陳 剛，廖新瓊，林文強(qiáng)

CHEN Gang1 ,LIAO Xin-qiong2 ,LIN Wen-qiang1

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，三明 365004；2.中科動(dòng)力（福建）新能源汽車有限公司，永安 366000）

0 引言

我國(guó)石油消耗總量中汽車成品油消耗量占比接近一半，發(fā)展新能源汽車可以減少石油資源消耗、大幅降低污染物的排放，對(duì)改善城市空氣質(zhì)量，保證人群健康均有重要意義[1]。由于純電動(dòng)汽車可實(shí)現(xiàn)零排放，各國(guó)將純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。然而，純電動(dòng)汽車在續(xù)駛里程、電池壽命及充電時(shí)間等方面目前還存在技術(shù)瓶頸[2]。為此，在電動(dòng)汽車車上加裝由發(fā)電機(jī)、蓄電池組成的增程器，在現(xiàn)階段可以較好地解決純電動(dòng)汽車存在的弊端[3,4]。對(duì)于增程式電動(dòng)汽車，合理的動(dòng)力參數(shù)匹配至關(guān)重要[5]。因此，本文基于ADVISOR和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，在純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了動(dòng)力參數(shù)匹配，建立增程式電動(dòng)汽車的整車模型，并進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果驗(yàn)證了參數(shù)匹配和模型的合理性，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。

1 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.1 整車性能指標(biāo)

研究選取某純電動(dòng)汽車的基本參數(shù)，原車純電動(dòng)模式下的續(xù)駛里程是100km，在此基礎(chǔ)增程模式下總續(xù)駛里程設(shè)計(jì)為250km。主要參數(shù)和動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 整車性能基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算

增程式電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能直接影響整車的動(dòng)力性能，常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有交流三相感應(yīng)電機(jī)、表貼永磁同步電機(jī)、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)等[6]。交流三相感應(yīng)電機(jī)維修簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛，但存在控制復(fù)雜、功率因素較低的缺點(diǎn)；永磁交流同步電機(jī)效率高、動(dòng)力特性較好，但也存在制造工藝復(fù)雜、成本高的問(wèn)題[7]。增程式電動(dòng)車以純電驅(qū)動(dòng)為主的城市道路作為主要應(yīng)用環(huán)境，電機(jī)效率和功率密度被作為主要考量標(biāo)準(zhǔn)，因此文章設(shè)計(jì)選用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是增程式電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力源，其性能指標(biāo)必須滿足汽車的動(dòng)力性能要求。在確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率時(shí)，需要通過(guò)汽車最高車速、爬坡性能及加速性能三方面的動(dòng)力指標(biāo)來(lái)匹配計(jì)算，以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。

滿足最高車速所需的最大功率為：

式中Vmax為汽車最高車速，CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，ηt為傳動(dòng)效率。按照式(1)計(jì)算電機(jī)滿足最高車速所需額定功率P1max=29.17kW。

滿足爬坡性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需最大功率為：

式中αmax為汽車最大爬坡度，Vp為爬坡速度。由式(2)計(jì)算得滿足最大爬坡度是驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需額定功率P2max=21.76kW。

滿足加速性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需最大功率為：

式中σ為質(zhì)量轉(zhuǎn)換因子，vf、vb分別是汽車加速過(guò)程的末速度與初速度，ta為加速時(shí)間，ρa(bǔ)為空氣密度。根據(jù)上式計(jì)算P3max=70.2kW。

綜合考慮汽車各工況下功率需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率Pmax≥max{P1max，P2max，P3max}，故選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為Pmax=72kW。

1.3 動(dòng)力電池匹配

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車上至關(guān)重要的部件，直接影響增程式電動(dòng)汽車的純電動(dòng)里程與動(dòng)力性能，同時(shí)也是關(guān)系整輛車性價(jià)比的主要部件。在動(dòng)力電池選型時(shí)需要思量的因素有：能量密度、功率密度、使用壽命等。在中低端電動(dòng)汽車中常用的電池類型有：鉛酸電池、鎳氫電池、鈷酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池等，性能比較如表2所示。

表2 幾種動(dòng)力電池關(guān)鍵性能對(duì)比[8]

通過(guò)對(duì)比功率密度、能量密度以及使用壽命，研究選用磷酸鐵鋰電池作為增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。在匹配動(dòng)力電池參數(shù)時(shí)需要考慮的因素主要有：電池容量、電壓等級(jí)和單體電池?cái)?shù)目。動(dòng)力電池組容量直接關(guān)系汽車的續(xù)駛里程與動(dòng)力性，一般是以滿足正常車速下的行駛需要，計(jì)算公式如下：

