增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真*

李彥晶,李萬敏,朱有地

(蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

近年來,隨著石油資源的短缺以及汽車尾氣對環(huán)境的污染,純電動汽車因其具有高效、零排放、低噪等優(yōu)點,不僅成為各國政府和汽車制造企業(yè)研究的熱點,而且也成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢,但是續(xù)駛里程短、成本高、充電時間長等缺點是限制純電動汽車進一步發(fā)展的瓶頸問題[1-2]。因此,在電池技術(shù)未取得重大突破的情況下,為解決“里程焦慮”,實現(xiàn)有限能源的充分利用,增程式電動汽車(Extended-Range Electric Vehicle,E-REV)作為純電動汽車的平穩(wěn)過渡車型,增加了純電動汽車?yán)m(xù)駛里程,降低了制造成本,是一種具有市場前景的新能源汽車[3-4]。

增程式電動汽車是在純電動汽車動力架構(gòu)的基礎(chǔ)上,加裝一個由小功率的燃油發(fā)動機和發(fā)電機組成的既能發(fā)電又能給車載動力電池充電的輔助動力單元——增程器(Range Extender,RE),增程器與動力電池協(xié)同工作,為整車提供所需功率[5-6]。增程式電動汽車動力系統(tǒng)布局目前基本都是串聯(lián)結(jié)構(gòu),其動力系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配對整車研發(fā)和控制策略有著至關(guān)重要的作用,良好的動力參數(shù)匹配可以使各運動部件處于最佳工作區(qū)域內(nèi)運行,從而提高對能源的利用率;控制策略的合理性是確保整車動力性的關(guān)鍵,也影響著整車的經(jīng)濟性和排放性[7]。

1 E-REV結(jié)構(gòu)分析

1.1 E-REV基本結(jié)構(gòu)

增程式電動汽車可被看作是一種能純電行駛里程更長的串聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu),由動力電池、驅(qū)動電機、增程器、主減速器及差速器等組成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓄電池是主要的動力源,給功率較大的驅(qū)動電機供電,驅(qū)動電機經(jīng)主減速器和差速器驅(qū)動車輪;發(fā)動機和發(fā)電機組成的RE系統(tǒng)不直接參與驅(qū)動,而是給驅(qū)動電機提供輔助功率并為蓄電池充電,增加續(xù)駛里程。當(dāng)目標(biāo)續(xù)駛里程較短時,在純電動模式下行駛;當(dāng)目標(biāo)續(xù)駛里程超過最大純電動續(xù)駛里程時,增程器啟動,進入混合驅(qū)動模式或增程模式,從而達到提高電動汽車?yán)m(xù)駛里程的目的,同時多余能量為動力電池充電;制動時,系統(tǒng)將回收制動能量,并存儲于動力電池中[8-9]。

圖1 增程式電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 E-REV基本參數(shù)及性能指標(biāo)

本文基于某純電動汽車,對該電動汽車動力系統(tǒng)進行設(shè)計,其整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)分別見表1、表2。

表1 整車基本參數(shù)

2 E-REV動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計

2.1 驅(qū)動電機的參數(shù)匹配

驅(qū)動電機是E-REV的關(guān)鍵部件,主要參數(shù)的大小影響整車的動力性和經(jīng)濟性,因此要求驅(qū)動電機既能消耗電量驅(qū)動車輪,又能在制動減速過程中回收能量,并存儲于動力電池中,以降低機械損失[10]。永磁同步電機因其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕,可在正弦交流電源或者脈寬調(diào)質(zhì)電源下運行,比較符合電動車對大功率密度的要求,因此選用永磁同步電機為本研究的驅(qū)動電機。

2.1.1 峰值功率Pmax和額定功率Pe

電機的峰值功率需要依據(jù)整車性能指標(biāo):最高車速umax、最大爬坡度imax、百公里加速時間T來匹配。

1)根據(jù)最高車速umax計算最大功率Pmax1

(1)

式中:g為重力加速度,值為9.8 m/s2。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1),計算得到最高車速-峰值功率圖,如圖2所示。

圖2 最高車速-峰值功率

2)根據(jù)最大爬坡度imax計算最大功率Pmax2

(2)

αmax=tan-1(imax)

(3)

式中:ui為車輛爬坡時的穩(wěn)定車速,值為25 km/h;αmax為最大坡道角,將imax代入公式(3)計算,值為16.7°。

將相關(guān)參數(shù)代入式(2),計算得到如圖3所示的最大爬坡度-峰值功率圖。

圖3 最大爬坡度-峰值功率

3)根據(jù)百公里加速時間T計算最大功率Pmax3

(4)

式中:uf為百公里加速末時刻車速,值為100 km/h;ub為電機基速點對應(yīng)的車速,值為45 km/h。

將相關(guān)參數(shù)代入式(4),計算得到如圖4所示的百公里加速時間-峰值功率圖。

圖4 百公里加速時間-峰值功率

驅(qū)動電機的峰值功率應(yīng)同時滿足以上三種動力性能指標(biāo)的要求,即

Pmax≥max(Pmax1、Pmax2、Pmax3)

所以應(yīng)匹配的峰值功率Pmax為128 kW。

驅(qū)動電機的額定功率Pe為:

(5)

式中:λ為過載系數(shù),值為1.8,所以,電機的額定功率為71 kW。

2.1.2 峰值轉(zhuǎn)速nmax和額定轉(zhuǎn)速ne

電機的額定轉(zhuǎn)速是指電機效率較高,且使用頻率較高的區(qū)域。本文設(shè)計的電動汽車主要行駛在蘭州市城市道路工況下,表3為三種典型工況特性[11]。

