解少博，劉璽斌，李司光，王 佳

(1．長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安710064;2．陜西汽車(chē)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安710049)

0 引言

隨著能源危機(jī)的加劇和政府制定越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展新能源汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)的必然選擇［1-2］． 其中，純電動(dòng)汽車(chē)以高效、節(jié)能和零排放等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注．然而，在現(xiàn)有技術(shù)條件下動(dòng)力電池尚未突破能量密度小、續(xù)駛里程短和價(jià)格昂貴的瓶頸，作為過(guò)渡階段的增程式電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)配置由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的增程器，在動(dòng)力電池荷電狀態(tài)下降至一定限度時(shí)給車(chē)輛提供能量，既能發(fā)揮純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)，又能有效彌補(bǔ)其續(xù)駛里程短的不足之處，成為現(xiàn)階段新能源汽車(chē)的發(fā)展方向之一［3-6］．

對(duì)于增程式電動(dòng)汽車(chē)而言，當(dāng)需求續(xù)駛里程較短時(shí)，如在市區(qū)內(nèi)行駛，車(chē)輛工作在純電動(dòng)模式;而當(dāng)車(chē)輛需求續(xù)駛里程較長(zhǎng)時(shí)，增程器開(kāi)啟使車(chē)輛進(jìn)入增程模式．在增程模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的增程器可以給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供功率，也可以為電池組充電，即將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電池組的電能．因此，增程器的效率將直接影響到整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性．可以說(shuō)，合理地選擇發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)對(duì)增程式電動(dòng)商用車(chē)的經(jīng)濟(jì)性有重要意義．

以往文獻(xiàn)多研究增程式電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配及由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的特定增程器的特性，而對(duì)構(gòu)成增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)匹配及其對(duì)能耗的影響關(guān)注的相對(duì)較少． 筆者針對(duì)一款正在研發(fā)的增程式電動(dòng)商用車(chē)底盤(pán)，在給定增程器發(fā)電機(jī)的前提下，對(duì)兩款發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的匹配進(jìn)行了比較，分析兩種匹配方案對(duì)整車(chē)能耗的影響，從而為增程器的匹配和整車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考．

1 整車(chē)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選型

整車(chē)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池等主要部件參數(shù)見(jiàn)表1，整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示．

表1 車(chē)輛主要參數(shù)Tab．1 Parameters of the vehicle

圖1 增程式商用車(chē)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of the extended－range vehicle

2 增程器效率

增程器由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)通過(guò)機(jī)械連接構(gòu)成，能夠在增程模式下向外輸出功率，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，還可以給電池組補(bǔ)充電量．由電動(dòng)商用車(chē)的設(shè)計(jì)指標(biāo)并考慮到車(chē)輛主要在市區(qū)內(nèi)運(yùn)行，參考中國(guó)典型城市工況，同時(shí)結(jié)合附件功率，選擇額定功率為60 kW 的永磁電機(jī)為增程器的發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min． 該發(fā)電機(jī)的效率圖如圖2 所示．

圖2 發(fā)電機(jī)效率圖Fig．2 Efficient map of the generator

在確定了發(fā)電機(jī)之后，需要匹配合適的發(fā)動(dòng)機(jī)與之匹配向外輸出功率．現(xiàn)有兩款(I#和II#)排量均為2．78 L，額定功率分別為96 kW 和92 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)可供選擇，其參數(shù)如表2 所示，油耗特性分別如圖3 和圖4 所示．

表2 兩款發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)對(duì)比表Tab．2 Parameters of the two engines

圖3 I#發(fā)動(dòng)機(jī)油耗圖Fig．3 Fuel map for engine I

圖4 II#發(fā)動(dòng)機(jī)油耗圖Fig．4 Fuel map for engine II

由于兩款發(fā)動(dòng)機(jī)有不同的油耗特性，從而有兩種不同的增程器匹配方式． 在相同的整車(chē)控制策略下，車(chē)輛在增程模式下的燃油消耗將會(huì)呈現(xiàn)差異．由發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗特性和發(fā)電機(jī)的效率特性，可以得到兩款增程器的效率特性圖，分別如圖5和圖6 所示．

