增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與研究

吳伯彪，陳慧麗

（鄭州科技學院，鄭州450064）

增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與研究

吳伯彪，陳慧麗

（鄭州科技學院，鄭州450064）

通過對增程式電動汽車（Extended Range Electric Vehicle,EREV）動力系統(tǒng)的參數(shù)進行匹配，提出運用動力電池組端電壓與荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）之間的對應關系來控制增程器的開關，提高電動汽車的續(xù)航能力，為EREV/ EV的動力系統(tǒng)的設計提供參考。

電動汽車；EREV；動力系統(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。在純電動汽車的基礎上加入增程器，使其大部分時間工作在純電動模式，增大了EV的續(xù)航里程；本文就EREV動力系統(tǒng)參數(shù)進行匹配。

1 動力系統(tǒng)總體規(guī)劃

增程式電動汽車主要由增程器、動力電源系統(tǒng)、電機驅動系統(tǒng)等部分，增程器主要由發(fā)動機、發(fā)電機、發(fā)電機控制器等構成。EREV結構如圖1所示。

圖1 增程式電動汽車結構組成

可知，EREV的動力系統(tǒng)總體規(guī)劃要先確定車輛的整車性能指標。電動汽車動力系統(tǒng)整車性能指標主要包括：動力性、排放性、續(xù)航里程等。其中動力性能通過最大爬坡度、最高車速、加速性能等參數(shù)進行衡量；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，本設計通過研究以上參數(shù)進行匹配。

2 EREV動力系統(tǒng)匹配

2.1 驅動電機參數(shù)匹配

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

m整車質量；α路面坡度角；v車輛行駛速度；

CD空氣阻力系數(shù)；A迎風面積[1]。

2.1.1 最高車速對動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的要求

當車輛勻速行駛在平直路面上時，式（1）簡化為：

m取半載750kg，汽車以最大速度120km/h行駛時，需求功率為

依據(jù)驅動電機轉速n與車速v之間的關系得電機最高轉速為（i0主減速比）

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

2.1.2加速性能對動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的要求

車輛加速性能指速度到指定速度Vf所需要的時間ta大小進行衡量。通常用0～100km/h的加速時間來衡量，加速情況下驅動電機需求功率為

Vb為驅動電機基速運行時的車速15.61m/s；Vf為汽車加速末速度27.78m/s。經(jīng)計算可得加速情況下驅動電機的需求功率為Pacc_max=37.991kW。

2.1.3 爬坡性對動力系統(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。爬坡情況下驅動電機需求功率為

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

2.1.4 驅動電機參數(shù)匹配結果分析

綜上可知，驅動電機的峰值功率應為最高車速、0～100km/h加速時間、爬坡性能對應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Pv_max≥19.003kW即圖中A點，最大爬坡度需滿足功率點Pslope≥20.179kW即圖中B點；在圖3中，若要使EREV滿足加速時間內需求，需滿足功率點Pacc_max≥37.991kW即圖中C點，則電機的峰值功率應不小于37.991kW，驅動電機額定功率應不小于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，電機額定功率和峰值功率滿足PN=Pmax/λ，其中λ為電機過載系數(shù)，一般范圍為1.5-3，這里過載系數(shù)取λ=2。依據(jù)電機的選擇規(guī)范，取電機峰值功率40kW，額定功率20kW，能夠滿足EREV整車的動力性能功率要求。

圖3 電動汽車0-100Km/h加速時間-需求功率曲線

則驅動電機的峰值轉矩為128N·m，額定轉矩為64N·m。

2.1.5 驅動電機參數(shù)匹配與修正

當驅動電機的參數(shù)初步確定后，還需要驗證是否滿足設計要求：若不滿足，則需要修正驅動電機匹配參數(shù)。經(jīng)驗證，本設計驅動電機參數(shù)的匹配滿足設計的要求。綜上可以得到驅動電機的詳細參數(shù)匹配結果，見表1所示。

表1 驅動電機的參數(shù)匹配結果

2.2 動力電池匹配

2.2.1 按能量需求計算

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

D為動力電池組的放電深度，取0.7；ηb蓄電池放電效率，取0.18，ηm驅動電機控制器效率，取0.9；ηa汽車附件能量消耗比例系數(shù)，取0.95，計算可得：

CE≥176.1Ah （11）

2.2.2 按功率需求計算

動力電池組的最大放電功率必須大于車輛的最大驅動功率，考慮到車中電動空調、冷卻風扇等加入，因此電池放電功率要滿足下式：

k為動力電池放電率；Cp為由功率確定的動力電池容量；PA為車輛附件功率4.5kW；U為動力電池端電壓（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，兩條曲線交叉點的蓄電池放電率k≥4.63，動力電池容量應滿足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 免維護鉛酸蓄電池配置參數(shù)

2.3 增程器中發(fā)動機-發(fā)電機匹配

根據(jù)表1、表2的整車設計參數(shù)可知，預設計的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)電機與EREV驅動輪不存在機械耦合，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)動機高效工作點處油耗，V為增程時勻速行駛的車速。本設計采用定點能量管理策略，發(fā)動機始終工作在MAP圖對應的高效率、低排放范圍內。因此，選取fc=5.2376L/h，V=80km/h?？傻茫篜RE= 6.9kW，油箱容積V油=15.7L。綜上，選取永磁同步電機作為增程器的發(fā)電機，額定轉速為3000r/min，額定功率為7kW，發(fā)電機效率約為88%左右。

3 結語

本文通過研究EREV動力系統(tǒng)設計參數(shù)匹配的過程以及電機匹配和動力電池匹配過程中需要注意的參數(shù)關系，為EREV/EV動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計提供詳細參考。配備的增程器符合節(jié)能減排的理念，在促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)化、汽車產(chǎn)業(yè)結構改革與改善能源危機等方面具有重要意義。

[1]王望予.汽車設計（第四版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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

[3]程夕明，歐陽明高，孫逢春.基于鉛酸動力電池組供電的電壓源型逆變器-牽引感應電機傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究[J].中國電機工程學報，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

（責任編輯：郝安林）

2016-03-20

鄭州市科技局自然科學項目（20141356）。

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