增程式電動車動力總成匹配及測試

王澤興　伊然　魏躍遠　楊良會　羅華利

摘要：本文以增程式電動車整車參數基本要求和動力性指標作為約束條件，對驅動電機、發動機、發電機等動力總成核心部件進行了性能匹配設計，使動力總成匹配滿足整車性能要求，并通過整車動力性仿真模型進行仿真驗證。最后通過動力總成臺架及整車的測試結果驗證了仿真模型的正確性，證明了該動力總成性能匹配方法的可行性和準確性。

關鍵詞：增程式電動車；動力系統匹配；仿真；測試驗證

為解決電動汽車中存在的電池技術、充電站設施和續駛里程等問題，在純電動汽車基礎上增加一臺內燃機和發電機組成的增程器來延長其續駛里程，提高用戶感受，這種安裝增程器的純電驅動車輛就稱作增程式電動車。增程式電動車在短距離行駛時處于純電模式；當行駛里程較長時增程器開始工作，增程器通過消耗燃油來發電，補充車輛行駛所需的電能或對動力電池充電。本文僅對純電驅動模式的整車動力性進行了仿真分析和試驗驗證。

1增程式電動車動力總成性能匹配

本文基于北汽A級純電動乘用車平臺進行增程式電動汽車開發，完成了動力總成的性能匹配，并配合整車要求實現了動力總成的整車搭載和驗證。

在設計過程中，增程式電動車的整車參數如表1和表2所示，是動力總成性能匹配設計的重要依據。

增程式電動車的動力總成在匹配設計中，動力總成性能要滿足整車性能的要求，因此，驅動電機、發動機、發電機等動力總成核心部件的匹配設計要以整車性能要求為依據。

1.1驅動電機的性能匹配

1.1.1驅動電機的功率匹配

驅動電機作為增程式電動車的唯一驅動裝置，驅動電機技術參數的選擇與匹配必須要滿足車輛行駛的最高車速、最大爬坡度、最大加速度時所需要的指標，而且電動機的功率越大，其后備功率也就越大，加速性和爬坡性也就越好。所以驅動電機在選型匹配時功率要滿足以下三個要求：

（1）最高行駛車速工況

汽車在不低于最高車速V_max的速度下勻速行駛所需求的功率PV_max：

（1）式中，m為整車質量；f滾動阻力系數；g為重力加速度；C_D為空氣阻力系數；A為整車迎風面積；η_T為機械傳動效率。

（2）最大爬坡度工況

汽車能夠以不低于最低要求車速V_s，在最大坡度為α_max的坡面上行駛的功率P_s：

（2）

（3）加速時間：

滿足汽車在時間t_a內由0km/h加速到要求車速V_r所需要的電機功率P_a：

（3）

式中，6為汽車旋轉質量換算系數，取1.25；P_a為空氣密度，取1.293kg/m³；V_b為驅動電機基速所對應的車速。

根據表1整車參數計算，得：

P_vmax=34.56kw；P_s=9.14kw；

P_a=93.12kw。

根據式（1）～（3）在不同行駛工況下計算出的功率需求結果，可知驅動系統的峰值功率P_max應不小于其中的最大值，即

（4）

因此，P_Mmax=100kw取峰值功率。

電機的額定功率為：

式中：λ為過載系數，一般取1.5-2.5。

在本項目中我們按過載系數為2進行匹配，其額定功率P_Me=50kw。

1.1.2驅動電機的轉速匹配

在電機額定功率相同的情況下，電機的額定轉速越高，體積和質量越小，制造成本也就越低。驅動電機的高效區一般處于額定轉速附近，從經濟性考慮，電機額定轉速一般由車輛的常規車速決定。電機轉速與車速的關系為

（6）

式中，n_Mmax為驅動電機最大轉速。

考慮到項目第二階段發動機參與直驅的要求，結合發動機的工作特性，取減速器的一級齒輪的速比i_g=1，計算電機轉速n_Mmax≥4119rpm，同樣考慮到在發動機參與車輛直驅的工況時，驅動電機轉速應與發動機的轉速匹配，因此驅動電機最高轉速取n_Mmax>6000rpm。

1.1.3驅動電機的轉矩匹配

驅動電機最大轉矩的匹配要滿足汽車的最大爬坡度要求：

（7）

代入表1.1參數計算得：T_Mmax1≥276N·m。

同時，當驅動電機的最大功率確定后，電機的最大轉矩還應滿足：

（8）

式中，n_Me為電機的額定轉速，取2000rpm，計算得：T_Mmax2≥478N·m。

驅動電機的最大轉矩應滿足：

（9）

因此，這里取驅動電機的最大轉矩T_Mmax=480Nm。

驅動電機的額定扭矩：

（10）

計算得：T_Me=240N·m

通過對驅動電機匹配設計，驅動電機特性參數如表3所示：

1.2增程器匹配

本項目所采用的增程器是由往復活塞式汽油發動機和永磁發電機組成的發電機組。其功用是當動力電池SOC較低或出現故障不能工作時，為驅動電機提供能量，在該車型中，采用了全功率型增程器，其功率需要滿足車輛以最高車速130km/h勻速行駛。

