周雅夫， 麻笑藝， 胡曉煒， 李琳輝， 連 靜

(1.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連理工大學(xué)), 遼寧 大連116024； 2.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 遼寧 大連116024)

微型燃?xì)鉁u輪機(jī)增程式電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)

周雅夫1,2， 麻笑藝1,2， 胡曉煒1,2， 李琳輝1,2， 連 靜1,2

(1.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連理工大學(xué)), 遼寧 大連116024； 2.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 遼寧 大連116024)

為提高純電動(dòng)轎車的適用性，彌補(bǔ)其續(xù)駛里程的缺陷，提出以微型燃?xì)鉁u輪機(jī)作為增程器的增程式電動(dòng)汽車開發(fā)方案. 對(duì)主要?jiǎng)恿偝杉傲悴考M(jìn)行分析，并根據(jù)分析確定整車參數(shù)，對(duì)主要零部件進(jìn)行計(jì)算選型，在Advisor中對(duì)整車模型的可行性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證. 仿真結(jié)果表明：所提出的設(shè)計(jì)方案在純電動(dòng)模式下可以滿足大部分人的需求，在增程模式下，平均每百公里等價(jià)油耗為2.02L. 該設(shè)計(jì)方案提升車輛的燃料適應(yīng)性，同時(shí)充分利用了電網(wǎng)能量，相比于傳統(tǒng)車，燃油經(jīng)濟(jì)性也有很大提升.

整車設(shè)計(jì)與計(jì)算；微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)；增程式電動(dòng)汽車；控制策略；仿真

相比于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)車不僅有更高的能量效率，而且有排放污染低，能回收制動(dòng)能量的能力，維護(hù)成本更低以及低噪音等優(yōu)勢(shì). 純電動(dòng)汽車是今后汽車研究和發(fā)展的重要方向. 然而，有限的續(xù)駛里程、充電時(shí)間長(zhǎng)、充電樁少等因素，阻礙了電動(dòng)車的普及. 其中,令電動(dòng)車無法滿足更多人需求的首要因素是電動(dòng)車的續(xù)駛里程較短. 在當(dāng)前的電池技術(shù)水平下，增程式電動(dòng)車(REV, range-extended electric vehicle)的應(yīng)用是增加行駛里程，滿足更多用戶需求的可行辦法[1-2].

現(xiàn)有的增程式電動(dòng)車大多以往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)作為增程器，下文簡(jiǎn)稱內(nèi)燃機(jī) (ICE, internal combustion engine). ICE的優(yōu)勢(shì)在于寬廣的工作范圍與高比功率，其已經(jīng)多年在汽車市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位. 但由于它的燃料能量效率較低，零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，污染相對(duì)嚴(yán)重等原因，ICE作為增程器存在一定局限性. 增加電池?cái)?shù)量也是延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的方法，但過多的電池會(huì)使車輛過重，操縱穩(wěn)定性和安全性都會(huì)受到影響，不是根本的解決辦法.

本文采用的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)(GT, gas turbine)與用于飛機(jī)、船舶及特殊車輛(如坦克、工程車等)上的大型燃?xì)鉁u輪機(jī)不同，它體積較小，可用于普通轎車上，可以滿足車用的功率需求. GT比ICE活動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)更緊湊，比功率高，因此使用GT時(shí)尺寸比使用ICE時(shí)更小，質(zhì)量更輕，排放更低，也可使用不同種類的燃油，可以將CNG/LPG、酒精、煤油以及可再生燃油等作為燃料，擺脫柴油和汽油的限制[3-4]. 相比于電池， GT具有高比功率的特性. 所以在增程設(shè)備中，GT是ICE的理想替代品.

基于以上優(yōu)勢(shì)，本文提出將微型燃?xì)鉁u輪機(jī)作為純電動(dòng)汽車的增程器，開發(fā)出一種全新的車型：微型燃?xì)鉁u輪機(jī)增程式電動(dòng)車(GTREV, gas turbine range-extended electric vehicle). 當(dāng)然，GT也有不及ICE的劣勢(shì)，例如對(duì)零件可靠性極高的要求以及相應(yīng)產(chǎn)生的高昂造價(jià)、高頻噪聲、高溫廢氣等缺點(diǎn)也阻礙了它如同ICE一樣廣泛普及.

