輪轂電機式增程電動車參數匹配與性能分析

董丹秀，楊坤*，焦健，譚迪，田昭賢，王鑫恫

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東淄博255000；2.北京意威技術咨詢有限公司， 北京100190)

0 引言

增程式電動車(extended-range electric vehicle, REEV)在傳統純電動車的基礎上增加了輔助動力單元增程器[1]。與純電動車相比，增程式電動車降低了對蓄電池容量的要求，通過增程器延長了續駛里程[2]；與傳統內燃機車相比，減小了發動機尺寸與功率[3]，使整車經濟性更優[4-5]。近年來，人們對其傳動系統結構優化[6-7]、動力系統參數匹配[8-9]、控制策略開發[10-11]等方面的研究逐漸深入，如何精簡增程式電動車底盤構型，減少不必要的傳動損失，進一步提高續駛里程成為目前急需解決的問題。同時，隨著對輪轂電機(in-wheel motor，IWM)電子差速[12]、制動能量回收[13]、輪轂電機驅動整車平順性[14]等方面研究的發展，輪轂電機在電動車上的應用已十分廣泛，這為輪轂電機在增程式電動車中的應用提供了基礎。另外，選擇輪轂電機代替集中式電機驅動能夠擴大底盤可利用空間，以便配置體積更大的蓄電池；選用增程器前置輪轂電機后驅的動力系統構型，軸荷分配合理，因而有利于提高輪胎的使用壽命。上坡行駛時，因后輪上的附著力增加，故爬坡能力強；在特定工況下斷開發動機與發電機之間的連接，發動機直接將動力傳輸給前軸，此時整車轉化為四驅模式，通過性得以進一步提升。

基于輪轂電機應用于電動車以及增程器前置布置的優勢，本文提出了一種發動機前置輪轂電機后驅的增程式電動車新構型，完成了對動力系統，包括輪轂電機、蓄電池、增程器與傳動系的參數匹配，使用MATLABSimulinkStateflow搭建基于邏輯門限值的控制策略，利用AVL Cruise搭建整車仿真模型，基于新歐洲駕駛循環(NEDC工況)對整車動力性、經濟性與控制策略進行了驗證。

1 整車構型及工作原理

1.1 整車構型

所提出的增程式電動車構型如圖1所示。增程式電動車的動力系統主要由輪轂電機、蓄電池、增程器與傳動系組成。蓄電池作為增程式電動車主要的能量源，優先使用蓄電池電能。增程器由發動機、發電機與離合器2組成，特定工況下離合器2可斷開，發電機停止工作，發動機將動力通過接合的離合器1與傳動系傳輸給前軸。

圖1 整車構型圖Fig.1 Vehicle configuration diagram

傳統增程式電動車構型如圖2所示。以前軸驅動為例，電動機、增程器與蓄電池集中布置在底盤中前部，前橋負荷較重，影響整車爬坡性能；制動工況下，由于后軸負荷小且制動時軸荷前移，容易引起后輪抱死導致整車側滑；工作模式單一，動力傳輸路線長，且高速行駛時發電機效率低。所提出的輪轂電機式增程電動車將驅動電機集成在輪轂處，擴大了地盤可利用空間以便將增程器與蓄電池均勻分布在整個底盤，軸荷分配均勻，整車動力性與安全性得以提升；通過在增程器中增添離合器和在發動機與傳動系中增添離合器的方式增加了工作模式，以便滿足復雜多變的行駛工況。高速行駛時增程器發動機可與發電機斷開連接，直接驅動前軸，減少了動力損耗，提高了經濟性。

圖2 傳統增程式電動車構型圖Fig.2 Configuration diagram of traditional extended range electric vehicle

1.2 工作模式

純電動模式(PE模式)是輪轂電機式增程電動車的主要工作模式，此模式下增程器不工作，蓄電池是唯一的能量源，輪轂電機單獨驅動。增程模式(ER模式)啟動時，離合器1斷開，離合器2接合，發動機帶動發電機發電，不起驅動作用。混合模式下(CD模式)，離合器1接合，離合器2斷開，發動機與輪轂電機共同驅動。再生制動模式(RB模式)下 ，輪轂電機工作在發電模式下，將減速過程中的動能轉換為電能儲存在蓄電池中。

