張民安，儲(chǔ)江偉

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

面對(duì)環(huán)境的日益惡化及能源的日益枯竭，純電動(dòng)汽車憑借其節(jié)能環(huán)保的巨大優(yōu)勢(shì)，備受關(guān)注[1-3]。純電動(dòng)汽車具有零排放、零污染、高效率和不依賴石油等特點(diǎn)。但由于現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車所需的動(dòng)力電池的能量密度和行駛里程無(wú)法達(dá)到人們的要求[4]，以及2017年后國(guó)家對(duì)新能源汽車企業(yè)的補(bǔ)貼退坡帶來(lái)的純電動(dòng)汽車的成本問(wèn)題，使得作為過(guò)渡階段的增程式電動(dòng)汽車成為現(xiàn)階段新能源汽車的重要發(fā)展方向[5]。

增程式電動(dòng)汽車采用串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，在純電動(dòng)車結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的增程器為動(dòng)力電池充電，以解決純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程不足的問(wèn)題。由于發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有作為車輛的直接動(dòng)力源，所以對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中各個(gè)組件的參數(shù)進(jìn)行匹配是能否滿足整車動(dòng)力性和續(xù)航里程要求的關(guān)鍵[6-7]。本文對(duì)一款恒功率控制策略增程式電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。最后利用Cruise搭建仿真模型，并驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的可行性。

1 增程式電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)分析

增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和增程器組成。發(fā)動(dòng)機(jī)為輔助能量源，不直接參與動(dòng)力輸出，只在動(dòng)力電池電量不足時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為動(dòng)力電池供能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為唯一的動(dòng)力輸出單位?；谠黾蛹冸妱?dòng)汽車的續(xù)駛里程的目的，在純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上增加增程器組成增程式電動(dòng)汽車，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置形式與其他純電動(dòng)汽車一致，傳動(dòng)系統(tǒng)可以是各種變速裝置[8]。

圖1 增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)框圖

從運(yùn)行情況上分析，增程式電動(dòng)車有2種工作模式，即純電動(dòng)模式和增程器運(yùn)行模式。純電動(dòng)模式時(shí)，動(dòng)力電池電量充足，增程器關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為唯一的動(dòng)力單元。當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)，增程器啟動(dòng)，為動(dòng)力電池充電。當(dāng)動(dòng)力電池的電量充足時(shí)，增程器停止工作，汽車?yán)^續(xù)以純電動(dòng)模式工作[9-10]。

2 增程式汽車動(dòng)力參數(shù)匹配

2.1 增程式汽車整車參數(shù)及動(dòng)力性能指標(biāo)

增程式電動(dòng)汽車主要參數(shù)如表1所示。

表1 基本技術(shù)參數(shù)

按照GB/T28382《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》規(guī)定，并結(jié)合市場(chǎng)需求，動(dòng)力性能要求及續(xù)駛里程如表2所示[11]。

表2 性能指標(biāo)

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

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是EREV的唯一動(dòng)力源，對(duì)電機(jī)的要求更高，需要能頻繁地啟停、加減速，滿足低速爬坡時(shí)的高轉(zhuǎn)矩和高速爬坡時(shí)的低轉(zhuǎn)矩要求[12]。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)調(diào)速范圍廣、在寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制，成本低，尺寸小、質(zhì)量輕，并且不用過(guò)多維護(hù)。本研究選用效率高、調(diào)速范圍寬的永磁同步電機(jī)[13]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配主要包含峰值轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、峰值功率、額定功率、峰值轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。其參數(shù)的選擇與匹配必須滿足車輛行駛的最高車速、最大爬坡度、最大加速度時(shí)的動(dòng)力需求。

1) 由最高車速vmax確定最大功率Pmax1。車輛在高速行駛時(shí)，主要受到空氣阻力與來(lái)自地面上的摩擦阻力，因此可得功率平衡方程：

(1)

2) 根據(jù)最大爬坡度計(jì)算最大功率Pmax2。在根據(jù)整車的最大爬坡度確定電機(jī)的功率需求時(shí)，忽略加速阻力的影響，爬坡時(shí)的功率為

(2)

式中v為爬坡過(guò)程均速度，根據(jù)GB/T28382—2012取20 km/h。

3) 根據(jù)加速性能確定最大功率Pmax3。車速變化過(guò)程可由式(3)表示。

(3)

式中x為擬合系數(shù)，取值0.5[14]。

加速末時(shí)刻汽車的輸出功率達(dá)到最大。因此，加速過(guò)程最大功率為

(4)

式中：vm為末速度；tm為加速時(shí)間。進(jìn)而得到：

(5)

根據(jù)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T19752—2005)中整車性能測(cè)試采用半載質(zhì)量的規(guī)定，將實(shí)驗(yàn)中的半載質(zhì)量作為計(jì)算質(zhì)量,本研究取值為1 400 kg，得pmax1=26.05 kW,pmax2=23.05 kW,pmax3=52.30 kW。綜合考慮以上動(dòng)力性指標(biāo)要求，該增程式電動(dòng)汽車的最大輸出功率應(yīng)滿足：