1 原車配置分析及GT設(shè)計(jì)

GT雖然在其最佳工作區(qū)間運(yùn)行時(shí)具有較高的工作效率，但過窄的工作范圍使其無法直接驅(qū)動(dòng)車輪. 為使GT在合適的工作點(diǎn)持續(xù)工作，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示結(jié)構(gòu).

C—壓氣機(jī)； T—渦輪機(jī)；R—換熱器；CC—燃燒室； G—發(fā)電機(jī)； AC/DC—交流/直流轉(zhuǎn)換； B—電池；BC—充電器；EE—電機(jī)；D—差速器；VCU—整車控制器.

圖1 GTREV的整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Fig.1 GTREV vehicle structure diagram

GT組由4部分構(gòu)成：壓氣機(jī)、渦輪機(jī)、燃燒室及換熱器. GT組與發(fā)電機(jī)機(jī)械連接，所產(chǎn)生電能用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，并將剩余電能存儲(chǔ)于電池中. 這種結(jié)構(gòu)使得GT組能維持在高效工作區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了GT的缺點(diǎn)，也提高了能量的使用效率. 換熱器用于將廢氣攜帶的剩余熱量傳遞給即將進(jìn)入燃燒室的新鮮空氣，其位于壓縮機(jī)和燃燒室之間. 換熱器的加入能夠提高進(jìn)氣溫度，提升燃料利用率，另外結(jié)合稀薄燃燒等新型燃燒技術(shù)能夠減少?gòu)U氣中有害物質(zhì)的含量，使GTREV達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn).

1.1 原始車型分析

受當(dāng)前的電池發(fā)展水平所限，由于電池能量密度并沒有本質(zhì)上的提升，因此即使是對(duì)于當(dāng)前最先進(jìn)的動(dòng)力電池，都無法和內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的能量密度相提并論[5-6]. 因此，若要通過增加動(dòng)力電池?cái)?shù)量使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程達(dá)到或接近傳統(tǒng)汽車的水平，車輛自重會(huì)變得非常大，操縱性和制動(dòng)能力也會(huì)隨之降低. 此外，相對(duì)于汽車的其他主要零部件，動(dòng)力電池的壽命相對(duì)較短，而且目前也沒有完整的電池回收體系，大量達(dá)到壽命的電池勢(shì)必會(huì)損害環(huán)境. 根據(jù)2014年銷量，表1中列出目前具有代表性的幾款純電動(dòng)車單次充電的最大行駛里程[7].

表1 當(dāng)前具有代表性的純電動(dòng)車

選擇表1中最具代表性的車型1作為原型車，詳細(xì)參數(shù)見表2[8]. 該車因需滿足175 km的續(xù)駛里程,不得不裝載276 kg的電池包以滿足日常行駛需要，并且需要8 h來完成充電，即使是使用快速充電樁充電，也需要30 min才能充滿電池容量的80%. 目前,國(guó)內(nèi)快速充電樁的數(shù)量遠(yuǎn)不能滿足使用需求，雖然大多數(shù)人只是偶爾有遠(yuǎn)途行駛的需求，車主還是很難選擇純電動(dòng)車輛作為家庭用車.

表2 Nissan純電動(dòng)原車參數(shù)

根據(jù)目前中國(guó)的調(diào)查報(bào)告，每日平均行駛里程小于80 km以內(nèi)的車輛占所有車輛的91.31%，也就是說，續(xù)駛里程為80 km的車輛就完全可以滿足大部分人平時(shí)行駛里程的需求[9]，而現(xiàn)今純電動(dòng)車的設(shè)計(jì)令車主不得不裝載大量不必要的電池，過多的電池在影響操縱穩(wěn)定和制動(dòng)性能的同時(shí)，也增加了車的耗電量. 本文提出的GTREV是基于使用者的實(shí)際使用情況，在維持原車型動(dòng)力性的前提下，削減了動(dòng)力電池的數(shù)量以減輕質(zhì)量.

