增程式電動汽車動力系統匹配研究

周正勇 高震 李研

摘 要：針對增程式電動車的動力系統參數匹配和控制策略問題，文章采用AVL CRUISE軟件進行仿真與分析，完成動力系統的參數匹配和對純電動混合型動力系統控制策略進行驗證。

關鍵詞：增程式電動汽車;參數匹配;控制策略;仿真

中圖分類號：U469.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-08-04

Abstract： In order to solve the problem of parameter matching and control strategy of powertrain in extended-range electric vehicle， the article uses AVL CRUISE software to simulate and analyze， carry out the parameter matching of the powertrain system and verify the control strategy of pure electric hybrid system.

Keywords： extended range electric vehicle; parameter matching; control strategy; simulation

前言

增程式電動車是一種生產成本較低、續航里程長的新能源汽車。車輛主要以電能為能源，大部分時間工作于純電動模式，在電池能量不足的情況下，使用混合動力模式延長續駛里程。增程式電動車是發展純電動汽車過程中一種很好的過渡車型[1-3]，對于緩解能源壓力和改善生態環境而言具有重大意義[4]。

1 車架總成設計

增程式電動汽車動力系統結構如圖1所示，電機與車輪通過變速器和驅動橋機械連接，車輪所需的驅動力全部來自電機。增程器單元發出的電能根據工作模式不同，對電機直接驅動，并將多余的電量為動力電池組充電。增程式電動車有外部電源接口，可以對電池組進行充電。電量充足時，動力電池單獨驅動車輛前行，當電量消耗到一定值時，發動機才開啟。

2 動力系統參數設計及優化

2.1 原型車參數與REEV動力系統設計指標

本文研究增程器為對置活塞二沖程發動機，采用的原型車為某款純電動汽車，其基本參數如表1所示。根據一般用戶的日常需求，選取的動力系統設計指標如表2所示，增程器的結構參數如下表3所示，增程器的功率曲線如圖2所示。

2.2 驅動電機參數設計

增程式電動車的驅動電機是整個汽車唯一的動力源，因此驅動電機的功率在高速與低速都應滿足汽車的起步、加速、爬坡等動力性能。則需要匹配驅動電機特性參數主要有：最高轉速以及額定轉速、峰值功率以及額定功率、最大轉矩以及額定轉矩。

2.2.1 最高轉速及額定轉速

由于無變速器，則主減速比及車速決定著電機轉速的選取。車輛在最高車速下對應的電機轉速即為電機最高轉速。由相關公式推導得：

其中vmax為整車最高速度，i0為主減速比，r為車輪滾動半徑，將各數據代入中，得nmax=8964.4r/min，所以取最高轉速nmax=9000r/min。基速比β取3，則驅動電機的額定轉速n0=3000r/min。

2.2.2 峰值功率及額定功率

峰值功率的確定由整車的結構參數及動力性參數來確定，應達到最大功率需求，包括最高車速對于的驅動電機峰值功率Pm1，加速時間對于的驅動電機峰值功率Pm2，最大爬坡度對于的驅動電機峰值功率Pm3：

其中vmax是汽車最高車速，ηt是汽車傳動系統的效率，m是汽車滿載的質量（kg），g為重力加速度，CD是汽車的風阻系數，A是汽車的迎風面積，f是汽車的滾動阻力系數，vf是汽車加速終了速度，取vf=27.78m/s，ρα是空氣密度，取ρα=1.2258N·s2·m-4，vb為車輛巡航速度，取vb=16.67m/s，t是汽車加速時間，δm是汽車旋轉質量換算系數，vc是汽車最大爬坡度時對應的速度，取vc =20m/h，α是汽車的最大爬坡度。

驅動電機的峰值功率應最大，即：

所以取驅動電機的峰值功率為75KW。由公式得：

其中λ被成為電機過載系數，取值一般介于 2 到 3 之間，這里選擇λ=3。由此可得驅動電機的額定功率 Pm=25KW。

2.2.3 最大轉矩與額定轉矩的確定

由功率與轉矩的關系可得，驅動電機的最大轉矩為：

2.2.4 參數修正

由于傳動比為預設參數，需要進行進一步驗算，預設的傳動比應該滿足下式：

其中Tmax為驅動電機的最大轉矩。

計算得到 6.66≤i0≤8.31，前文取i0=8.28 符合要求，故傳動比校驗合格。

通過上述計算，對驅動電機的參數匹配已經完成，其參數如表4所示。

2.3 動力電池組參數匹配

2.3.1 電池組的功率匹配

電池功率應和電機功率相匹配，應滿足公式：

其中Pb是電池組的功率;Pmax是驅動電機的最大功率;ηe是電機及其控制器的效率，取0.9;EB為電池組的能量;DOD為電池組放電深度，DOD=0.7;ηmc為驅動電機的效率，取0.9;ηdic為鋰電池組放電效率，取0.95;ηα為增程式電動汽車其他附件能量消耗比例系數，取0.2;Sb為增程式電動汽車純電動續航里程，CE電動汽車的電池組容量;UE電動汽車的電池組電壓。