本文設置輪轂電機式增程電動車的工作模式及在各模式下各部件的工作狀態如表1所示：

表1 不同工作模式下各部件工作狀態表Tab.1 Working status of components in different working modes

2 參數匹配

本文以輪轂電機式增程電動車為研究對象，整車參數及性能指標如表2所示：

表2 整車參數及性能指標Tab.2 Vehicle parameters and performance index

2.1 輪轂電機參數匹配

2.1.1 輪轂電機轉速

輪轂電機轉速參數的確定包括最高轉速與額定轉速的計算。外轉子輪轂電機與車輪之間無傳動系統連接，車輪轉速即為輪轂電機轉速：

(1)

式中，nmax為電機最高轉速；R為車輪半徑。其他符號同上文。

電機的額定轉速與最高轉速之間滿足公式(2)：

(2)

式中，ne為額定轉速；β為擴大恒功率區系數。其他符號同上文。

2.1.2 輪轂電機功率

輪轂電機功率參數的計算包括峰值功率與額定功率的確定，電機的功率參數選擇越大，整車的動力性能越好，但同時電機的體積和質量也會隨之增大。一般情況下，電機的額定功率Pe由最高車速確定；電機的峰值功率Pmax應同時滿足整車最高車速行駛、最大爬坡行駛和加速過程對整車功率的需求：

(3)

(4)

(5)

Pmax=max{Pmax1,Pmax2,Pmax3},

(6)

式中，Pmax1、Pmax2、Pmax3分別為整車以最高車速行駛、最大爬坡行駛與以最大加速度加速時電機的需求功率；ηt為傳動系效率；g為重力加速度；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；imax為最大爬坡度；v0為爬坡車速；vm為加速過程末速度；δ為旋轉質量轉換系數；tm為加速時間；x為擬合系數。其他符號同上文。

2.1.3 輪轂電機轉矩

電機額定轉矩和峰值轉矩為：

(7)

(8)

式中，Te為電機額定轉矩；Pe為電機額定功率；Tmax為電機峰值轉矩；Pmax為電機峰值功率；n0為電機基速。

由上述計算，輪轂電機的基本參數如表3所示:

表3 輪轂電機基本參數表Tab.3 Basic in-wheel motor parameters

2.2 蓄電池參數匹配

蓄電池是增程式電動車主要的能量源，電池的參數匹配包括蓄電池類型的選擇、電池組電壓、單體數目、電池組最大充放電功率與電池組容量的確定。

增程式電動車要求蓄電池有較高的比功率和比能量，循環使用壽命長，安全性能好、綠色環保[15]。本文選用三元鋰電池作為整車的動力電池。

2.2.1 功率要求

蓄電池容量應滿足整車最大功率的需求：

(9)

(10)

式中，Pout-max為蓄電池最大放電功率；ηmc為電機及控制器效率；Pacc為電附件功率；Cp為滿足功率需求下的電池容量；Kout為電池最大放電倍率；Um為蓄電池直流母線電壓。

2.2.2 能量要求

蓄電池儲存的電能應能滿足用戶日常行駛里程的要求。統計結果表明，城市居民每天駕駛行程不超過50 km的用戶約占70 %[16]。考慮到特殊情況與電池過充過放的問題，選取增程式電動車在純電動模式下的行駛里程d1=70 km。

(11)

(12)

式中，Ebat為滿足續駛里程下蓄電池提供的能量；CE為電池組滿足能量要求下的容量；DOC為放電深度；ηb為電池放電效率；ηa為汽車附件能量消耗比例系數；ν為日常駕駛速度；d1為純電動模式下整車續駛里程。其他符號如上文。

蓄電池的容量Cbat應取二者最大值：

Cbat=max{Cp,CE},

(13)

式中，各符號同上文。

蓄電池容量的選擇還應保證增程式電動車在家庭電網條件下，充分利用夜間谷值電價通過慢充模式充電，降低充電成本。尤其是可對電池深度充電，提升電池充放電效率，延長電池壽命。電動車慢充模式下充電電流在16～32 A，整車充電過程可在6h左右完成[17]。

蓄電池最大充電功率為：

(14)

式中，Pin_out為最大充電功率；Uc為充電電壓；Kin為最大充電倍率。其他符號同上文。

由上述計算，蓄電池基本參數如表4所示：

表4 蓄電池基本參數表Tab.4 Basic battery parameters

2.3 增程器參數匹配

增程器開啟后，整車進入延長蓄駛里程模式。此時整車常處于高速巡航狀態，因此增程器發電機的選型設計中按照汽車的最高車速來初步選擇發電機功率[18]，由公式(3)計算得到發電機額定功率PRE=48 kW，發電機額定功率與峰值功率之間滿足公式(15)：