1.2 GT組構(gòu)造

典型的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)由一個(gè)單級(jí)徑流式壓氣機(jī)和一個(gè)單級(jí)徑流式渦輪機(jī)構(gòu)成，并由旋轉(zhuǎn)桿將它們與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接. 雖然GT在工作時(shí)轉(zhuǎn)速非常高，但其只有一個(gè)部件在運(yùn)動(dòng)，相比于ICE結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，具有很大優(yōu)勢(shì)[10-11]. 圖2中數(shù)字顯示了氣體的行進(jìn)順序. 在GT工作時(shí)，新鮮空氣經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入壓氣機(jī)，由壓氣機(jī)進(jìn)行升壓升溫. 壓縮空氣離開壓氣機(jī)后在換熱器中吸收燃燒廢氣的熱量，再進(jìn)入燃燒室與燃料充分混合并燃燒，從而膨脹做功，推動(dòng)渦輪機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所產(chǎn)生的動(dòng)能主要用于發(fā)電機(jī)發(fā)電，另有小部分動(dòng)能用于壓氣機(jī)工作. 燃燒后產(chǎn)生的高溫廢氣在被排放之前，先通過換熱器將部分熱能傳遞給壓縮后的新鮮空氣，以提升燃料利用率，減少?gòu)U氣有害物. 由于單級(jí)壓氣機(jī)與單級(jí)渦輪機(jī)組成的GT不足以提供整車所需動(dòng)力，因此本文最終選用了圖2所示的GT組，它由一個(gè)兩級(jí)壓氣機(jī)和一個(gè)三級(jí)軸流式渦輪機(jī)組成，這樣的結(jié)構(gòu)使得GT組的功率大大增加，能夠滿足整車的動(dòng)力性需求.

圖2 配有兩級(jí)壓氣機(jī)和三級(jí)渦輪機(jī)的GT組

本文提出的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)增程式電動(dòng)車基于純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合了微型燃?xì)鉁u輪機(jī)能夠使用不同種類燃料的特點(diǎn)，使得車輛在不同地區(qū)不同狀態(tài)下最大程度地滿足駕駛員的需求；而在最常使用的市區(qū)工況下使用純電動(dòng)模式完成，在經(jīng)濟(jì)性和排放上都處于最佳工況.

2 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的GTREV的動(dòng)力性與原型車輛一致，因此，總需求功率也與原型車輛保持一致.

1)最高車速模式

在增程式電動(dòng)汽車以最高車速行駛的工況下，忽略坡度阻力功率和加速阻力功率，根據(jù)汽車行駛的功率平衡方程計(jì)算車輛需求功率為

式中：M為整車最大總質(zhì)量(kg), f為滾動(dòng)阻力系數(shù), umax為車輛最高行駛速度(km/h), CD為迎風(fēng)阻力系數(shù),A為車輛迎風(fēng)面積(m2);得

Peu=25.01 kW.

2)最大爬坡度模式

在增程式電動(dòng)汽車以最大爬坡度運(yùn)行的模式下，忽略加速阻力功率和空氣阻力功率，根據(jù)汽車功率平衡方程計(jì)算最大爬坡度行駛功率為

式中：ua為增程式電動(dòng)汽車爬坡時(shí)的行駛速度，ua=20km/h; α為坡度角(°);得

Pea=28.97 kW.

3)最大加速度模式

在增程式電動(dòng)汽車以最大加速度行駛的模式下，忽略坡度阻力，根據(jù)汽車功率平衡方程計(jì)算行駛所需的功率為

式中：ua為加速結(jié)束時(shí)的車速,ua=50km/h;t為加速到ua所需的時(shí)間,t=4.4s;x為擬合系數(shù)，為0.5;ρ為空氣密度，取1.2258N·S2·m4;得

Pec=21.8 kW.

Pe=max(Peu,Pea,Pec)=28.97 kW.

電機(jī)峰值功率

Pemax=λPe.

式中：λ為電機(jī)過載系數(shù)，其定義為電動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，一般為1.8～2.2；Pe為燃?xì)鉁u輪機(jī)的額定功率(kW).

本文設(shè)計(jì)的GTREV使用在串聯(lián)控制邏輯，在此邏輯下，每當(dāng)增程式電動(dòng)汽車電池的荷電狀態(tài)(SOC，stateofcharge)過低時(shí)，純電動(dòng)模式關(guān)閉，增程器被自動(dòng)啟動(dòng)，汽車使用增程模式繼續(xù)行駛，車輛的最高車速為144km/h，車輛所需的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)功率為

現(xiàn)有的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)的功率30～60kW，為了使燃油消耗率最小化，選定Capstone公司型號(hào)C30的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)，參數(shù)見表3[12]：

表3 GT 參數(shù)

由于GT在額定點(diǎn)外的效率繼續(xù)下降的特殊性，GT比ICE運(yùn)行的狀態(tài)要求嚴(yán)格[13-14]，所以GT只與發(fā)電機(jī)直接相連. 本文選定的GT的額定工作點(diǎn)在80 000～90 000 r· min-1，額定轉(zhuǎn)矩在3 N·m左右. 為了使動(dòng)力總成達(dá)到最佳工作狀態(tài)，選擇適應(yīng)GT額定工作點(diǎn)發(fā)電機(jī)，所選發(fā)電機(jī)功率為32 kW，效率為0.95，整個(gè)增程系統(tǒng)的總效率為

η=ηpt·ηpc·ηm·ηge=0.65.

