某增程式電動公交車性能開發(fā)與試驗研究

黎程　杜志良　張有

摘 要：增程式電動汽車是新能源汽車領(lǐng)域一個重要分支。增程式電動汽車的研發(fā)應(yīng)主要關(guān)注兩點(diǎn)，第一是動力系統(tǒng)的選型和匹配，第二是整車控制邏輯的制定與策略的優(yōu)化。如果設(shè)計恰當(dāng)，可同時滿足整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。文章以某自主研發(fā)增程式電動公交車為研究對象，進(jìn)行實(shí)車性能研究與驗證，取得了較好的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：增程式電動汽車;驅(qū)動模式;性能開發(fā);整車試驗

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）11-01-04

Abstract：?Extended-range electric vehicle is an important categoryof new energy vehicles. The design and research of the extended-range electric vehicle mainly focus on two points.?The first isthe matchingand selection of the main powertrain systemand the second is the vehicle control logic development and strategy optimization. If the design is suitable， we can meet the vehicle power and economic indicatorrequirements. In this paper， an independent research and development of electric vehicles is used as the research objectto obtainthe actual vehicle performance research and verification. And the testachieved good and expected results.

Keywords： Extended-range electric vehicle;?Matching;?Performance research;

Vehicle testCLC NO.：?U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）11-01-04

引言

隨著電動汽車越來越多的走入人們的生活，國內(nèi)電動汽車的研發(fā)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。增程式電動車以其獨(dú)特的工作特性逐漸進(jìn)入人們的視野。

增程式電動汽車可以看作是串聯(lián)式混合動力向純電動方向的延伸。增程式電動汽車采用驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動車輪，以動力電池為主要能量來源，而發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成輔助發(fā)電單元（以下簡稱APU），當(dāng)電池電量不足時向驅(qū)動電機(jī)提供電能，從而延長車輛續(xù)駛里程。

在能量管理方面，傳統(tǒng)混合動力以優(yōu)化發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)，提高混合動力經(jīng)濟(jì)性為主要目的，而增程式電動汽車則同時兼顧提高混合動力經(jīng)濟(jì)性和增加電池能量使用兩方面。因此，相比于傳統(tǒng)混合動力，增程式電動汽車能夠更大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排。而相對于純電動車，增程式電動汽車可以通過APU的工作，彌補(bǔ)由于電池能量密度較低導(dǎo)致續(xù)駛里程不足的缺陷，同時在電池電量較低時保證車輛行駛的動力性，防止對動力電池進(jìn)行深充深放。

本文以某自主研發(fā)增程式電動公交車為研究對象，使用AVL-CRUISE 軟件建立整車動力總成模型，在MATLAB/ SIMULINK 中建立控制策略模型，對所匹配的整車模型進(jìn)行動力性與經(jīng)濟(jì)性仿真，并通過實(shí)車試驗完成了對樣車性能的驗證。

1 增程式電動汽車結(jié)構(gòu)與原理

增程式電動汽車是在純電動汽車基礎(chǔ)上裝備一個輔助發(fā)電機(jī)組以備電池電量不足時為驅(qū)動電機(jī)、電池組提供電能，因此增程式電動汽車可以利用電網(wǎng)進(jìn)行充電，所以增程式電動汽車要優(yōu)先使用廉價的電能驅(qū)動，在需要額外動力補(bǔ)充時，開啟發(fā)電機(jī)組，并使得發(fā)動機(jī)工作于最佳工作點(diǎn)，帶動發(fā)電機(jī)工作，輸出的電能通過功率轉(zhuǎn)換器，傳送到電機(jī)或者動力電池，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。行駛過程中，由整車控制器（以下簡稱VCU）解析踏板開度信號、檔位信號和鑰匙開關(guān)信號，對駕駛員意圖進(jìn)行識別。車輛在各工種模式之間自動切換。

增程式電動汽車的動力系統(tǒng)部件較多，相對純電動車增加了 APU、油箱等，相對傳統(tǒng)汽車增加了動力電池組及控制器。增程式電動汽車在動力總成布置方面考慮因素較多，既要保證緊湊和美觀，又要解決好諸如?APU 振動噪聲、動力電池安全防護(hù)與熱管理、保養(yǎng)維護(hù)以及軸荷的分配等技術(shù)問題。