(15)

式中，Pmax為發電機峰值功率；PRE為發電機額定功率；λ為電機過載系數。

增程器發動機參數的匹配還需保證發動機可單獨驅動整車運行。發動機功率與發電機功率滿足公式(16)：

(16)

式中，Peng為發動機額定功率；PRE為發電機額定功率；ηg為發動機—發電機傳輸效率。

初步選擇傳動系傳動比為3.6，由公式(17)與公式(2)計算發動機最高轉速與額定轉速：

(17)

式中，neng-max為發動機最高轉速；i為傳動系總傳動比。其他符號同上文。

由公式(7)可計算得到發動機轉矩參數。

油箱的體積由增程器提供的續駛里程確定：

(18)

式中，V為油箱容積；d2為增程模式下整車續駛里程；be為燃油消耗率；vl為增程模式下行駛車速；ρ為92#汽油密度。其他符號同上文。

經計算，選擇發動機參數如表5：

表5 發動機基本參數表Tab.5 Basic engine parameters

増程器發電機與發動機機械連接，其參數的選擇應保證發電機能在發動機所有運行區域運行，并且在發動機高效區對應的發電機工作區域效率較高[17]。結合發動機萬有特性圖，選擇發電機參數情況如表6。

表6 發電機基本參數表Tab.6 Basic generator parameters

圖3為發動機萬有特性圖，圖4為發電機效率圖，由圖3、圖4可知，發電機高效率區轉速范圍為2 500～4 000 r/min，對應轉矩范圍為40～50 N·m。此轉速轉矩范圍為發動機燃油經濟區域。

圖3 發動機萬有特性圖
Fig.3 Universal characteristic diagram of engine

圖4 發電機效率圖
Fig.4 Generator efficiency diagram

2.4 傳動系傳動比

傳動系傳動比最大值應滿足發動機單獨驅動時最高車速的要求，最小值滿足最大爬坡度的要求：

(19)

(20)

式中，i為傳動系傳動比；Tmax為發動機最高轉矩；α為最大爬坡角度。其他符號同上文。

計算得傳動系傳動比范圍為：1.438≤i≤4.147。所設計傳動系設置為兩擋式。兩擋間傳動比比值過大會造成換擋困難，不宜大于1.7～1.8[19]。因此選擇兩擋傳動比i1=2.125，i2=3.6。

2.5 匹配結果

經過上文的計算，得到輪轂電機式增程電動車動力系統參數匹配情況如表7所示：

表7 動力系統參數匹配表Tab.7 Matched dynamic system parameters

3 仿真與分析

動力系統構型和參數確定后，基于AVL Cruise仿真軟件，對匹配的動力系統參數和開發的控制策略進行仿真驗證與分析。

3.1 仿真模型建立

依照圖1中整車構型，在AVL Cruise軟件中搭建整車模型，并將整車基本數據與匹配參數填入初步建立的模型中。

3.2 整車控制策略的開發與搭建

基于增程電動車的結構，將增程電動車的工作模式分為純電動模式、增程模式、混合驅動模式與再生制動模式。四種行駛模式的切換采取了基于邏輯門限值的控制策略，控制策略流程圖如圖5所示。

圖5 控制策略流程圖Fig.5 Control strategy flow chart

圖5中，SOCmin為蓄電池SOC最低值，蓄電池SOC低于SOCmin時，增程模式開啟；SOCmax為蓄電池SOC最大值，增程模式下，蓄SOC值到達80 %時增程模式關閉；vl為混合模式開啟門限值，取值80 km/h。當車速高于vl時，發電機關閉，離合器2斷開，離合器1接合，發動機與輪轂電機共同驅動整車行駛；Fb_req為需求制動力，Fb_e為電機提供最大制動力。當電機制動力可滿足最大制動力需求時，選擇再生制動模式。當電機制動力不足時，選擇再生制動與機械制動混合制動模式。

3.3 仿真結果與分析

3.3.1 整車動力性能仿真分析

在AVL Cruise分別建立Maximum Velocity、Full Load Acceleration和Climbing Performance計算任務，半載情況下對整車動力性指標進行仿真分析。仿真結果如表8所示：