Pmax≥maxPmax1,Pmax2,Pmax3=52.30 kW

4) 通常采用能夠保證電動(dòng)汽車以最高巡航車速行駛的功率來(lái)確定電動(dòng)汽車的額定功率。得到電機(jī)額定功率為26.05 kW。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18488.1—2015對(duì)電機(jī)功率等級(jí)的規(guī)定，取電機(jī)的峰值功率Pmax=55 kW，額定功率Pe=30 kW。

(6)

式中λ=1.83為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，符合一般λ=1.5～2的過(guò)載要求。

5) 確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。由于增程式電動(dòng)汽車只有一級(jí)固定傳動(dòng)比的主減速器，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速由車速及傳動(dòng)比決定。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是車輛在最高車速下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，由式(7)可以得到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為7 800 r/min。

(7)

電動(dòng)機(jī)峰值轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速(基速)之比稱為電機(jī)擴(kuò)大功率區(qū)系數(shù)β，也稱基速比。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性曲線，恒功率區(qū)便為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速與基速之間的等功率輸出區(qū)。β越大說(shuō)明兩轉(zhuǎn)速差值越大，恒扭矩區(qū)越小，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速可獲得較大轉(zhuǎn)矩。β越小會(huì)使恒功率區(qū)變小，使電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速損失部分功率，增大了逆變器的功率損耗和尺寸，所以β的取值通常為2～4，根據(jù)實(shí)際使用情況，使用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速較為普遍，此取β=2.6。由式(8)可以得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

(8)

6) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可式(9)求得

(9)

式中T為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(N·m)。

將參數(shù)代入式(9)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T額=95.5 N·m，同樣根據(jù)電機(jī)的外特性曲線，結(jié)合過(guò)載系數(shù)λ最后確定電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩TF=174 N·m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定本設(shè)計(jì)所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直接動(dòng)力源和唯一能量?jī)?chǔ)存的裝置，蓄電池應(yīng)該具有良好的充放電性能，用以確保整車的動(dòng)力性能和再生制動(dòng)回收能力，并且與電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)以及變化范圍必須相同。電動(dòng)轎車的常用電壓為280～350 V。本文選用三元鋰電池[15]，動(dòng)力電池電壓為320 V，單體電池的電壓為12 V，數(shù)量為27，其參數(shù)匹配應(yīng)從保證汽車的動(dòng)力性指標(biāo)與續(xù)駛里程的角度出發(fā)。

2.3.1 根據(jù)續(xù)航里程確定電池容量

勻速行駛時(shí)純電動(dòng)模式需求的功率為

(10)

根據(jù)GB/T18386規(guī)定，式中v=60 km/h，代入得P=3.83 kW。

純電動(dòng)模式的需求能量為

(11)

式中：s為純電動(dòng)模式續(xù)航里程(km);W1=3.83 kW·h。

W=W1+W2

(12)

式中W2為汽車附件所耗的電量(總量的20%)，將參數(shù)代入上述公式得W=4.78 kW·h。

W=WessξSOC

(13)

式中：Wess為電池組實(shí)際釋放能量；ξSOC為電池組有效放電容量系數(shù)，取0.8。計(jì)算得Wess=5.98 kW·h。根據(jù)電池總能量可以求出電池容量，計(jì)算公式為

(14)

式中：U為動(dòng)力電池工作電壓；C1為電池組的容量。計(jì)算得電池組容量C1=18.69 A·h。

2.3.2 根據(jù)動(dòng)力性確定電池容量

蓄電池最大放電功率需滿足關(guān)系式：

(15)

式中：pbmax是蓄電池最大放電功率；pa是車輛附件功率，本文取 5 kW；ηb為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，本文取0.9。則蓄電池容量滿足

(16)

式中：C2是功率確定的蓄電池容量，為60 A·h；k是最大放電率，取3.5 h-1。因此，其容量C≥max(C1,C2)。

表4 動(dòng)力電池參數(shù)

2.4 增程器參數(shù)匹配

為了保證車輛良好的燃油經(jīng)濟(jì)性并且使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效區(qū)，本研究的增程式電動(dòng)車增程器采用恒功率控制策略。增程器只作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輔助能量源,為驅(qū)動(dòng)電機(jī)間接供能。純電動(dòng)模式是增程式汽車的主要運(yùn)行工況。由于4沖程汽油機(jī)具有品種多、型號(hào)全面、升功率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此增程器發(fā)動(dòng)機(jī)選用4沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)[16]。

1) 發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

發(fā)電機(jī)的輸出功率Ps能夠保證汽車在最高速度行駛時(shí)需要的功率：

(17)