為滿足GT組對(duì)零部件結(jié)構(gòu)方面的需求，本文還對(duì)燃料箱和換熱器進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，以滿足溫度交換的需求. 這些零部件的設(shè)計(jì)圖如圖3和表4所示. 換熱器的設(shè)計(jì)參考美國(guó)Capstone公司C30HEV混合動(dòng)力車所采用的高效換熱器，可滿足換熱需求；燃料箱考慮了GT燃料消耗量(包括啟動(dòng)油耗與正常工作油耗)和與原車型的汽油機(jī)款油箱容積可提供的續(xù)駛里程進(jìn)行設(shè)計(jì).

(1)GT組 (2)換熱器 (3)燃料箱

由于重新配制的車輛增加了GT組、蓄熱器、燃料箱，增加140 kg的總質(zhì)量，同時(shí)也減輕電池質(zhì)量149 kg，因此重新配備的整車質(zhì)量比原始車輛輕9 kg. 重新配置的車輛共保留88個(gè)電池單體，即22個(gè)電池模塊，質(zhì)量為127 kg，電池容量為11 kW·h，理論續(xù)駛里程80.2 km. 原車的動(dòng)力性得以持續(xù)保持，本文重新配置的車輛與原車的對(duì)比如表5所示.

表4 部件尺寸及質(zhì)量

表5 原車與重新配置車的對(duì)比

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)增程式電動(dòng)車的燃油經(jīng)濟(jì)性，以重新配置后的整車參數(shù)(見表5)為基礎(chǔ)，基于Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)，運(yùn)用Advisor仿真軟件，分別建立整車模型和子模型，整車模型為SERIS_GTREV_in.m，子模型包括渦輪機(jī)模型、電機(jī)模型、電池模型、主減速器模型、車輪和車軸模型、控制策略模型和車身模型(見圖4).

圖4 整車仿真模型構(gòu)建

仿真實(shí)驗(yàn)所采取的控制策略設(shè)計(jì)如下：當(dāng)荷電狀態(tài)≤0.3時(shí)，GT組開啟，發(fā)電機(jī)將電力傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，同時(shí)將多余電量傳遞至電池包中儲(chǔ)存；當(dāng)荷電狀態(tài)≥0.5時(shí)，GT組關(guān)閉，車輛使用電池內(nèi)電量驅(qū)動(dòng)汽車.

本文在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)選取歐洲實(shí)行的汽車行駛油耗測(cè)試工況ECE(economic commission for europe)+EUDC(extra urban driving cycle)作為車輛的循環(huán)工況，這種循環(huán)工況是當(dāng)前世界上普遍使用的測(cè)試工況，對(duì)矯正仿真結(jié)果有重要意義(見圖5)[15-16]. 對(duì)于不同行駛里程的模擬，本文通過重復(fù)ECE+EUDC的方式來實(shí)現(xiàn).

圖5 本文仿真使用的循環(huán)工況

仿真實(shí)驗(yàn)1 短途仿真.

在模擬仿真中，GTREV配備了22個(gè)電池模塊，最大充電功率為30 kW. 首先對(duì)所設(shè)計(jì)的車型進(jìn)行了不同初始荷電狀態(tài)的兩次短途仿真，仿真結(jié)果如圖6、圖7. 圖6為模擬電池充滿后測(cè)試的循環(huán)工況和結(jié)果，該車在純電動(dòng)模式下可行駛7個(gè)ECE+EUDC循環(huán)(約140 min的行駛時(shí)間)，在此之后荷電狀態(tài)會(huì)下降至0.3. 圖7為模擬電池在荷電狀態(tài)到達(dá)下限后測(cè)試的循環(huán)工況和結(jié)果，設(shè)計(jì)跑行6個(gè)ECE+EUDC循環(huán)，期間GT開啟2次，每百公里燃油消耗量為8.2 L.

