基于增程式電動汽車的房車性能研究

王祥 楊衛松 郝寶青

隨著能源與環境問題越來越多地受到政策法規的重視與影響，各種形式的新能源汽車均得到了較好的發展。增程式電動汽車是新能源汽車中的重要分支，它既可以利用純電動車的動力電池和電驅系統，同時又可以通過增加1個小排量發動機的方式，規避純電動車的里程焦慮問題，是1個非常好的方案。房車對電能的需求越來越大，這是傳統內燃機車輛所無法滿足的。基于增程式電動汽車搭建房車，可以充分發揮增程式電動汽車大電量、無里程焦慮的優勢，滿足房車對電能的需求，并且可以徹底釋放房車去營地化的客觀需求。關鍵詞：增程式;房車;性能匹配;去營地化

0 前言

能源和環境問題已成為當前汽車產業發展的兩大驅動因素，在此背景下各種形式的新能源汽車應運而生，車型主要包括混合動力、燃料電池和純電動車等。

燃料電池汽車受限于電池電堆技術的成熟度，離大規模商業的應用尚有時日;純電動車的路線由于國家的補貼而受到廣泛的歡迎，但純電動車受到電池能量密度影響，存在續航里程與整車質量之間的沖突;混合動力技術難度比較大，并依賴于混合動力變速箱的成熟度，在真實路況下的節能減排效能還需要得到時間的檢驗。

增程式電動汽車是介于純電動汽車、插電式混合動力汽車之間的動力路線。目前，增程式電動汽車受到廠商的普遍重視。大多數增程式電動汽車都是在純電動車基礎上，增加發動機、發電機，進而提高續航里程，克服純電動車的里程焦慮。該車型通過發動機和發電機來提供動力來源，以動力電池為主要輸出動力源，整個系統由電動機驅動。發動機在一般情況下不直接為車輛提供動力，僅為車輛提供電力來源。

增程式電動汽車匹配的發動機主要作用是發電[1-2]，因此可以通過發動機運行工況點的調整，實現整個系統的能耗最優化。因此，增程式電動汽車系統的效率、排放、系統穩定性等均較為理想。

同時，由于增程式電動汽車自帶發電機，因此可以減小動力電池的容量，因而減小了車重。最重要的是，增程式電動汽車徹底解決了里程焦慮的問題。增程式電動汽車同時具備了電動汽車高能量轉換效率、“零排放”、長續航里程的優點[3]。

另一方面，目前的房車大多數是由純內燃機底盤汽車改制而來。房車對生活用電的需求越來越高，這就導致房車電池電量越來越大，而電量的增大會帶來電能的補給問題，以及增加車重等問題。

增程式電動房車可以解決電池大電量、電能補給的問題。本文研究車型基于某款整備質量（GVW）為4.5 t的N2類底盤車。技術人員將該車型改制成增程式電動房車，并對其核心零部件進行了選型和匹配。通過AVL-Cruise建立仿真模型，技術人員研究了該增程式電動房車的動力性、經濟性，以及電能均衡性等問題。

1 增程式電動房車系統結構與工作模式

增程式電動房車一般由內燃機與發電機總成 （APU）、動力電池、主驅電機三大主要部件總成組成。主驅電機用于驅動汽車車輪，動力電池為電動機供電，APU總成用于車輛發電，提供額外的動力，延長行駛里程。

1.1 增程式電動房車系統結構

增程式電動房車的種類有很多種，按照驅動方式的不同，可分為串聯式、并聯式，以及串并聯混合式電動房車。

本文主要研究串聯式電動房車，這是最簡單的1種增程方式[4]。該車型的系統架構如圖1所示。其中，動力電池通過驅動電機控制器（MCU）和增程器發電機控制器（GCU）進行管理。

在這種模式下，APU總成僅提供電力來源，并且將電能儲存在電池中，而車輛前進所需要的能量來自于動力電池。串聯式增程電動房車的能量方向如圖2所示。

1.2 增程式電動房車工作模式

增程式電動房車的工作模式有分為以下幾種。

（1）純電動模式運行。在該模式下，發動機不起動，車輛前進所需要的動力來源于動力電池。

（2）純內燃機模式。在該模式下，發動機全程起動，車輛前進所需要的動力來源，以及電池充電所需要的能量，全部來自于發動機。

（3）混動模式。在該模式下，車輛前進所需要的動力一部分來自于內燃機，一部分來自于動力電池。整車控制器會根據系統能耗最優的策略，向內燃機或者動力電池提出動力分配需求。在該模式下，相對純內燃機系統，該車型的平均節油率約為20%～30%。

增程式電動房車可以根據不同的使用場景，在以上3種模式之間進行切換，從而達到系統能耗最優的目的。

目前，市場主流的增程式電動房車的動力電池匹配一般集中在2個區間：（1）電池電量大約在13～20 kW·h之間，采用功率型電池，電池放電倍率較高。該方案的主要使用場景以混動為主。（2）電池電量大約在40～50 kW·h左右，采用能量型電池，電池的放電倍率相對較低。該方案的主要使用場景以純電為主、混動為輔。

1.3 房車用電需求

隨著智能房車領域的發展，房車對電能的需求越來越高。典型的房車上配備有部分功率需求，約為3 kW左右。然而，現代房車一般需要向用戶提供7～8 h左右的生活用電，能量需求約為24 kW·h左右。因此，對于傳統內燃機而言，無論是用電功率、還是電池電量，遠遠無法滿足車型需求。加上動力性需求，此時底盤車能量需求至少為40 kW·h以上。如此大的電量需求，再結合上述增程式電動房車特點，可以看出，基于增程式架構的電動房車是最理想的選擇。

