增程式電動汽車動力系統參數匹配與仿真分析*

□ 宋金龍

廈門大學嘉庚學院 機電工程學院 福建漳州 363105

1 研究背景

環境污染與能源枯竭是各個國家急需解決的問題,發展新能源汽車是解決環境污染與能源枯竭問題的一種主要途徑[1-3]。2018年,我國新能源汽車累計銷售122萬輛。其中,純電動汽車的銷量占有比較大的比例[4]。然而,續駛里程不足、充電設施不完備等問題仍然制約著純電動汽車的發展[5-6]。增程式電動汽車能夠有效改善續駛里程短、充電時間長等問題,與燃油汽車相比,具有發動機工作點恒定、燃油利用率高等優點,并且可以有效改善污染物排放問題[7-8]。

純電動汽車的動力只來源于動力電池,增程式電動汽車的動力來源除動力電池外,還有增程器。增程器并沒有直接驅動汽車,所以增程式電動汽車的燃油消耗和污染物排放與燃油汽車相比均較低。對增程器的參數進行匹配,以及對發動機的工作點進行選取,是降低燃油消耗,減少污染物排放的關鍵點[9-10]。

筆者對某款增程式電動汽車的驅動電機與增程器進行參數匹配,在保證整車續駛里程的基礎上,通過計算機軟件對增程器工作點進行優化,以降低整車燃油消耗,減少污染物排放。

2 增程式電動汽車工作原理

純電動汽車的結構主要包括三部分:電機、電池、電控,增程式電動汽車在此基礎上增加了增程器。增程器由發動機和發電機組成,工作模式有純電動模式和增程模式兩種[11]。

增程式電動汽車的結構框圖如圖1所示。驅動電機是增程式電動汽車的唯一驅動部件,動力電池是主要動力源。動力電池的電荷狀態是整車工作模式轉換的主要判斷依據。在動力電池電荷量比較充足時,整車行駛在純電動模式下,由動力電池提供動力。當動力電池電荷量低于45%時,整車行駛在增程模式下,增程器開始工作,為動力電池充電,直到動力電池電荷量達到60%,增程器停止工作。

圖1 增程式電動汽車結構框圖

3 動力系統參數匹配

3.1 關鍵部件參數

筆者選取的某款增程式電動汽車關鍵部件參數見表1。

表1 增程式電動汽車關鍵部件參數

根據國家對混合動力汽車性能的相關要求與城市客車的運行工況,確定整車動力性和經濟性設計指標,見表2。

表2 整車性能指標

3.2 驅動電機匹配

驅動電機需要滿足整車動力性指標:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Pemax1為最高車速時的需求功率;Pemax2為最大加速度時的需求功率;Pemax3為最大爬坡度時的需求功率;Pemax4為坡道起步時的需求功率;ηT為傳動系統效率;m為整車質量;ua為車速;uamax為最高車速;A為迎風面積;I為爬坡度;g為重力加速度;a為車輛加速度;δ為旋轉質量換算因數。

驅動電機的峰值功率需要同時高于Pemax1、Pemax2、Pemax3、Pemax4。

旋轉質量換算因數δ取1.07,代入相關參數計算得到Pemax1為99.71 kW,Pemax2為35.65 kW,Pemax3為111.58 kW,Pemax4為210.96 kW。由于整車在行駛過程中還存在其它損耗,因此驅動電機的峰值功率取250 kW。

驅動電機的轉速需要滿足最高車速時要求:

v=2πrn/i

(5)

(6)

ne=nmax/β

(7)

式中:v為車速;r為輪胎半徑;n為電機轉速;i為主傳動比;vmax為最高車速;ne為電機額定轉速;nmax為電機最高轉速;β為擴大恒功率因數。

擴大恒功率因數β取2.84,變速箱傳動比為1,主減速器傳動比為4.9,主傳動比i為4.9,代入相關參數,計算得到驅動電機的最高轉速nmax不低于2 619 r/min,額定轉速ne不低于922 r/min。

