增程式電動轎車動力系統參數匹配與仿真研究

王云峰　牛禮民

摘 要：根據汽車基本理論對新開發的增程式電動汽車動力系統參數進行匹配。并基于AVLCruise軟件平臺，采用定點能量管理策略對設計的動力系統進行仿真驗證。其結果表明：設計的動力系統及匹配的相關參數比較合理，能實現增程器高效工作，有效延長了電動汽車續航里程。

關鍵詞：電動轎車；系統參數；匹配；仿真研究

1 引言

曾程式電動汽車是將燃油機和發電機組成的機組作為增程器，并與儲能電池一起構成動力源，為整車行駛提供動力源，其動力系統設計是該類電動汽車研發工作的重要內容之一。從目前相關的研究文獻來看，大部分研究都集中在純電動汽車動力系統參數匹配，專門正對增程式電動汽車的相關文獻不多。文中首先介紹了增程式動力系統的結構配置和工作模式；然后以增程式整車動力性指標和續航里程要求為約束條件，對增程式動力系統的參數進行了匹配設計；最后，在搭建的AVLcruise平臺上對匹配的動力總成參數進行仿真驗證。

2 動力系統部件參數設計

增程式電動汽車工作模式一般可分兩種，分別為純電動模式和RE/動力電池混合模式，這主要由該類電動汽車動力系統結構所決定的如圖1所示。

2.1 原型車參數及性能指標

論文以某款純汽車作為原型車，整車基本參數如表1所示，動力性能指標為：最高車速≥140；爬坡度%≥20；0-100km/h加速時間≤10。

2.2 驅動電機參數選擇

增程式電機額定功率的選擇需要綜合考慮電動汽車整車參數及性能目標，在電動汽車開發初期一般以車輛期望達到的最大車速為主要目標。電動汽車最高行駛車速與加速、爬坡工況不同，最高車速行駛一般需要車輛在較長時間保持，加速、爬坡過程在車輛行駛過程中占用的時間相對較短，一般只需電機峰值功率滿足該要求即可。當電動汽車以最高當汽車以最高車速Va勻速行駛時。驅動電機輸出的功率（kW）至少為：

（1）

當汽車以穩定速度通過最大爬坡度時，電機輸出的最大功率為：

（2）

電動汽車加速過程過程中電機輸出最大功率Pmax 3，對應的加速期間初速度及末速度可根據經驗公式表示為：

（3）

電動汽車加速過程的末時刻，電機加速輸出的最大功率Pmax 3=Pall，根據上述計算的最大功率，驅動電機必須滿足以上所有設計要求，即：

（4）

將上述表1及表2相關參數分別帶入式1-式4中，計算得 Pmax 1=58kw；Pmax 2=35kw；Pmax 3=75kw；

驅動電機相關參數確定之后，還需驗證是否滿足一定條件下爬坡及最高車速要求，既：

（5）

傳動系最大傳動比由電動汽車驅動電機的峰值轉矩Tmax和最大爬坡度αmax決定，即：

（6）

式中為ig1變速器最低檔速比；i0為主減速器比。將相關數據帶入上式6-式7中，最后確定的驅動電機相關參數為：額定功率30kw/峰值75kw；額定轉矩100N.m/峰值轉矩245N.m；額定轉速2900rpm/峰值轉速3000rpm。

2.3 儲能電池參數選擇

曾程式電動汽車中，儲能電池是其主要電源，動力系統在工作過程中，不僅要提供足夠的能量保證動力性能，同時還需吸收制動回饋能量，儲能電池最大放電功率

，需滿足：

（7）

上式中：PA為電附件功率。儲能電池除滿足功率要求外，儲能電池還需滿足純電模式下一定續航里程的能量要求，假設該曾程式電動汽車以Va等速行駛時續航里程為d1，其能量

需滿足：

（8）

因此，蓄電池容量可按如下公式取值：

（9）

車輛電附件功率取4.5kw，等速行駛車速為60km/h，最終選定該增程式電動汽車動力電池組主要參數為：額定電壓320V；容量70Ah；最大放電電流3C。

3 仿真驗證

為進一步驗證上述所匹配參數的合理性，利用AVLCruise軟件對其進行仿真驗證，以NEDC作為增程式電動汽車仿真行駛工況，仿真結果如下圖2-圖4所示。

在仿真開始時候儲能電池SOC為59.8%，隨著仿真進行，在720s時，SOC下降到45% 達到設定的下限值SOCRE，此時RE系統啟動，發動機在PID轉速模塊的控制下以轉速為3000rpm功率為32.5kw進行恒功率輸出（如圖3所示）帶動發電機進行發電，發出的電量存儲到蓄電池中。當進行到980S時，SOC再次下降到45%達到設定的下限值SOCRE，RE系統再次啟動。從仿真的結果來看增程式電動汽車在NEDC工況下采用定點能量管理策略，使發動機始終工作在最高效點，在確保整車動力性能的同時，燃油經濟性明顯提高。

4 結論

以增程式電動汽車動力性能指標為約束條件，根據汽車基本理論對其動力系統參數進行計算匹配。并基于AVLCruise軟件平臺，采用定點能量管理策略對設計的動力系統進行仿真驗證。從仿真的結果來看，設計的動力系統及匹配的相關參數比較合理，能較好的滿足動力性能指標要求；NEDC工況下汽車行駛車速要求符合工況標準；采用的定點能量管理策略，在SOC下降到下限值SOCR=45%啟動RE系統，之后發動機一直恒功率工作在高效點，當儲能電池SOC回升到SOCmax=59.8%時，RE系統關閉，整個工作過程中能實現增程器高效工作。

基金編號：國家自然科學基金項目（51275002）

參考文獻：

[1]武小蘭，王軍平，曹秉剛.充電式混合動力電動汽車動力系統參數匹配[J].汽車工程，2008，30（12）：1095-1101.

[2]周蘇，牛繼高，陳鳳祥.增程式電動汽車動力系統設計與仿真[J].汽車工程2011，33（11）：924-929.

[3]萬剛，孫澤昌.燃料電池汽車動力總成結構配置及參數匹配[J].汽車工程.