增程式低速電動(dòng)轎車(chē)參數(shù)匹配與仿真*

陳漢玉，左承基，俞小莉

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009; 2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，杭州 310027)

前言

增程式電動(dòng)汽車(chē)(range extender electric vehicle, REEV)是在傳統(tǒng)純電動(dòng)車(chē)(EV)基礎(chǔ)上，增加一套輔助動(dòng)力單元(APU)，其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和插電式混合動(dòng)力車(chē)(PHEV)類(lèi)似，所消耗的電能既可源于公共電網(wǎng)，也可源于石化燃料[1]。與EV相比，REEV提高了整車(chē)?yán)m(xù)駛里程，可消除駕駛員對(duì)行駛里程的擔(dān)憂(yōu)；與PHEV相比，REEV進(jìn)一步提高了電池容量，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺寸及功率，可大幅度降低對(duì)石油的依賴(lài)程度，整車(chē)經(jīng)濟(jì)性及排放性更優(yōu)[2-3]。短距離行駛時(shí)，REEV和EV類(lèi)似，處于純電動(dòng)運(yùn)行模式，所消耗的電能源于公共電網(wǎng)；當(dāng)行駛里程較長(zhǎng)且電池電量不足時(shí)APU開(kāi)始工作，通過(guò)消耗燃油來(lái)發(fā)電，補(bǔ)充車(chē)輛行駛所需的電能或?qū)﹄姵爻潆奫4]。

REEV動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)介于PHEV和EV之間，是一種新型結(jié)構(gòu)汽車(chē)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道甚少[5-6]。本文中以某款增程式低速電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，從電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電儲(chǔ)能系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元出發(fā)，對(duì)整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配分析。同時(shí)利用電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件Advisor，分別在城市路況UDDS和公路路況HWFET下對(duì)整車(chē)性能進(jìn)行了仿真分析。

1 REEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

所研究的REEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其動(dòng)力系統(tǒng)主要由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電儲(chǔ)能系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元構(gòu)成，外部能量輸入有發(fā)動(dòng)機(jī)石化燃料供應(yīng)和外接充電兩種形式。REEV動(dòng)力電池既可通過(guò)公共電網(wǎng)充電也可通過(guò)輔助動(dòng)力單元充電，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使整車(chē)處于純電動(dòng)運(yùn)行模式，既提高了整車(chē)經(jīng)濟(jì)性又降低了尾氣排放。REEV的輔助動(dòng)力單元APU不直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，僅用來(lái)發(fā)電，給動(dòng)力電池充電或提供車(chē)輛行駛所需的電能。因此APU可認(rèn)為是小型發(fā)電機(jī)組，由專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和逆變器組成，由于專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間可不受車(chē)速的影響，因此能以恒轉(zhuǎn)速始終運(yùn)行在高效區(qū)。

2 REEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

REEV電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作特性是低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒功率。低速時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，可滿(mǎn)足車(chē)輛起步或爬坡工況對(duì)大轉(zhuǎn)矩的需求；高速時(shí)電機(jī)輸出恒功率，可滿(mǎn)足車(chē)輛對(duì)最高車(chē)速行駛的需求[7]。因此電機(jī)的工作特性非常符合車(chē)輛的行駛特征。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)選擇包括電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nmr、電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmmax、電機(jī)額定功率Pmr和電機(jī)最大功率Pmmax。電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmmax與自身的尺寸、質(zhì)量和內(nèi)在損耗等有直接的關(guān)系，最大轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱(chēng)為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β。在電機(jī)功率一定的前提下，隨β值增大，轉(zhuǎn)速降低，對(duì)應(yīng)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩增大。高轉(zhuǎn)矩需較大的電機(jī)電流和電子設(shè)備，增加了功率變換器硅鋼片的尺寸和損耗，因此電機(jī)傳動(dòng)軸額定轉(zhuǎn)矩的減小只能通過(guò)選用中高速電機(jī)來(lái)解決，但這又影響傳動(dòng)比，因此必須協(xié)調(diào)考慮電機(jī)最大轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)系尺寸[8-9]。通常電動(dòng)車(chē)推薦的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmmax在6 000～15 000r·min-1之間，β通常在4～6之間。

選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率時(shí)要綜合考慮電機(jī)的額定功率和最大功率，在設(shè)計(jì)中一般根據(jù)最高車(chē)速確定電機(jī)的額定功率Pmr，根據(jù)車(chē)輛的加速和爬坡性能確定電機(jī)的最大功率Pmmax。

滿(mǎn)足車(chē)輛最高車(chē)速的電機(jī)額定功率[10]為

(1)

式中：ηt為傳動(dòng)效率，取0.91；m為半載質(zhì)量，取1 200kg；g為重力加速度，取9.8m·s-2；f為路面滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.016；vmax為汽車(chē)最高車(chē)速，取120km·h-1；Cd為汽車(chē)風(fēng)阻系數(shù)，取0.32；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積，取2.14m2。由式(1)計(jì)算可得Pmr=24kW。

滿(mǎn)足車(chē)輛加速性能的電機(jī)最大功率[11]為

(2)

式中：vb為加速過(guò)程的最終車(chē)速，取100km·h-1；t為加速時(shí)間，取18s。由式(2)計(jì)算可得P1=48kW。

滿(mǎn)足車(chē)輛最大爬坡度的電機(jī)最大功率為

(3)

式中：α為最大爬坡角度，取20°；va為爬坡車(chē)速，取25km·h-1。由式(3)計(jì)算可得P2=32kW。

因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率Pmmax應(yīng)取P1和P2較大者，即48kW。

2.2 電儲(chǔ)能系統(tǒng)

REEV電儲(chǔ)能系統(tǒng)包括動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)，REEV對(duì)動(dòng)力電池充放電要求由整車(chē)控制策略決定。動(dòng)力電池的控制模式可分為電動(dòng)模式(EV mode)和混合模式(blended mode)兩類(lèi)，其中EVmode又分為電量耗盡型(charge depleting, CD)和電量維持型(charge sustaining, CS)兩種。圖2是REEV的動(dòng)力電池兩種控制模式。

電動(dòng)模式的前半段是電量耗盡模式，此區(qū)域內(nèi)車(chē)輛動(dòng)力源完全由電池提供，APU不參與工作；當(dāng)電池SOC降到某一閾值后，電池進(jìn)入電量維持模式，此區(qū)域內(nèi)APU開(kāi)始工作，維持電池SOC在小范圍內(nèi)波動(dòng)。因此在電動(dòng)模式下，當(dāng)電池SOC高于某一閾值時(shí)采用電量耗盡型工作模式；當(dāng)電池SOC下降到某一閾值后采用電量維持型工作模式。

混合模式的整個(gè)循環(huán)工況內(nèi)，電池和APU協(xié)調(diào)工作，電池SOC逐漸減小，在循環(huán)工況結(jié)束時(shí)SOC下降到最小值。因此混合模式需要提前知道循環(huán)工況持續(xù)時(shí)間、駕駛特性和初始的SOC等信息，顯然混合模式比電動(dòng)模式控制復(fù)雜。

動(dòng)力電池的參數(shù)選擇包括電壓等級(jí)、容量和最大充放電功率等。動(dòng)力電池的參數(shù)主要由功率需求和能量需求來(lái)決定。電池組必須滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率需求，其最大充放電功率應(yīng)不小于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率。電池組電壓等級(jí)要和REEV的電壓等級(jí)和變化范圍一致，電池組容量應(yīng)滿(mǎn)足在APU不啟動(dòng)時(shí)REEV純電動(dòng)續(xù)駛里程對(duì)能量的需求。

動(dòng)力電池組額定電壓[12]為

Ubr=Pmmax/Immax

(4)

式中：Ubr為電池組的額定電壓，V；Pmmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率，kW；Immax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大工作電流，取145A。由式(4)計(jì)算可得Ubr=332V。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

所開(kāi)發(fā)的REEV選用一擋變速器，掛D擋即行車(chē)。主減速比的選擇應(yīng)權(quán)衡車(chē)輛最高車(chē)速、車(chē)輛的加速與爬坡能力和整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性等不同要求。

從車(chē)輛最高行駛速度要求出發(fā)，主減速比i0應(yīng)滿(mǎn)足：

(5)

式中：Rr為車(chē)輪滾動(dòng)半徑，取0.28m；Nemax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，取9 000r·min-1；vmax為最高車(chē)速，取120km·h-1。

另外，為使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在最高車(chē)速時(shí)仍能發(fā)出較大功率，i0的選擇還應(yīng)滿(mǎn)足：

(6)

式中：Nep為驅(qū)動(dòng)電機(jī)在最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，取6 000r·min-1。

綜合考慮整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和車(chē)輛的動(dòng)力性要求，i0取式(5)為等號(hào)時(shí)的計(jì)算值，即7.917。

2.4 輔助動(dòng)力單元

APU實(shí)質(zhì)上就是小型發(fā)電機(jī)組，由專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和逆變器組成。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，城市上班族每天駕車(chē)行駛距離不超過(guò)35km的用戶(hù)約占45%，不超過(guò)50km的用戶(hù)約占72%，通常REEV充滿(mǎn)電后純電動(dòng)行駛里程一般超過(guò)60km，非常適合中短途城市上班族使用。