由公式聯立求解，得出數據如表5。

2.3.2 電池組容量校核

電池的能量除了要滿足能量需求外，還要滿足瞬時功率要求，電池的最大能量滿足下式：

其中k為電池組最大放電率，這里取k=7.5h -1;ηmc為驅動電機的效率，取ηmc =0.9;為Pacc增程式電動汽車其他附件功率，這里取Pacc=3kW。

帶入得到CE≥39.81 A·h，前文確定CE =45 A·h，滿足要求。根據匹配思路，對增程式電動汽車的所有相關參數進行匹配，并對動力系統傳動比，動力電池容量進行校核，最終確定所有參數如表6。

3 增程式電動汽車整車仿真分析

采用 AVL CRUISE 軟件對整車進行建模仿真，對整車的動力性及續航里程進行分析。

3.1 動力性結果分析

整車在循環工況中，整車仿真準確性主要根據車輛速度跟隨的情況來評價，即工況理想車速與車輛實際車速的對比。圖3為 NEDC 循環局部速度跟隨情況，由圖可知在確定的NEDC工況下，整車的實時仿真速度與工況所要求的實時速度基本符合，出現小波動也在實時最大速度與實時最小速度內，說明整個增程式電動汽車仿真模型匹配較為良好，能夠滿足預設的要求

由圖4、圖5可得，0-100km/h 加速所用時間為14.6s，所能達到的最大速度為129km/h，在速度為 20km/h 時最大爬坡度為 30.14%，均滿足設定的車型初始動力參數。

3.2 純電動模式續航里程仿真分析

當整車處于純電動-混合型整車控制策略下時，為防止電池過充過放，同時減少發動機運行時間，需要在常參數模塊中設定電池SOC 充電的上限值與下限值為40%與30%。在仿真之初，設定電池組已經完全充好電，即SOC初始值為100%。完成一個循環后SOC 變化情況如圖6。

由仿真數據得到一個NEDC循環結束后，SOC值由100%降到88.4%，即一個 NEDC循環消耗11.6%的電量。通過比例運算可得，若SOC值到達30%時發動機啟動，則純電動續航里程可以達到65.9km，符合初始設定的在純電動續航里程大于60km的目標，故動力電池組參數匹配良好。

3.3 純電動-混合型動力系統控制策略的驗證

為使增程器系統盡早啟動使整車進入混合型控制策略，現將動力電池組的 SOC 初始值設定為40%，SOC 上限值與下限值仍設為40%與 30%，同時發動機的期望轉速為6000 r/min。建立循環工況任務，基于5個NEDC循環工況的基礎上，計算得到如圖7的動力電池組SOC實時數值。由圖7可以清晰地發現當動力電池組的SOC值達到下限值30%時，

電池組進入充電過程，即增程器系統啟動，發動機與發電機已開始運轉，當到電池組的 SOC值達到上限值40%時，增程器系統則停止工作。

圖8為發動機的實時數據，通過圖8可以發現增程器系統啟動及關閉良好，發動機轉速及功率均非常接近期望值，每個循環內發動機啟動總時長為406s。

圖9顯示的車輛實時走行距離，未出現較大波動及異常數據，表明增程器系統、電池及驅動電機工作正常，同時表明純電動混合式整車控制策略可以準確的控制車輛參數。

4 結論

（1）根據增程式電動汽車整車的結構參數、增程器的結構參數及整車的動力性指標，對動力系統進行參數匹配。

（2）分析增程式電動汽車的工作模式，確定增程式電動汽車動力系統的控制策略為純電動-混合型控制策略。

（3）根據參數匹配結果和選擇的控制策略，在AVL CRUISE中搭建整車仿真模型，對整車的動力性進行了計算分析，仿真結果表明，整車動力性基本滿足設計目標要求，并且控制策略能夠很好地執行。

參考文獻

[1] 邱利宏.微型純電動汽車動力系統優化匹配及仿真研究[J].上海汽車，2013（9）：3-7.

[2] 朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE純電動汽車匹配計算與仿真[J].上海汽車， 2012（9）：11-15.

[3] 姜立標，吳斌，馮驍，等.電動汽車動力性參數的仿真設計與試驗驗證[J].汽車工程，2011，33（12）：1013-1017.

[4] 龔賢武，吳德軍，馬建，等.增程式電動汽車動力系統參數匹配與仿真研究[J].機械科學與技術， 2014， 33（6）：929-933.