式中ηm是電機(jī)效率，取0.94。由此得到發(fā)電機(jī)最大功率為27.7 kW。

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

由于增程器采用恒功率控制策略，增程器發(fā)動(dòng)機(jī)工作的最優(yōu)燃油消耗點(diǎn)的功率要保證能夠單獨(dú)提供車輛以 120 km/h的速度勻速行駛：

(18)

式中：pe是發(fā)電機(jī)輸出功率(kW)；ηs是發(fā)電機(jī)的工作效率，取值為0.96。由此得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率應(yīng)為29.2 kW。

根據(jù)圖2中的B點(diǎn)，此點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率為30 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，為發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率點(diǎn)，be=230 g/kW·h。

結(jié)合整車性能中的續(xù)航里程要求，油箱的容積大小為

(19)

式中:S為增程模式行駛里程，取340 km；v2為巡航車速，取120 km/h；ρ為汽油密度，取0.752 g/mL。根據(jù)式(19)得容積V=25.99 L，確定油箱容積為26 L。

圖2 某小型4沖程汽油機(jī)萬(wàn)有特性曲線

考慮恒功率控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率，選取永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速為 2 500 r/min，標(biāo)定的輸出功率為28 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)在 2 500 r/min 時(shí)輸出 30 kW 的功率來(lái)滿足驅(qū)動(dòng)需求。

3 Cruise整車模型建立與仿真

3.1 整車模型的建立

應(yīng)用Cruise軟件建立整車模型[17-18]，并對(duì)汽車的動(dòng)力性、耗能情況進(jìn)行模擬仿真，模型如圖3所示。

圖3 Cruise整車模型

3.2 整車仿真結(jié)果分析

3.2.1 耗能情況仿真分析

整車經(jīng)濟(jì)性是汽車關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接決定車輛能否滿足2種工作模式的續(xù)航里程，通常由NEDC循環(huán)工況下的增程模式百公里油耗及純電動(dòng)模式的百公里耗電量來(lái)衡量。純電動(dòng)模式下NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果如圖4所示，蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)值由95%到5%，車輛行駛了62 km，根據(jù)本車動(dòng)力電池電量60 A·h，得出純電動(dòng)模式下的每百公里耗電量為18.9 kW·h。增程充電模式下NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果如圖5所示，設(shè)定荷電狀態(tài)值的變化范圍為27%～90%，行駛了470 km，根據(jù)油箱體積確定油耗為26 L,得出增程模式下每百公里油耗為6.34 L。

3.2.2 動(dòng)力性仿真分析

整車動(dòng)力性仿真是驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)匹配是否合理的主要途徑。參照GB/T19752—2005對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能仿真。

圖4 純電動(dòng)模式下NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果

圖5 增程模式下NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果

車速/(km·h-1)檔位〈-〉時(shí)間/s距離/m轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1010.921.29537.572011.855.151 075.133012.7811.611 612.704013.7220.702 150.275014.6632.462 687.836015.6247.203 225.407016.7567.663 762.978018.0995.584 300.539019.67133.004 848.10100111.55182.735 375.67110113.71245.835 913.23120116.25326.926 450.80130119.23430.436 988.36140122.85566.537 525.93

1) 百公里加速時(shí)間仿真分析。根據(jù)表3驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)，創(chuàng)建車輛全負(fù)荷加速任務(wù)，得到的仿真結(jié)果表明：0～100 km/h加速所用時(shí)間為11.55 s。仿真結(jié)果如表5所示。

2) 最高車速仿真分析。仿真結(jié)果如圖6所示。得到車輛的最高車速為150 km/h。

圖6 最高車速仿真結(jié)果

3) 最大爬坡度仿真分析。根據(jù)國(guó)家電動(dòng)車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19596—2004，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線，在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到基速前為恒扭矩輸出，達(dá)到基速后，扭矩逐漸減小，這與仿真結(jié)果(圖7)相同。

圖7 爬坡度仿真結(jié)果

3.2.3 仿真結(jié)果與性能指標(biāo)對(duì)比

仿真結(jié)果符合目標(biāo)整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，但仿真值存在一些誤差。這是由于在建模過(guò)程中，部件參數(shù)的設(shè)定與實(shí)際駕駛情況存在差異，在實(shí)際行駛過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線、蓄電池供電特性及輪胎半徑受溫度等環(huán)境因素影響，所以仿真結(jié)果過(guò)量完成指標(biāo)是可行的。

表6 整車仿真結(jié)果與目標(biāo)車型參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以整車的動(dòng)力性能指標(biāo)為約束，基于恒功率控制策略，通過(guò)理論計(jì)算及仿真分析，得出仿真車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及方法的合理性，并且通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的計(jì)算得出了車輛純電動(dòng)模式下的每百公里耗電量(18.9 kW·h)和增程模式下的每百公里油耗(6.34 L)?？梢?jiàn)采用恒功率控制的増程式電動(dòng)汽車既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，又克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺陷。