基于ADVISOR的低速增程式電動汽車動力系統參數匹配與仿真

陳 剛，廖新瓊，林文強

CHEN Gang1 ,LIAO Xin-qiong2 ,LIN Wen-qiang1

（1.三明學院 機電工程學院，三明 365004；2.中科動力（福建）新能源汽車有限公司，永安 366000）

0 引言

我國石油消耗總量中汽車成品油消耗量占比接近一半，發展新能源汽車可以減少石油資源消耗、大幅降低污染物的排放，對改善城市空氣質量，保證人群健康均有重要意義[1]。由于純電動汽車可實現零排放，各國將純電動汽車作為新能源汽車的重點發展對象。然而，純電動汽車在續駛里程、電池壽命及充電時間等方面目前還存在技術瓶頸[2]。為此，在電動汽車車上加裝由發電機、蓄電池組成的增程器，在現階段可以較好地解決純電動汽車存在的弊端[3,4]。對于增程式電動汽車，合理的動力參數匹配至關重要[5]。因此，本文基于ADVISOR和Matlab/Simulink聯合仿真平臺，在純電動汽車基礎上依據設計指標進行了動力參數匹配，建立增程式電動汽車的整車模型，并進行仿真模擬，仿真結果驗證了參數匹配和模型的合理性，滿足設計指標的動力性和經濟性要求。

1 增程式電動汽車動力系統參數匹配

1.1 整車性能指標

研究選取某純電動汽車的基本參數，原車純電動模式下的續駛里程是100km，在此基礎增程模式下總續駛里程設計為250km。主要參數和動力性能設計指標如表1所示。

表1 整車性能基本參數及設計目標

1.2 驅動電機參數匹配計算

增程式電動汽車驅動電機的性能直接影響整車的動力性能，常用的驅動電機有交流三相感應電機、表貼永磁同步電機、內置式永磁同步電機等[6]。交流三相感應電機維修簡單、應用廣泛，但存在控制復雜、功率因素較低的缺點；永磁交流同步電機效率高、動力特性較好，但也存在制造工藝復雜、成本高的問題[7]。增程式電動車以純電驅動為主的城市道路作為主要應用環境，電機效率和功率密度被作為主要考量標準，因此文章設計選用內置式永磁同步電機。

驅動電機是增程式電動汽車的唯一動力源，其性能指標必須滿足汽車的動力性能要求。在確定驅動電機功率時，需要通過汽車最高車速、爬坡性能及加速性能三方面的動力指標來匹配計算，以確定驅動電機的額定功率。

滿足最高車速所需的最大功率為：

式中Vmax為汽車最高車速，CD為風阻系數，A為迎風面積，f為滾動阻力系數，ηt為傳動效率。按照式(1)計算電機滿足最高車速所需額定功率P1max=29.17kW。

滿足爬坡性能驅動電機所需最大功率為：

式中αmax為汽車最大爬坡度，Vp為爬坡速度。由式(2)計算得滿足最大爬坡度是驅動電機所需額定功率P2max=21.76kW。

滿足加速性能驅動電機所需最大功率為：

式中σ為質量轉換因子，vf、vb分別是汽車加速過程的末速度與初速度，ta為加速時間，ρa為空氣密度。根據上式計算P3max=70.2kW。

綜合考慮汽車各工況下功率需求，驅動電機額定功率Pmax≥max{P1max，P2max，P3max}，故選取驅動電機額定功率為Pmax=72kW。

1.3 動力電池匹配

動力電池作為電動汽車上至關重要的部件，直接影響增程式電動汽車的純電動里程與動力性能，同時也是關系整輛車性價比的主要部件。在動力電池選型時需要思量的因素有：能量密度、功率密度、使用壽命等。在中低端電動汽車中常用的電池類型有：鉛酸電池、鎳氫電池、鈷酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池等，性能比較如表2所示。

表2 幾種動力電池關鍵性能對比[8]

通過對比功率密度、能量密度以及使用壽命，研究選用磷酸鐵鋰電池作為增程式電動汽車的動力電池。在匹配動力電池參數時需要考慮的因素主要有：電池容量、電壓等級和單體電池數目。動力電池組容量直接關系汽車的續駛里程與動力性，一般是以滿足正常車速下的行駛需要，計算公式如下：

式中，Eb為動力電池的輸出容量：

式中，d1為純電動里程，DOC為動力電池放電深度，ηt為傳動效率，ηm為動力電池效率，ηb為電機工作效率，Vc為常規車速。磷酸鐵鋰電池單節電壓為3.2V，取80節，Ub=256V。相關參數代入式(3)和式(4)，動力電池組容量Cb=84.29A.h。

1.4 增程器的選型

增程器是由發動機與發電機一體化構成，在汽車行駛一階段之后，電池SOC達到下限值時增程器開啟。在電池能量不足的情況下，增程器要保證汽車的正常行駛，并將多余的能量給電池充電，因此增程器的功率應滿足：

增程器發動機工作功率與增程器功率關系：

式中，ηg為發動機功率。考慮汽車行駛附屬電氣設備消耗功率等因素，選取增程器發動機排量為1.0L，功率為35kW。發動機油箱根據增程模式下續駛里程確定：

式中，d2為增程模式下續駛里程，be為燃油消耗率，ρ為汽油密度，va為增程模式下正常車速。

1.5 動力系統參數匹配結果

通過對增程式電動汽車動力系統關鍵部件的參數匹配，綜合考慮整車的動力性能和經濟性能要求，在原純電動汽車基礎上改裝后的參數匹配結果如表3所示。

表3 低速增程式電動汽車動力系統參數匹配結果

2 基于ADVISOR的仿真模型

2.1 整車模型

ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator，高級汽車仿真器）是由美國可再生能源實驗室在MATLAB和Simulink軟件環境下開發的高級汽車仿真軟件[9]。依據上述動力系統參數的匹配計算結果，通過ADVISOR軟件創建了增程式電動汽車的仿真模型，如圖1所示。圖1上半部分模塊是發電機、控制策略、機械附件、電氣附件、發動機及尾氣排放模塊；下半部分模塊是汽車行駛工況、車身、車輪車軸、動力橋、變速器、電機與控制模塊、汽車電附件、功率線、蓄電池。圖中箭頭表示的的是仿真計算時能量傳遞的方向。

2.2 增程器模型

仿真選用增程器為發動機-發電機一體型，在此不單獨建立發電機模型。整個模型包括了四個模塊，分別是信號輸入輸出接口；轉速與轉矩估算模塊；油耗模塊以及排放模塊。各模塊的原理相似，通過接收前一模型傳輸的信號需求計算后輸出到下一模型。增程器模型如圖2所示。

2.3 控制策略模型

控制策略采用串聯功率跟隨控制策略，它主要包含發動機開關子模塊、發動機輸出功率估算模塊以及發動機工作點控制模塊。圖3為控制策略模型。控制策略模型的邏輯是根據電池的SOC值以及驅動電機的功率需求來控制發動機的啟停，根據電池和驅動電機的狀態需求來控制開關，即開關子模塊。輸出功率估算模塊用來計算并且控制發動機是否要工作在功率極限值。通過控制模塊保證發動機工作在最高效率點運行。

圖1 整車仿真模型

圖2 增程器模型

圖3 控制策略模型

3 仿真結果

依據增程式電動汽車的設計指標建立了整車仿真模型，車輛行駛循環工況選用ECE_EUDC工況，該工況包括城市道路行駛和市郊道路行駛，其中城市行駛道路工況測試的行駛里程為4.052km，平均車速18.7km/h，市郊行駛工況測試行駛里程為6.955km，平均車速62.6km/h。圖4是動力電池SOC隨時間變化的關系曲線，可以看出增程式電動汽車在純電動模式下運行了13個循環工況，電池SOC值降至0.4，此時開啟增程模式，SOC值保持在0.4之后有逐漸增大趨勢，這是由于在之后的12個循環工況下增程器開啟工作并將富余能量對動力電池充電。

圖4 SOC值隨時間變化關系

圖5 尾氣排放量隨時間變化關系

圖6 總行駛里程

在增程器開啟瞬間，由于發動機處在低效區間出現較大的尾氣排放量，當發動機穩定運行后尾氣排放量保持在較低值，尾氣排放量隨時間關系如圖5所示。從仿真的行駛里程可以看出，在s時間內總行駛里程達到273.3km，其中純電動模式下運行了s，共行駛123km，如圖6所示。仿真結果顯示，車輛的百公里加速時間為13.1s，最大加速度達4.9m/s2，車速在10km/h下的最大爬坡度達到26.5%。整車仿真結果與設計指標對比如表4所示。

表4 仿真結果與設計指標對比

4 結語

本文主要對增程式電動汽車動力系統關鍵部件的參數匹配與選型進行研究，基于ADVISOR在Matlab/Simulink環境下建立了車輛各模塊的仿真模型，對整車的動力性能、經濟性能及排放性進行了仿真驗證。仿真結果顯示，增程式電動汽車的各項性能均達到預期設計指標，滿足設計要求，驗證了參數匹配與仿真模型的合理性。本文研究為后期增程式電動汽車的實車設計開發提供了理論參考。