3 整車(chē)仿真與能耗分析

為了對(duì)兩款增程器的油耗特性進(jìn)行分析，在Matlab/Simulink 中搭建了增程式電動(dòng)商用車(chē)正向仿真模型．由牽引電機(jī)的外特性和效率特性來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛員行駛意圖的解析，由發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性計(jì)算增程模式下的油耗，由發(fā)電機(jī)的外特性和效率特性得到增程器的輸出功率． 動(dòng)力電池組為Rint 模型．駕駛員模型采用PID 控制，跟蹤目標(biāo)車(chē)速進(jìn)行加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度的調(diào)節(jié)． 仿真工況選擇為連續(xù)的中國(guó)典型城市公交工況［7］，共計(jì)100 km 構(gòu)成．

圖5 I#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的增程器最優(yōu)效率曲線Fig．5 The optimal efficient line for engine I

圖6 II#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的增程器最優(yōu)效率曲線Fig．6 The optimal efficient line for engine II

對(duì)于車(chē)輛能耗的計(jì)算，參考標(biāo)準(zhǔn)［8］，將行駛過(guò)程中消耗的電量折算為燃料消耗，兩者的關(guān)系為

式中:Vfuel為折算的柴油消耗量;Ek為消耗的電池能量;efuel為柴油密度;Qfuel-low為柴油燃燒的低熱值;ηeng為發(fā)動(dòng)機(jī)的平均工作效率;ηgen為電機(jī)的平均工作效率．

車(chē)輛在行駛過(guò)程中純電動(dòng)模式和增程模式的切換通過(guò)判斷電池組SOC 實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)電池組SOC大于35%時(shí)，車(chē)輛工作在純電動(dòng)模式;當(dāng)電池組SOC 小于25%時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入增程模式．同時(shí)，在增程模式中考慮了兩種控制策略:一種為增程器定點(diǎn)發(fā)電，即發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行在固定的工作點(diǎn);另一種為功率跟隨模式，即發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)隨著目標(biāo)功率的變化而發(fā)生變化，并且為了實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)沿增程器最佳效率曲線運(yùn)行．另外，在功率隨動(dòng)模式下，為了對(duì)比分析不同的增程器輸出功率范圍對(duì)整車(chē)油耗的影響，筆者選擇了30 ～40 kW 和25 ～40 kW 兩種功率輸出范圍，見(jiàn)表3．

表3 不同控制策略下的油耗對(duì)比Tab．3 Fuel comparison for the two engines

(1)增程器定點(diǎn)發(fā)電． 在恒功率定點(diǎn)發(fā)電模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行在固定的工作點(diǎn)并向外輸出功率．結(jié)合城市公交工況的平均功率需求并考慮提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷有助于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，選擇增程器的輸出功率為35 kW．

對(duì)于I#發(fā)動(dòng)機(jī)，與該輸出功率對(duì)應(yīng)的增程器最優(yōu)效率曲線上的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速為1 679 r/min，扭矩為230 N·m，在該工作點(diǎn)下，增程器的整體效率可以達(dá)到0．38．

由于具有相同的控制策略和輸出功率，兩種增程器的輸出功率和電池組的充放電電流均相同．電池組的SOC 在車(chē)輛行駛過(guò)程中的變化和油耗如圖7 所示，可以看到，在前4．2 h 車(chē)輛工作在純電動(dòng)模式，之后增程器開(kāi)啟車(chē)輛進(jìn)入增程模式，在該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，整車(chē)的燃油消耗不斷上升．在行駛結(jié)束時(shí)，I#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的車(chē)輛的電池組SOC 降至0．32，消耗燃油11．35 L，整車(chē)的等效百公里油耗為30．90 L，見(jiàn)表3．