所研究的REEV為小型低速電動(dòng)車(chē)，對(duì)APU系統(tǒng)的外形尺寸、發(fā)電功率、成本和NVH要求均很高。APU的選型和設(shè)計(jì)通常應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的外形尺寸、功率、NVH和燃油消耗率以及交流發(fā)電機(jī)和逆變器的安裝尺寸和工作效率等。所選用的專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)可以是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)、雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等，圖3是3種不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能比較。由圖3可知，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)NVH、尺寸和質(zhì)量特性最佳，而其排放及燃油效率特性較差；單缸機(jī)相對(duì)雙缸機(jī)而言，其成本、尺寸和質(zhì)量特性較好，而其N(xiāo)VH特性最差。由于APU輔助動(dòng)力單元僅用來(lái)發(fā)電，當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)APU開(kāi)啟，接下來(lái)車(chē)輛應(yīng)降功率行駛或停車(chē)充電，該工況中設(shè)定車(chē)速為25km·h-1。同時(shí)要考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的外形尺寸和APU在前機(jī)艙中的布置，最終選定APU為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其發(fā)電額定功率為6kW，發(fā)電恒定轉(zhuǎn)速為2 800r·min-1。

APU的啟動(dòng)和關(guān)閉由動(dòng)力電池電量、駕駛員功率需求、當(dāng)前車(chē)速和整車(chē)控制策略來(lái)決定。由于專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)直接機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行僅用于發(fā)電，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可工作在恒定轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近，能保證其始終運(yùn)行在高效區(qū)。

2.5 REEV性能要求和計(jì)算結(jié)果

REEV參數(shù)初始條件及性能要求如表1所示。

按照前面計(jì)算公式和整車(chē)性能要求，所計(jì)算出的REEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)和選型結(jié)果如下。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速2 200r·min-1，最大轉(zhuǎn)速9 000r·min-1，額定功率24kW，峰值功率48kW。

動(dòng)力電池參數(shù)：選用磷酸鐵鋰電池，單體電池額定電壓3.2V，額定容量40A·h。電池組額定電壓332V，工作電壓范圍260～380V，最大持續(xù)放電功率37kW。

表1 REEV參數(shù)初始條件及性能要求

APU參數(shù)：所選單缸機(jī)發(fā)電功率6kW，發(fā)電恒定轉(zhuǎn)速在2 800r·min-1附近。

3 REEV性能仿真分析

REEV動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)和選型確定后，分別對(duì)APU和動(dòng)力電池進(jìn)行了相關(guān)性能試驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件Advisor對(duì)REEV整車(chē)動(dòng)力性進(jìn)行了仿真對(duì)比分析。

圖4是APU系統(tǒng)中專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)：轉(zhuǎn)速在2 800r·min-1時(shí)可保證發(fā)電功率為6kW。通常單缸機(jī)轉(zhuǎn)速越高，NVH性能越差，而REEV對(duì)NVH性能要求高，因此在保證發(fā)電功率和燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下應(yīng)盡可能降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速。

圖5是磷酸鐵鋰電池組在40A電流下的充電曲線(xiàn)，整個(gè)充電過(guò)程大約需4 300s，充電結(jié)束后電池容量最大值約38.6A·h，和額定容量接近。由充電曲線(xiàn)可知，電池組采取先恒流后恒壓的充電方式，當(dāng)恒流充電約3 200s后電池組電壓可達(dá)到380V，接著進(jìn)入恒壓充電模式。

圖6是磷酸鐵鋰電池組在40A電流下的放電曲線(xiàn)，整個(gè)放電完成過(guò)程大約需3 520s，放電結(jié)束后電池組電壓約260V，放電結(jié)束時(shí)的最大放電容量約39A·h。

圖7和圖8是利用電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件Advisor分別在城市路況UDDS和公路路況HWFET下，采用混合控制策略對(duì)REEV動(dòng)力性進(jìn)行仿真的結(jié)果對(duì)比圖。

由圖7可見(jiàn)，在城市路況UDDS循環(huán)工況下，REEV仿真最高車(chē)速約為82km·h-1；在混合控制策略下，電池SOC下降平緩；當(dāng)REEV急加速時(shí)APU啟動(dòng)提供部分電能，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩約18N·m，與外特性曲線(xiàn)相符；驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩約78N·m，滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性要求。

由圖8可見(jiàn)，在公路路況HWFET循環(huán)工況下，REEV仿真最高車(chē)速約為85km·h-1；HWFET工況相比UDDS工況而言，仿真車(chē)速一直處于較大值，電池SOC下降明顯，且APU系統(tǒng)工作時(shí)間明顯長(zhǎng)于UDDS工況。

4 結(jié)論

(1) 由APU系統(tǒng)中專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線(xiàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 800r·min-1時(shí)可保證發(fā)電功率為6kW。由磷酸鐵鋰電池組的充放電曲線(xiàn)可知，電池充放電功率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2) 在城市路況UDDS下，電池SOC下降平緩。當(dāng)REEV急加速時(shí)APU啟動(dòng)提供部分電能，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩約18N·m，與外特性曲線(xiàn)相符。在UDDS工況中驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩約78N·m，滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性要求。

(3) 在公路路況HWFET下，仿真車(chē)速一直處于較大值，電池SOC下降明顯，且APU系統(tǒng)工作時(shí)間明顯長(zhǎng)于UDDS工況。

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