變速器器,簡稱減速器。在滿足整車動力性能的同時使得結(jié)構(gòu)更加簡單,傳動效率更高,操作也更簡單。
減速器參數(shù)選擇要滿足以下兩個要求:
(1)驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速下滿足整車的最高車速設計要求:
(14)
式中,i1為滿足最高車速的減速器的減速比,r為車輪半徑,nMmax為驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)速,Vmax為車輛純電驅(qū)動時的最高車速。
計算得:i1≤5.2026
(2)在驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩下滿足整車的最大爬坡度設計要求:
(15)式中,αmax是最大爬坡度,TMmax是驅(qū)動電機的最大扭矩。
計算得:i2≥0.000128
通過以上參數(shù)匹配計算,具體減速器參數(shù)如表4所示:
1.4動力電池匹配設計
動力電池組主要由電池單體通過串、并聯(lián)組合構(gòu)成,動力電池作為主電源總?cè)萘恳獫M足車輛純電動續(xù)駛里程的設計要求,且功率要覆蓋驅(qū)動電機的功率需求,因此要對電池單體的數(shù)量、動力電池組的總?cè)萘恳约皠恿﹄姵亟M的功率進行匹配。
動力電池組完成一次充、放電,需要的額定總能量為:
(16)
式中,W是額定總能量;S是車輛的純電續(xù)駛里程,取60km;SOC1、SOC2分別是動力電池組SOC的初始值和末值,初值取100%,末值取10%;ηc是驅(qū)動電機控制器效率,取0.98;PV是以勻速V行駛的功率,V取100km/h。
由以上參數(shù)計算得所需動力電池總能量為W=12.96kWh,動力電池組的額定容量:
(17)式中,QB是額定容量;U是動力電池組額定電壓,與驅(qū)動電機額定電壓一致,取350.4V。
計算得額定容量為QB≥36.99Ah,取QB=37Ah。
電池單體的連接方式?jīng)Q定了動力電池組的特性。并聯(lián)電池單體的數(shù)量主要增加電池組的容量,來滿足車輛純電動續(xù)駛里程的要求:
(18)
式中,Cr是電池單體容量,本項目中電池選取三元鋰電池,單體容量37Ah,計算得:ηp=1。
串聯(lián)電池單體數(shù)目既要保證電池組電壓與電機電壓匹配,又要保證電池組功率滿足電機峰值功率需求,同時要有短時大電流放電的能力。串聯(lián)電池單體的數(shù)量:
(19)
式中,PMmax是電機峰值功率;PbMax是電池單體允許最大放電功率。
計算得:ns=96,動力電池參數(shù)如表5:
2整車動力性仿真驗證
本文通過應用軟件對匹配的插電式混合動力汽車進行加速度和爬坡度后向仿真,仿真結(jié)果如圖1和圖2所示,0-100km/h加速時間為10.66s,最高車速200km/h,10km/h爬坡度27.44%,符合整車設計目標。
3增程式動力總成的測試驗證
項目中通過動力總成測試臺架,驗證了動力總成各部件的性能,并通過整車的道路測試,對整車的動力性進行了驗證。
3.1動力總成臺架驗證
動力總成各核心部件試制完成后,在試驗室搭建了增程式動力總成臺架如圖3,并通過AVL臺架測功機對混合動力總成進行測試,可以驗證各動力部件是否滿足設計要求。
3.1.1發(fā)動機臺架測試
通過發(fā)動機臺架測試,發(fā)動機試驗結(jié)果如表6:
3.1.2發(fā)電機臺架測試
通過發(fā)電機臺架測試,350V電壓等級下發(fā)電機試驗結(jié)果如表7:
3.1.3驅(qū)動電機臺架測試
通過驅(qū)動電機臺架測試,350V電壓等級下驅(qū)動電機試驗結(jié)果如表8:
3.2整車動力性試驗
本項目在交通部試驗場對試制樣車進行了整車的加速性、最高車速、最大爬坡度等動力性指標進行了測試,結(jié)果如表9:
3.3試驗結(jié)果
增程式動力總成各部件臺架測試結(jié)果表明,發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機各項參數(shù)指標均達到了匹配設計要求。整車的動力性測試結(jié)果0-100km/h加速時間為11.74s,最高車速160km/h,最大爬坡度為25%,與整車動力性仿真結(jié)果0-100km/h加速時間為10.66s,最高車速200km/h,最大爬坡度大于27%,除最高車速因動力電池放電功率造成一定偏差外,其余基本吻合。試驗結(jié)果證明了本項目中動力總成匹配設計的準確性和整車動力性仿真模型仿真結(jié)果的有效性。
4結(jié)語
本論文以增程式電動車整車基本參數(shù)要求和動力性指標為約束條件,針對增程式電動車動力總成的匹配設計,給出了一套增程式動力總成及驅(qū)動電機、發(fā)動機、發(fā)電機等核心部件的性能匹配設計方法。通過仿真軟件根據(jù)動力總成匹配參數(shù)搭建了整車動力性模型,進行了仿真分析。并通過動力總成零部件和整車的測試驗證了該匹配設計方法的可行性和準確性,以及仿真結(jié)果的有效性,為今后增程式電動車開發(fā)項目中進行動力總成的匹配設計積累了經(jīng)驗和理論依據(jù)。