增程式電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

根據(jù)增程式客車自身的使用特點(diǎn)和工況特點(diǎn)，包括其作為城市公交車、單位班車或者城際短途用車等，需要考慮的因素主要有：城市的空氣污染，噪聲污染，車輛的頻繁啟停加減速及低速行駛，制動能量回收等。為了充分利用電能，合理分配功率，使驅(qū)動電機(jī)和發(fā)動機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)，增程式電動汽車制定了以下幾種運(yùn)行模式。

1.1 電池組單獨(dú)驅(qū)動模式

增程式電動汽車的電池組驅(qū)動模式即純電動驅(qū)動模式，此時電池電量能夠滿足整車功率需求，APU 不工作，電能傳遞到驅(qū)動電機(jī)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，經(jīng)傳動系統(tǒng)到達(dá)車輪。電池組單獨(dú)驅(qū)動模式下，整車運(yùn)行噪聲小，平穩(wěn)，完全符合當(dāng)今城市對新能源汽車的要求。

1.2 APU與電池組共同驅(qū)動模式

當(dāng)整車的牽引功率較大，動力電池由于電量和自身輸出電流的限制，此時的驅(qū)動能量可由 APU 和電池組共同提供，APU 輸出電能與電池組輸出的能量一起傳遞到電動機(jī)。兩者共同驅(qū)動的好處是可以避免電池過放電，并且能達(dá)到更大的驅(qū)動能力。

1.3 APU驅(qū)動且充電模式

這一運(yùn)行模式充分體現(xiàn)了增程式電動汽車的兩套動力系統(tǒng)相比于純電動汽車的優(yōu)勢，在電池組的電量接近下限時，APU 作為主要動力源，既驅(qū)動整車的運(yùn)行又給電池組充電。

1.4 再生能量回收模式

由客車的運(yùn)行工況可知，在城市中客車會頻繁的減速停車，此時的回收能量對于節(jié)約能源有重要意義。進(jìn)行能量回收時，驅(qū)動電機(jī)工作模式相當(dāng)于一臺發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能向電池組供電，制動能量回收將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽鎯Φ诫姵刂小?/p>

2 增程式電動公交車性能開發(fā)

2.1 樣車配置選型

根據(jù)增程式電動汽車動力系統(tǒng)構(gòu)造原理，結(jié)合樣車性能開發(fā)指標(biāo)要求，通過AVL-CRUISE軟件自帶的各組件模塊建立整車模型并進(jìn)行整車性能仿真，建模示意圖見圖2。

為滿足性能開發(fā)目標(biāo)，如最高車速、加速性、節(jié)油率及純電續(xù)駛里程等的指標(biāo)要求，結(jié)合現(xiàn)有整車及總成資源經(jīng)計算，最終確定選型表見表1，驅(qū)動電機(jī)外特性及效率特性見圖3。

2.2 增程器工況點(diǎn)設(shè)計

APU發(fā)電工況如何設(shè)計將直接影響到整車油耗的大小。通過油耗儀測試發(fā)動機(jī)小時油耗量，功率分析儀測試增程器輸出電壓、電流，使用CAN通訊設(shè)備監(jiān)控發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出扭矩，搭建起一整套增程器性能試驗平臺。通過測試，繪制油耗功率比萬有特性圖，如圖4所示。

通過萬有特性圖可以直觀的得出如下結(jié)論：為使APU發(fā)電工況運(yùn)行在高效區(qū)，發(fā)電機(jī)功率應(yīng)在14kW至18kW之間選取，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)在1800r/min至2400r/min之間選取。綜合增程器NVH性能，選取發(fā)動機(jī)功率為16kW，轉(zhuǎn)速為2100r/ min。

3 性能驗證

對原型燃油車型進(jìn)行基本性能試驗，以獲得整車性能數(shù)據(jù)，試驗包括整車動力性、經(jīng)濟(jì)性及主觀評價等。在保證試驗條件相同的前提下，進(jìn)行增程式電動車型性能試驗驗證。獲得增程式電動車型的整機(jī)基本性能數(shù)據(jù)，對比分析樣車性能的優(yōu)劣，為后續(xù)改進(jìn)及項目結(jié)項提供依據(jù)。