2 增程式電動房車的性能匹配

考慮到房車載質量的需求，本文以某款GVW為4.5 t的N2類增程式底盤匹配房車，其基本性能指標要求如表1所示。

如上所述，增程式電動汽車方案最核心的零部件是APU、動力電池和主驅電機。基于上述增程式車輛性能指標要求和增程式電動房車對于電量的需求，技術人員對核心零部件進行了綜合選取。

2.1 APU總成的匹配

對于串聯式增程器來說，車輛前進所需要的輪邊功率、車輛基本用電負荷、駕駛艙成員所需要制冷與制熱功率，以及房車內部用電需求等，全部來自于APU總成，即來自于內燃機與發電機、電機控制器總成[5]。合理選擇APU，直接決定了整個增程式車輛的能耗，是整個系統中最重要的部分。

針對本文研究的GVW為4.5 t的N2類車輛改制的增程式房車，技術人員經過測算，從車輪邊到電機側的機械效率η輪邊為0.95，電機效率η電機為0.90，底盤車基本的燈光、娛樂系統等負荷約為3 kW，房車內部功率需求約為3 kW，底盤車與房車內所需要的制冷、制熱功率約為4 kW，合計附件功率約為10 kW。

技術人員通過AVL Cruise搭建仿真模型，計算得出各個車速下所需要的發動機功率如圖3所示。

在實際車輛運行中，通常房車的運行車速點為80～100 km/h，基于車輛阻力、零部件效率、系統功率需求等因素，并且考慮到常見工況點下的能耗最優原則，在高效區間段，APU總成至少需要滿足50 kW左右，并且APU的輸出功率范圍應不小于81 kW。表2為常見的增程式房車APU功率需求。

2.2 主驅電機的匹配

對于主驅電機的選擇，首先需要考慮的是扭矩和功率特性，即車輛在低速時的扭矩特性、高速時的功率特性。

車輛在起步或者低速爬坡時，主要考驗的是主驅電機的低速扭矩特性，而高速功率特性則決定了車輛能達到的最高車速。兩者基本上是主驅電機選型時候，技術人員首先需要考慮的最主要因素。

針對本文中研究的增程式電動房車，技術人員通過計算在不同工況下的行駛阻力性能，確定主驅電機的最大功率、扭矩，以及驅動橋速比等核心參數，同時還需要考慮電機最高轉速限制。電機最高轉速nmax與車速之間的關系見式1。

其中，vmax為車輛最高車速，單位km/h;ig為主減速比，i0為各檔位速比。

通過AVL Cruise搭建仿真模型，技術人員計算得出各個后橋主減速比下所需要的電機最高轉速、電機最大扭矩如圖4所示。

求

綜合車輛性能需求，車輛在12%和30%爬坡坡度狀態下所需要的電機性能如表3所示。

2.3 動力電池的匹配

增程式電動房車的動力電池為驅動車輛前進的動力源。如表4所示，N2類車輛在當前法規條件下，需要滿足中國重型商用車輛瞬態車輛循環（C-WTVC）工況和等速40 km/h時的穩速純電續航的要求。結合本車型的風阻曲線和百公里電耗情況，技術人員通過AVL Cruise搭建仿真模型，計算得出本車型所需要電池電量至少應該滿足27 kW·h以上。

同時，該動力電池還需要承擔房車上的部分用電需求。如上所述，電量需求至少為40 kW·h以上。

綜合以上兩者需求，本文研究的增程式電動房車最終選擇了40 kW·h的磷酸鐵鋰電池作為該房車的動力方案。

2.4 仿真結果

根據上述原則，技術人員確定了增程式房車APU、主驅電機、動力電池等核心零部件，確定了與底盤車相關的基本參數，并利用AVL-Cruise仿真軟件搭建了增程式電動房車仿真模型。不僅如此，技術人員還確定了動力源的能量分配控制策略，設置了電池均衡荷電狀態（SOC）為50%，電池放電深度（DOD）區間為5%～95%，并搭建了仿真模型，仿真結果如表5所示。

3 總結

可以預見，在未來幾年，新能源汽車會得到充分的發展，新能源汽車及配套充電樁將逐漸增多，這為房車的研發提供了更多的可選方案。

目前，部分具有整車廠背景的房車制造商開始研究基于增程式電動汽車的新能源房車。該車型既可以利用越來越廣泛的新能源配套體系，又可以利用增程式電池容量大、發電快的特點，徹底滿足去營地化的客戶需求。這將是未來幾年房車市場發展的重要方向之一。

[1]王淵，趙歡歡.增程式電動車動力系統參數匹配及仿真[J].煤炭與化工，2015，38（1）：55-60.

[2]申彩英，李孟柯，胥帆.增程式電動車動力系統參數匹配與仿真研究[J].汽車實用技術，2013（9）：20-25.

[3]何堅強，唐慧雨，張蘭紅.電動汽車增程器關鍵技術綜述[J].電源世界，2016，12：39-43.

[4]石晶，張洋，袁志博.增程式電動汽車動力系統匹配與仿真研究[J].遼寧工業大學學報 （自然科學版）， 2013（01）：50-53.

[5]王祥，郝寶青，楊衛松.大通房車智能雙發電能管理系統[J].汽車與新動力，2020，3（6）：66-69.