吳伯彪，陳慧麗

（鄭州科技學(xué)院，鄭州450064）

增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與研究

吳伯彪，陳慧麗

（鄭州科技學(xué)院，鄭州450064）

通過對增程式電動(dòng)汽車（Extended Range Electric Vehicle,EREV）動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行匹配，提出運(yùn)用動(dòng)力電池組端電壓與荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）之間的對應(yīng)關(guān)系來控制增程器的開關(guān)，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，為EREV/ EV的動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

電動(dòng)汽車；EREV；動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)；SOC

D01∶10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.06.003

0 引言

為解決能源緊張以及空氣污染日益加劇，電動(dòng)汽車（Electric Vehicle,EV）的研發(fā)與推廣已經(jīng)提到國家的政策中。而由于蓄電池能量密度不高原因，EV的推廣受到巨大的阻礙。在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上加入增程器，使其大部分時(shí)間工作在純電動(dòng)模式，增大了EV的續(xù)航里程；本文就EREV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配。

1 動(dòng)力系統(tǒng)總體規(guī)劃

增程式電動(dòng)汽車主要由增程器、動(dòng)力電源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分，增程器主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器等構(gòu)成。EREV結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)組成

可知，EREV的動(dòng)力系統(tǒng)總體規(guī)劃要先確定車輛的整車性能指標(biāo)。電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)整車性能指標(biāo)主要包括：動(dòng)力性、排放性、續(xù)航里程等。其中動(dòng)力性能通過最大爬坡度、最高車速、加速性能等參數(shù)進(jìn)行衡量；續(xù)航里程主要體現(xiàn)在蓄電池的電量參數(shù)以及增程器的排量，本設(shè)計(jì)通過研究以上參數(shù)進(jìn)行匹配。

2 EREV動(dòng)力系統(tǒng)匹配

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

對汽車在一定坡度的道路上直線行駛進(jìn)行受力分析。主要受牽引力Ft和阻力Fz，根據(jù)受力平衡關(guān)系，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需提供的功率Pt（單位：kW）為：

m整車質(zhì)量；α路面坡度角；v車輛行駛速度；

CD空氣阻力系數(shù)；A迎風(fēng)面積[1]。

2.1.1 最高車速對動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的要求

當(dāng)車輛勻速行駛在平直路面上時(shí)，式（1）簡化為：

m取半載750kg，汽車以最大速度120km/h行駛時(shí)，需求功率為

依據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n與車速v之間的關(guān)系得電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為（i0主減速比）

取nmax=7000rmp，基速與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速之間滿足nb=nmax/β，β為電機(jī)的基速比，取β=2.5，則基速為nb=3000rmp[2]。

2.1.2加速性能對動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的要求

車輛加速性能指速度到指定速度Vf所需要的時(shí)間ta大小進(jìn)行衡量。通常用0～100km/h的加速時(shí)間來衡量，加速情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率為

Vb為驅(qū)動(dòng)電機(jī)基速運(yùn)行時(shí)的車速15.61m/s；Vf為汽車加速末速度27.78m/s。經(jīng)計(jì)算可得加速情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求功率為Pacc_max=37.991kW。

2.1.3 爬坡性對動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的要求

車輛爬坡度是指車輛以較低速度V在良好的坡面上勻速行駛的最大坡度。爬坡情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率為

V是爬坡速度。經(jīng)計(jì)算可知本文所設(shè)計(jì)的EREV，以V=30km/h車速爬30%的坡道需求的電機(jī)功率為Pslope=20.179kW。

2.1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果分析

綜上可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)為最高車速、0～100km/h加速時(shí)間、爬坡性能對應(yīng)的需求功率的最大值[2]，即：

由圖2可知，最高車速需滿足功率點(diǎn)Pv_max≥19.003kW即圖中A點(diǎn)，最大爬坡度需滿足功率點(diǎn)Pslope≥20.179kW即圖中B點(diǎn)；在圖3中，若要使EREV滿足加速時(shí)間內(nèi)需求，需滿足功率點(diǎn)Pacc_max≥37.991kW即圖中C點(diǎn)，則電機(jī)的峰值功率應(yīng)不小于37.991kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率應(yīng)不小于19.003kW。

圖2 最高車速-需求功率曲線和最大爬坡度-需求功率曲線

一般情況下，電機(jī)額定功率和峰值功率滿足PN=Pmax/λ，其中λ為電機(jī)過載系數(shù)，一般范圍為1.5-3，這里過載系數(shù)取λ=2。依據(jù)電機(jī)的選擇規(guī)范，取電機(jī)峰值功率40kW，額定功率20kW，能夠滿足EREV整車的動(dòng)力性能功率要求。