表8 動力性指標驗證結果Tab.8 Verification results of dynamic performance index

3.3.2 整車經濟性能仿真分析

關閉發動機與發電機，設定蓄電池初始SOC值為80 %，負載情況設置為半載，在NEDC工況下對增程式電動車在純電動模式下進行仿真。仿真結果如表9所示：

表9 純電動模式續駛里程驗證結果Tab.9 Verification results of driving range of Pure Electric Mode

圖6 NEDC工況仿真結果 Fig.6 Simulation results under NEDC operating conditions

驗證增程模式下續駛里程時，負載情況設置為半載，蓄電池初始SOC值設置為29.9 %，使工況開始時整車便處于增程模式。在NEDC工況下對增程式電動車進行增程模式續駛里程仿真驗證。整車車速與電池SOC隨時間變化情況如圖6所示。由圖6可知，蓄電池初始電量為29.9 %，增程模式啟動，增程器驅動輪轂電機的同時給蓄電池充電；第215s時蓄電池SOC上升到80 %，增程模式關閉，純電動模式開啟；直至1 042 s，車速高于80 km/h，混合驅動模式開啟，蓄電池電量繼續下降；第1 180 s時仿真結束，電池電量下降至35.27 %。

根據能量守恒，將增程模式下電池充電量換算為消耗燃油體積，結合行駛距離、燃油消耗量與增程式電動車的油箱容量，可計算NEDC工況下增程模式續駛里程情況如表10。

表10 續駛里程驗證結果Tab.10 Verification result of driving range

NEDC工況下，輪轂電機輸出轉矩如圖7。電機最大輸出轉矩為298 N·m。車速高于80 km/h時，發動機與輪轂電機共同驅動，電機輸出轉矩降低。

由圖8可見，NEDC工況下，發動機的工作點分布于其燃油經濟區。增程模式下，在發動機工作點處輸出轉矩為115 N·m轉速范圍為3 000 r/min；混合驅動模式下，在發動機工作點處輸出轉矩在95～105 N·m之間，輸出轉速在2 500～3 500 r/min之間。

圖7 NEDC工況下電機轉矩圖
Fig.7 Torque Diagram of Motor under NEDC working condition

圖8 發動機工作點分布圖
Fig.8 Distribution map of engine operating points

3.3.3 控制策略仿真驗證

在AVL Cruise中自設工況驗證控制策略，仿真結果如圖9。蓄電池初始SOC值設置為80 %，整車在純電動模式下由靜止狀態緩慢加速，此階段蓄電池SOC下降，增程器不工作，發動機轉矩為0。第4 658 s蓄電池電量降至30 %，純電動模式關閉，增程模式開啟。此階段增程器開啟給蓄電池充電，蓄電池SOC上升，增程器采取恒溫控制策略，發動機轉矩穩定。車速上升至80 km/h時，混合驅動模式開啟，蓄電池電量下降，發電機關閉，發動機向前軸提供動力。

圖9 控制策略驗證結果Fig.9 Verification results of control strategy

4 結語

傳統增程式電動車動力系統布置困難，軸荷分配不合理且動力傳輸路線長，其動力性與經濟性均會受到影響。因此，研究合理的增程式電動車構型并對其進行參數匹配具有重要意義。

① 提出了增程器前置輪轂電機后驅、特定工況下增程器發動機可作為驅動裝置驅動前軸的新型增程式電動車構型，并對整車動力系統，包括輪轂電機、蓄電池、增程器與傳動系進行參數匹配。該構型具有整車軸荷分配合理，底盤空間利用率高，高速工況下動力傳輸路線短，動力傳輸損耗小的優點。

② 基于MATLABSimulinkStateflow搭建了一種基于邏輯門限控制策略模型，基于MATLAB API接口與AVL Cruise完成了聯合仿真。仿真結果表明，整車動力性指標與經濟性指標均達到設定值；由發動機外特性曲線圖與其工作點分布圖可知，增程器發動機保證增程模式與混合驅動模式下整車動力性的前提下，工作點分布于燃油經濟區，提高了增程器發動機的燃油經濟性。

③ 提出的輪轂電機式增程電動車構型以及匹配的動力系統參數能夠很好地解決傳統增程式電動車軸荷分配不合理等問題，并對提高增程式電動車的動力性與經濟性具有重要參考價值。