圖7 電池組SOC 和消耗燃油量Fig．7 Battery’s SOC and fuel consumption

對(duì)于II#發(fā)動(dòng)機(jī)，從增程器工作效率、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的角度考慮，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)為轉(zhuǎn)速1 730 r/min，扭矩226 N·m．從仿真結(jié)果來(lái)看，行駛結(jié)束時(shí)II#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的車(chē)輛的電池組SOC 變?yōu)?．32，消耗燃油11． 08 L，整車(chē)的等效百公里燃油消耗為30．63 L，見(jiàn)表3． 在該工作點(diǎn)下增程器的系統(tǒng)效率也達(dá)到0．38．

(2)增程器沿最優(yōu)效率線運(yùn)行，輸出功率范圍為30 ～40 kW．增程器在功率跟隨模式下，向外輸出的功率隨工況需求而不斷變化．同樣，考慮到城市公交工況下的平均功率需求和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷水平對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的影響，選擇增程器的輸出功率為30 ～40 kW．

I#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的電池SOC 和油耗變化如圖8(a)所示．從圖中可以看出，在行駛結(jié)束時(shí)，電池組SOC 變?yōu)?．34，消耗燃油12．55 L，整車(chē)的等效百公里油耗為31．42 L．增程器工作點(diǎn)的分布如圖8(b)所示． 可以看到，工作點(diǎn)處于增程器最優(yōu)效率曲線上，效率在0．37 ～0．38 之間．

圖8 I#發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨動(dòng)發(fā)電仿真結(jié)果Fig．8 Simulation results for engine I

II#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的增程器輸出功率范圍同樣為30 ～40 kW，在行駛終了，電池組SOC 變?yōu)?．34，消耗燃油12．58 L，如圖9(a)所示． 對(duì)應(yīng)的增程器工作點(diǎn)分布如圖9(b)所示，工作點(diǎn)的效率在0．38 附近．

(3)增程器沿最優(yōu)效率線運(yùn)行，輸出功率范圍為25 ～40 kW． 為了研究增程器輸出功率范圍的變化對(duì)整車(chē)油耗和電池組充放電電流的影響，設(shè)置增程器輸出功率在25 ～40 kW 之間．

圖9 II#增程器功率隨動(dòng)發(fā)電仿真結(jié)果Fig．9 Simulation results for engine II

整車(chē)的等效百公里油耗分別為31． 96 L 和31．73 L，見(jiàn)表3．I#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的增程器的工作點(diǎn)效率見(jiàn)圖10，效率處于0．37 ～0．38 之間，II#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的增程器的工作點(diǎn)效率見(jiàn)圖11，效率在0．38附近．

圖10 I#增程器工作點(diǎn)效率分布Fig．10 Efficiency of the APU’s working points

4 結(jié)論

(1)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗特性和發(fā)電機(jī)的效率特性，得到了應(yīng)用于增程式電動(dòng)商用車(chē)的兩款增程器的效率特性及最佳效率曲線．同時(shí)，進(jìn)行了增程式電動(dòng)商用車(chē)的百公里工況行駛仿真．

圖11 II#增程器工作點(diǎn)效率分布Fig．11 Efficiency of the APU’s working points

(2)從兩款增程器的能耗仿真分析可以看出，定點(diǎn)發(fā)電策略的整車(chē)等效百公里油耗低于功率隨動(dòng)策略下的油耗．

(3)從定點(diǎn)發(fā)電的角度來(lái)看，I#發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的增程器對(duì)應(yīng)的整車(chē)等效百公里油耗略大于II#發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的車(chē)輛等效百公里油耗．

(4)從能量消耗的角度來(lái)看，在功率隨動(dòng)模型下，當(dāng)設(shè)置的增程器輸出功率的上下限在較寬的范圍時(shí)，會(huì)增大車(chē)輛的等效百公里油耗．

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