表3 三種典型工況特性

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計,蘭州市城市工況常用車速區(qū)間為30～50 km/h,此車速區(qū)間為高速高頻區(qū)間,車輛是以較高速行駛,相應(yīng)電機的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間為2600～ 4100 r·min-1。所以依據(jù)電機的高速高效區(qū)與車輛的車速高頻區(qū)相重合的原則,驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速ne為4000 r·min-1。

驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)速nmax:

(6)

將參數(shù)代入式(6)得nmax=7806 r·min-1,取整為nmax=7900 r·min-1。

2.1.3 峰值轉(zhuǎn)矩Tmax和額定轉(zhuǎn)矩Te

電機的峰值轉(zhuǎn)矩Tmax:

(7)

電機的額定轉(zhuǎn)矩Te:

(8)

代入?yún)?shù)計算得:

Tmax=306 N·m;Te=170 N·m。

根據(jù)以上分析,電機匹配的主要參數(shù)見表4。

表4 電機主要匹配參數(shù)

2.2 動力電池的參數(shù)匹配

2.2.1 電壓匹配

動力電池的電壓Ub應(yīng)滿足峰值功率和附件功率需求,即

(9)

式中:Pac為車輛上其他附件的功率,值為4.0 kW;UMe為驅(qū)動電機額定電壓,值為317 V;R為動力電池的內(nèi)阻,值為0.0023 Ω。

代入?yún)?shù)計算,并參考GB/T18488.1—2015標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電源電壓等級的規(guī)定,所以選擇動力電池的額定電壓Ub=317 V。

2.2.2 功率需求容量匹配

動力電池滿足峰值功率需求容量Cp,即

(10)

式中:k為電池最大放電率,值為6.5h-1;ηMc為驅(qū)動電機的效率,值為0.9。

經(jīng)計算得功率需求容量Cp=71 A·h

2.2.3 能量需求容量匹配

根據(jù)GB/T18386—2021標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,動力電池的總能量應(yīng)滿足純電動續(xù)駛的能量需求,即

(11)

式中:ua為車輛勻速行駛時的速度,值為90 km/h;Db為電池放電深度,值為0.8;S1為純電動續(xù)駛里程,值為80 km;ηb為電池的放電效率,值為0.95;ηa為車輛其他附屬部件的能耗比例,值為0.2。

代入數(shù)據(jù)計算得能量需求容量CE=34 A·h

動力電池容量C:

(12)

所以動力電池容量C值為71 A·h。

綜合以上,動力電池主要匹配參數(shù)見表5。

表5 動力電池主要匹配參數(shù)

2.3 增程器參數(shù)匹配

E-REV用發(fā)動機功率小,電機和電池功率較大,電池可通過電網(wǎng)充電[12]。發(fā)動機-發(fā)電機驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)匹配決定了整車燃油經(jīng)濟性和續(xù)駛里程。

2.3.1 發(fā)動機功率匹配

E-REV發(fā)動機選型時要考慮動力系統(tǒng)特點和成本等因素,因此本文研究選用小型化、低排放、經(jīng)濟性的四沖程汽油發(fā)動機作為E-REV的發(fā)動機。發(fā)動機不直接驅(qū)動車輪,當(dāng)動力電池SOC達到下限時,要求發(fā)動機工作在其MAP圖對應(yīng)的高效低排放區(qū)內(nèi),能保證車輛繼續(xù)以ua勻速穩(wěn)定行駛,并能提供一定的爬坡功率、附件功率和充電功率等[13],因此發(fā)動機輸出功率Pe為:

(13)

式中:ηg為發(fā)電機效率,值為0.92。

將參數(shù)值代入式(13),計算得發(fā)動機輸出功率Pe≥23 kW。

2.3.2 發(fā)動機油箱匹配

為了滿足E-REV增程工作模式續(xù)駛里程需求,發(fā)動機油箱容積為:

(14)

式中:S為增程模式續(xù)駛里程,值為400 km;be為發(fā)動機最佳燃油消耗率,值為230 kW·h;ρ為汽油密度,值為0.752 kg/L。

代入?yún)?shù)值計算得V=32 L。

2.3.3 發(fā)電機匹配

發(fā)電機額定功率Pg:

Pg=ηgPe

(15)

代入?yún)?shù)值計算得Pg=21 kW。增程器匹配的主要參數(shù)見表6。

表6 增程器主要匹配參數(shù)

3 建模與動力性仿真

3.1 建立整車模型

根據(jù)已知車型數(shù)據(jù)及參數(shù)匹配值,在Cruise仿真軟件中搭建整車模型,如圖5所示。

圖5 整車模型

3.2 仿真分析

為了驗證E-REV動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性,需對整車模型進行動力性仿真,仿真結(jié)果如圖6所示:車輛以25 km/h行駛時,最大爬坡度為33.8%,滿足最大爬坡度30%的設(shè)計要求;從0加速到100 km/h時,加速時間為10.76 s,車輛的最高車速為142.34 km/h。

圖6 動力性仿真圖

4 結(jié)論

本文基于某款純電動汽車,在其上增加輔助動力單元——增程器,形成E-REV。在對E-REV結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)要求,對動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件驅(qū)動電機、蓄電池及增程器進行設(shè)計,通過計算對各部件的參數(shù)進行了匹配,然后在Cruise仿真軟件中搭建整車模型,對動力性進行仿真。仿真結(jié)果表明:滿足增程式電動汽車對動力性能指標(biāo)的要求,參數(shù)匹配合理,可實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。