增程式電動汽車性能驗證包括功能性驗證試驗，動力性及經(jīng)濟(jì)性驗證試驗。功能性驗證主要驗證APU、電池及驅(qū)動電機(jī)協(xié)同工作的能力，電池充放電功能、驅(qū)動電機(jī)動力輸出功能及制動能量回收功能。動力性驗證主要驗證車輛的加速性能。經(jīng)濟(jì)性驗證主要驗證車輛在公交工況下與傳統(tǒng)燃油車型之間的能耗差異。

3.1 功能性驗證

功能性驗證分為加速、減速及自由駕駛?cè)齻€工況，通過測試可以得出如下結(jié)論：

全油門加速過程中，整車控制器VCU能夠控制電池能量平穩(wěn)釋放。經(jīng)8秒使驅(qū)動電流從0增加到100A，最終控制電流穩(wěn)定在80A附近。當(dāng)車速達(dá)到最大限速100km/h時，驅(qū)動電流減少至40A附近，使車輛穩(wěn)定行駛在最大限速狀態(tài)。制動過程中，整車控制器VCU能夠控制驅(qū)動電機(jī)以接近40A的電流回收制動能量，如圖5所示。

自由駕駛過程中，整車控制器VCU能夠?qū)崿F(xiàn)控制APU與電池組共同驅(qū)動整車行駛的功能，電池作為儲能裝置非常自如的進(jìn)行充放電切換。當(dāng)車輛加速時，電池放電以達(dá)到助力作用，當(dāng)車輛減速時，電池充電，以達(dá)到回收能量的作用，如圖6所示。

3.2 動力性驗證

增程式電動汽車不僅能單獨(dú)使用電池組放電模式進(jìn)行行駛，同時可以讓APU與電池聯(lián)合供電使車輛獲得更快的加速度。為驗證車輛的動力性能，僅測試單獨(dú)使用電池組放電模式車輛的加速時間來評判，如圖7所示。0到50km/h滿載加速時間為10s，且加速平穩(wěn)。與傳統(tǒng)燃油車相比，加速時間慢2.7s。加速性能滿足項目開發(fā)要求。

3.3 等速工況油耗試驗

通過等速60km/h工況油耗試驗可以看出，與傳統(tǒng)燃油車型相比，增程式電動汽車并無明顯優(yōu)勢。見表2，表3所示。車輛在等速行駛狀態(tài)增程式電動汽車制動能量回收的功能無法體現(xiàn)，而驅(qū)動車輛行駛的能量需求卻是相同的。從能量的轉(zhuǎn)化效率方面來講，增程式電動車型與匹配較好的傳統(tǒng)燃油車相比差異不大。

3.4 中國典型城市公交循環(huán)工況油耗試驗

在車輛的應(yīng)用領(lǐng)域城市公交工況非常惡劣，車輛在運(yùn)行過程中必需面對頻繁的停車，加速及減速工況。對于傳統(tǒng)燃油汽車，在面對上述工況時表現(xiàn)非常糟糕，發(fā)動機(jī)不僅難以運(yùn)行在高效區(qū)，反復(fù)的加減速也使發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，壽命降低，排放污染增加。增程式電動汽車非常好的解決了傳統(tǒng)燃油汽車在城市公交工況中遇到的諸多問題。

根據(jù)國標(biāo)《GB/T 19754-2015重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》對樣車進(jìn)行中國典型城市公交循環(huán)工況能量消耗量測試，試驗結(jié)果見表4，曲線見圖8，圖9。

增程式電動汽車運(yùn)行中國典型城市公交循環(huán)，百公里油耗僅8.6升，而傳統(tǒng)燃油車型百公里油耗達(dá)到16.2升，增程式電動車型的公交工況節(jié)油率達(dá)到46.9%，見圖10所示。按照油箱容積70L計算，該工況的續(xù)駛里程理論上能達(dá)到894km。

4 結(jié)論

（1）增程式電動公交車型基本性能滿足設(shè)計要求。達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（2）通過合理的動力總成選型與策略優(yōu)化，中國典型城市公交循環(huán)工況節(jié)油率達(dá)到46.9%。理論續(xù)駛里程達(dá)到894km。

（3）原地起步加速至50km/h車速，加速時間僅10s，動力性能較好。

（4）對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化選型可以達(dá)到更好的節(jié)油效果。

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