圖6 滿電初始狀態(tài)下仿真結(jié)果

圖7 虧電初始狀態(tài)下仿真結(jié)果

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19753—2013的算法[17]，

式中: C為百公里燃油消耗量(L)，De為純電動(dòng)續(xù)駛里程(km)，c1為儲(chǔ)能裝置處于充電終止的最高荷電狀態(tài)后試驗(yàn)所得百公里燃油消耗量(L)，Dav=25km, c2為儲(chǔ)能裝置處于放電結(jié)束的最低荷電狀態(tài)后試驗(yàn)所得百公里燃油消耗量(L). 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的GTREV的百公里燃油消耗率為2.02L.

仿真實(shí)驗(yàn)2 長(zhǎng)途仿真.

本文進(jìn)行了結(jié)果如圖8的長(zhǎng)途仿真，循環(huán)工況為長(zhǎng)達(dá)218.6km的ECE+EUDC的循環(huán)工況，時(shí)長(zhǎng)為6h56min，GT組開啟了4次，燃油消耗量為4.42L，與同級(jí)別的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)近似車型(同里程下消耗13.55L)相比，GTREV相對(duì)有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性[18]. 仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的GTREV不但能滿足大多數(shù)人日常行駛的需求，也能滿足更多人長(zhǎng)途行駛的需求,因此有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.

圖8 長(zhǎng)途測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

1)微型燃?xì)鉁u輪增程式電動(dòng)汽車在不同的荷電狀態(tài)狀態(tài)下使用不同的動(dòng)力形式. 在車輛電池的荷電狀態(tài)大于0.5時(shí),GT組關(guān)閉，使用電池內(nèi)電量為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，因此能充分利用供電電網(wǎng)存儲(chǔ)的電能；當(dāng)荷電狀態(tài)≤0.3時(shí)，微型燃?xì)鉁u輪組啟動(dòng)，部分能量用于驅(qū)動(dòng)車輛，部分能量?jī)?chǔ)存到電池中.

2)在ECE+EUDC循環(huán)模擬中，車輛行駛里程為7個(gè)循環(huán) (約80 km) 時(shí)，動(dòng)力電池從電網(wǎng)獲取的能量得到了最好的應(yīng)用，車輛使用純電動(dòng)模式行駛，整車經(jīng)濟(jì)性能最佳. 當(dāng)車輛行駛里程大于80 km 時(shí)，整車平均百公里等價(jià)油耗為2.02 L，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛相比,經(jīng)濟(jì)性提高了67%.

3)在當(dāng)今環(huán)境污染與能源緊張的壓力之下，在汽車的研發(fā)中,降低能耗與減少污染的設(shè)計(jì)目標(biāo)越來越重要. 本文所述的GTREV是一種新的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)方案，兼顧了節(jié)能減排與長(zhǎng)距離使用的需求，具有廣闊的發(fā)展前景.

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(編輯 楊 波)

Design of range-extended electric vehicle with micro gas turbine

ZHOU Yafu1,2, MA Xiaoyi1,2, HU Xiaowei1,2, LI Linhui1,2, LIAN Jing1,2

(1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment( Dalian University of Technology), Dalian 116024,Liaoning, China; 2. School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

For the purpose of improving the driving range and the applicability of electric vehicle, a range-extended electric vehicle using a micro gas turbine as the range-extender is designed. Firstly, the powertrain and main parts of a certain model of electric vehicle are analyzed. Then the vehicle specifications and main parts are determined according to the analyzing and calculating results. Finally the vehicle model is built in Advisor and the feasibility and fuel consumption are simulated. According to the simulating results, Gas turbine range-extended electric vehicle presented in this paper can meet the demand of most users in pure electrical mode. In range-extended mode, the equivalent fuel consumption is 2.02 L/100 km. This scheme makes vehicle adaptive to multiple kind of fuel, and compared with conventional vehicles, the energy from power grid is fully used and the fuel economy is greatly improved.

Vehicle design and calculation; micro gas turbine; range-extended electric vehicle; control strategy; simulation

10.11918/j.issn.0367-6234.201601024

2016-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金( 61473057,61203171,51107006);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(DUT17LAB11,DUT15LK13)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2010AA11A205)作者簡(jiǎn)介: 周雅夫(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

連 靜, lianjing407@sina.com

U469.7

A

0367-6234(2017)07-0100-06