驅動電機的主要參數見表3。

表3 驅動電機主要參數

3.3 增程器匹配

增程器是增程式電動汽車增加續駛里程的主要部件,輸出功率需要滿足固定車速的動力性需求。在我國城市公交工況下,平均車速為22.77 km/h,車輛行駛速度大部分時間低于40 km/h[12-13]。因此,整車固定車速取30 km/h,此時增程器輸出功率Pe為:

(8)

代入相關參數,計算得到增程器輸出功率Pe為22.3 kW。由此可選定發動機的額定功率為45 kW,發動機的峰值功率為60 kW,發電機的峰值功率為63 kW。

4 整車仿真分析

4.1 整車模型

筆者采用AVL Cruise軟件搭建增程式電動汽車整車模型。發動機的最高輸出功率為60 kW,發動機在各種工況下所需點火控制曲面圖如圖2所示。由圖2可知,發動機轉速為2 700 r/min左右時具有比較高的燃油經濟性。發電機扭矩轉速效率曲面圖如圖3所示。由圖3可知,發電機轉速為3 000 r/min時效率可以達到90%,由此增程器中發動機的工作點選取3 000 r/min。

圖2 發動機所需點火控制曲面圖

圖3 發電機扭矩轉速效率曲面圖

4.2 經濟性

筆者對搭建的增程式電動汽車整車模型在新標歐洲循環測試工況下進行經濟性仿真,運行結果如圖4、圖5所示。

圖4 仿真運行結果

由圖4和圖5可知,在新標歐洲循環測試工況運行中,整車的最高實時仿真車速與新標歐洲循環測試工況的最高時速不符,主要原因是該車為大型公交車,最高設計車速為80 km/h。在中低速階段,整車仿真時速與新標歐洲循環測試工況時速一致。通過仿真結果可知,整車的續駛里程為81.6 km,百公里燃油消耗為16.59 L,仿真結束時電池剩余電荷量為20%。

圖5 續駛里程仿真結果

4.3 動力性

增程式電動汽車整車模型的爬坡度仿真結果如圖6所示。由圖6可知,增程式電動汽車的最大爬坡度可以達到16.47%。由此可得最高車速可以達到84 km/h,0～50 km/h的加速時間為22.91 s。仿真結果符合整車動力性設計目標,即動力系統的匹配方案可行。

圖6 爬坡度仿真結果

增程式電動汽車的主要優勢是節能減排,為了進一步降低增程式電動汽車的燃油消耗,減少污染物排放,筆者將對增程器的工作點進行優化。

5 增程器工作點優化

筆者通過計算機軟件聯合仿真,對增程器的工作點進行優化。采用非支配排序遺傳算法對增程器工作點進行優化,以發動機轉速為優化變量,以最低的燃油消耗和最少的污染物排放為優化目標,以續駛里程和整車動力性為約束條件。在Isight軟件中,simcode模塊集成了批處理文件。通過批處理文件調用AVL Cruise軟件,實現增程式電動汽車仿真,同時實現AVL Cruise軟件與Isight軟件的數據交換。

優化后發動機的轉速為1 320 r/min,百公里燃油消耗為6.58 L,續駛里程為82.6 km,仿真結束時的電池剩余電荷量為20%。

發動機轉速與燃油消耗之間的關系如圖7所示,圖中綠色表示最佳工作點,紅色表示不滿足要求的工作點,藍色表示滿足要求的工作點。由圖7可知,對于增程式電動汽車而言,增程器的最佳工作點并不在圖2中經濟性比較高的轉速范圍內,可見增程器工作點的選取對整車燃油消耗及污染物排放具有重要影響。

圖7 發動機轉速與燃油消耗關系

6 結束語

筆者通過對某款增程式電動汽車增程器的工作點進行優化,使整車在滿足續駛里程的條件下,燃油消耗得到極大改善。優化后,燃油經濟性得到極大提高,百公里燃油消耗降低了60.3%。對增程器工作點的研究,可以進一步降低增程式電動汽車燃油消耗,減少污染物排放,具有較高的應用價值。