因此，增程器輸出功率：

（11）

計算得：P_RE=34.56kW。

發動機輸出功率：

（12）

式中，η_G為發電機的工作效率，通過發電機效率測試數據查得該工況下電機效率為0.9。

計算得：P_E≥38.4kW。

巡航車速為80km/h時，需求增程續航里程為400km，則油箱容積為：

（13）

式中，V是油箱容積，S_RE是增程續航里程，P₈₀是80km/h車速時對應的發動機功率，b_e取250g/kwh，ρ是汽油密度取0.752kg/L，v是巡航車速取80km/h。

計算得：V=23L

1.3減速器匹配設計

本項目研究的增程式電動車，根據驅動電機的特性，選用的是單檔速比的變速器器，簡稱減速器。在滿足整車動力性能的同時使得結構更加簡單，傳動效率更高，操作也更簡單。

減速器參數選擇要滿足以下兩個要求：

（1）驅動電機最高轉速下滿足整車的最高車速設計要求：

（14）

式中，i₁為滿足最高車速的減速器的減速比，r為車輪半徑，n_Mmax為驅動電機的最大轉速，V_max為車輛純電驅動時的最高車速。

計算得：i₁≤5.2026

（2）在驅動電機最大轉矩下滿足整車的最大爬坡度設計要求：

（15）式中，α_max是最大爬坡度，T_Mmax是驅動電機的最大扭矩。

計算得：i₂≥0.000128

通過以上參數匹配計算，具體減速器參數如表4所示：

1.4動力電池匹配設計

動力電池組主要由電池單體通過串、并聯組合構成，動力電池作為主電源總容量要滿足車輛純電動續駛里程的設計要求，且功率要覆蓋驅動電機的功率需求，因此要對電池單體的數量、動力電池組的總容量以及動力電池組的功率進行匹配。

動力電池組完成一次充、放電，需要的額定總能量為：

（16）

式中，W是額定總能量；S是車輛的純電續駛里程，取60km；SOC₁、SOC₂分別是動力電池組SOC的初始值和末值，初值取100%，末值取10%；η_c是驅動電機控制器效率，取0.98；P_V是以勻速V行駛的功率，V取100km/h。

由以上參數計算得所需動力電池總能量為W=12.96kWh，動力電池組的額定容量：

（17）式中，Q_B是額定容量；U是動力電池組額定電壓，與驅動電機額定電壓一致，取350.4V。

計算得額定容量為Q_B≥36.99Ah，取Q_B=37Ah。

電池單體的連接方式決定了動力電池組的特性。并聯電池單體的數量主要增加電池組的容量，來滿足車輛純電動續駛里程的要求：

（18）

式中，C_r是電池單體容量，本項目中電池選取三元鋰電池，單體容量37Ah，計算得：η_p=1。

串聯電池單體數目既要保證電池組電壓與電機電壓匹配，又要保證電池組功率滿足電機峰值功率需求，同時要有短時大電流放電的能力。串聯電池單體的數量：

（19）

式中，P_Mmax是電機峰值功率；P_bMax是電池單體允許最大放電功率。

計算得：n_s=96，動力電池參數如表5：

2整車動力性仿真驗證

本文通過應用軟件對匹配的插電式混合動力汽車進行加速度和爬坡度后向仿真，仿真結果如圖1和圖2所示，0-100km/h加速時間為10.66s，最高車速200km/h，10km/h爬坡度27.44%，符合整車設計目標。

3增程式動力總成的測試驗證

項目中通過動力總成測試臺架，驗證了動力總成各部件的性能，并通過整車的道路測試，對整車的動力性進行了驗證。

3.1動力總成臺架驗證

動力總成各核心部件試制完成后，在試驗室搭建了增程式動力總成臺架如圖3，并通過AVL臺架測功機對混合動力總成進行測試，可以驗證各動力部件是否滿足設計要求。

3.1.1發動機臺架測試

通過發動機臺架測試，發動機試驗結果如表6：

3.1.2發電機臺架測試

通過發電機臺架測試，350V電壓等級下發電機試驗結果如表7：

3.1.3驅動電機臺架測試

通過驅動電機臺架測試，350V電壓等級下驅動電機試驗結果如表8：

3.2整車動力性試驗

本項目在交通部試驗場對試制樣車進行了整車的加速性、最高車速、最大爬坡度等動力性指標進行了測試，結果如表9：

3.3試驗結果

增程式動力總成各部件臺架測試結果表明，發動機、發電機、驅動電機各項參數指標均達到了匹配設計要求。整車的動力性測試結果0-100km/h加速時間為11.74s，最高車速160km/h，最大爬坡度為25%，與整車動力性仿真結果0-100km/h加速時間為10.66s，最高車速200km/h，最大爬坡度大于27%，除最高車速因動力電池放電功率造成一定偏差外，其余基本吻合。試驗結果證明了本項目中動力總成匹配設計的準確性和整車動力性仿真模型仿真結果的有效性。

4結語

本論文以增程式電動車整車基本參數要求和動力性指標為約束條件，針對增程式電動車動力總成的匹配設計，給出了一套增程式動力總成及驅動電機、發動機、發電機等核心部件的性能匹配設計方法。通過仿真軟件根據動力總成匹配參數搭建了整車動力性模型，進行了仿真分析。并通過動力總成零部件和整車的測試驗證了該匹配設計方法的可行性和準確性，以及仿真結果的有效性，為今后增程式電動車開發項目中進行動力總成的匹配設計積累了經驗和理論依據。