圖3 電動(dòng)汽車0-100Km/h加速時(shí)間-需求功率曲線

則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為128N·m，額定轉(zhuǎn)矩為64N·m。

2.1.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配與修正

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)初步確定后，還需要驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求：若不滿足，則需要修正驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的匹配滿足設(shè)計(jì)的要求。綜上可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)匹配結(jié)果，見表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配結(jié)果

2.2 動(dòng)力電池匹配

2.2.1 按能量需求計(jì)算

在純電動(dòng)模式下車輛以車速V（本文選取V= 80km/h）勻速行駛路程S1，動(dòng)力電池組容量CE以及動(dòng)力電池組輸出能量Eb可由下式確定[3]：

D為動(dòng)力電池組的放電深度，取0.7；ηb蓄電池放電效率，取0.18，ηm驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器效率，取0.9；ηa汽車附件能量消耗比例系數(shù)，取0.95，計(jì)算可得：

CE≥176.1Ah （11）

2.2.2 按功率需求計(jì)算

動(dòng)力電池組的最大放電功率必須大于車輛的最大驅(qū)動(dòng)功率，考慮到車中電動(dòng)空調(diào)、冷卻風(fēng)扇等加入，因此電池放電功率要滿足下式：

k為動(dòng)力電池放電率；Cp為由功率確定的動(dòng)力電池容量；PA為車輛附件功率4.5kW；U為動(dòng)力電池端電壓（V）。則：

對功率需求和能量需求的蓄電池容量與蓄電池最大放電率進(jìn)行仿真得圖4。

圖4 蓄電池容量-最大放電率曲線

若要滿足電動(dòng)汽車能量的要求，則需滿足CE≥176.1Ah，從圖5可知，兩條曲線交叉點(diǎn)的蓄電池放電率k≥4.63，動(dòng)力電池容量應(yīng)滿足C≥max（CP,CE）,這里蓄電池容量選取為180Ah，綜合電壓為60V，可得蓄電池具體的參數(shù)配置表2。

表2 免維護(hù)鉛酸蓄電池配置參數(shù)

2.3 增程器中發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)匹配

根據(jù)表1、表2的整車設(shè)計(jì)參數(shù)可知，預(yù)設(shè)計(jì)的EREV需要增程器提供可供該車行駛240km的能量。然而增程器用發(fā)電機(jī)與EREV驅(qū)動(dòng)輪不存在機(jī)械耦合，因此只要能提供符合要求的電功率即可。增程器的標(biāo)定輸出功率可表示為：

滿足EREV增程的續(xù)航里程所需要的油箱容積為V油=S2·fc/V,其中S2為汽車增程續(xù)航里程，fc為發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作點(diǎn)處油耗，V為增程時(shí)勻速行駛的車速。本設(shè)計(jì)采用定點(diǎn)能量管理策略，發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在MAP圖對應(yīng)的高效率、低排放范圍內(nèi)。因此，選取fc=5.2376L/h，V=80km/h。可得：PRE= 6.9kW，油箱容積V油=15.7L。綜上，選取永磁同步電機(jī)作為增程器的發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率為7kW，發(fā)電機(jī)效率約為88%左右。

3 結(jié)語

本文通過研究EREV動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)匹配的過程以及電機(jī)匹配和動(dòng)力電池匹配過程中需要注意的參數(shù)關(guān)系，為EREV/EV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)提供詳細(xì)參考。配備的增程器符合節(jié)能減排的理念，在促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化、汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革與改善能源危機(jī)等方面具有重要意義。

[1]王望予.汽車設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]呼和.增程式純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化研究[D].長春∶吉林大學(xué)，2011.

[3]程夕明，歐陽明高，孫逢春.基于鉛酸動(dòng)力電池組供電的電壓源型逆變器-牽引感應(yīng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(10)：136-141．

Study on Parameters Matching of Powertrain System of the Extended-Range Electric Vehicle

WU Bobiao，CHEN Huili
(Zhengzhou University Of Science&Technology,Zhengzhou 450064,China)

through the study on parameter matching of powertrain system of the EREV,it proposes with using the corresponding relation of the battery terminal voltage and state of charge(State of Charge,SOC)to control the Extended range device,it improves the endurance of electric vehicles and provides reference for the design of EREV/EV power system.

EREV;parameters of powertrain system;SOC

U469.72

A

1673-2928（2016）06-0007-03

（責(zé)任編輯：郝安林）

2016-03-20

鄭州市科技局自然科學(xué)項(xiàng)目（20141356）。

吳伯彪（1988-），男，河南鄭州人，鄭州科技學(xué)院教師，主要研究控制理論與控制工程。