式中，Eb為動(dòng)力電池的輸出容量：

式中，d1為純電動(dòng)里程，DOC為動(dòng)力電池放電深度，ηt為傳動(dòng)效率，ηm為動(dòng)力電池效率，ηb為電機(jī)工作效率，Vc為常規(guī)車速。磷酸鐵鋰電池單節(jié)電壓為3.2V，取80節(jié)，Ub=256V。相關(guān)參數(shù)代入式(3)和式(4)，動(dòng)力電池組容量Cb=84.29A.h。

1.4 增程器的選型

增程器是由發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)一體化構(gòu)成，在汽車行駛一階段之后，電池SOC達(dá)到下限值時(shí)增程器開(kāi)啟。在電池能量不足的情況下，增程器要保證汽車的正常行駛，并將多余的能量給電池充電，因此增程器的功率應(yīng)滿足：

增程器發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率與增程器功率關(guān)系：

式中，ηg為發(fā)動(dòng)機(jī)功率?？紤]汽車行駛附屬電氣設(shè)備消耗功率等因素，選取增程器發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.0L，功率為35kW。發(fā)動(dòng)機(jī)油箱根據(jù)增程模式下續(xù)駛里程確定：

式中，d2為增程模式下續(xù)駛里程，be為燃油消耗率，ρ為汽油密度，va為增程模式下正常車速。

1.5 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

通過(guò)對(duì)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)匹配，綜合考慮整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能要求，在原純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)上改裝后的參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示。

表3 低速增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

2 基于ADVISOR的仿真模型

2.1 整車模型

ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator，高級(jí)汽車仿真器）是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室在MATLAB和Simulink軟件環(huán)境下開(kāi)發(fā)的高級(jí)汽車仿真軟件[9]。依據(jù)上述動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配計(jì)算結(jié)果，通過(guò)ADVISOR軟件創(chuàng)建了增程式電動(dòng)汽車的仿真模型，如圖1所示。圖1上半部分模塊是發(fā)電機(jī)、控制策略、機(jī)械附件、電氣附件、發(fā)動(dòng)機(jī)及尾氣排放模塊；下半部分模塊是汽車行駛工況、車身、車輪車軸、動(dòng)力橋、變速器、電機(jī)與控制模塊、汽車電附件、功率線、蓄電池。圖中箭頭表示的的是仿真計(jì)算時(shí)能量傳遞的方向。

2.2 增程器模型

仿真選用增程器為發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)一體型，在此不單獨(dú)建立發(fā)電機(jī)模型。整個(gè)模型包括了四個(gè)模塊，分別是信號(hào)輸入輸出接口；轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩估算模塊；油耗模塊以及排放模塊。各模塊的原理相似，通過(guò)接收前一模型傳輸?shù)男盘?hào)需求計(jì)算后輸出到下一模型。增程器模型如圖2所示。

2.3 控制策略模型

控制策略采用串聯(lián)功率跟隨控制策略，它主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)子模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率估算模塊以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制模塊。圖3為控制策略模型。控制策略模型的邏輯是根據(jù)電池的SOC值以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，根據(jù)電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)需求來(lái)控制開(kāi)關(guān)，即開(kāi)關(guān)子模塊。輸出功率估算模塊用來(lái)計(jì)算并且控制發(fā)動(dòng)機(jī)是否要工作在功率極限值。通過(guò)控制模塊保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最高效率點(diǎn)運(yùn)行。

圖1 整車仿真模型

圖2 增程器模型

圖3 控制策略模型

3 仿真結(jié)果

依據(jù)增程式電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)指標(biāo)建立了整車仿真模型，車輛行駛循環(huán)工況選用ECE_EUDC工況，該工況包括城市道路行駛和市郊道路行駛，其中城市行駛道路工況測(cè)試的行駛里程為4.052km，平均車速18.7km/h，市郊行駛工況測(cè)試行駛里程為6.955km，平均車速62.6km/h。圖4是動(dòng)力電池SOC隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，可以看出增程式電動(dòng)汽車在純電動(dòng)模式下運(yùn)行了13個(gè)循環(huán)工況，電池SOC值降至0.4，此時(shí)開(kāi)啟增程模式，SOC值保持在0.4之后有逐漸增大趨勢(shì)，這是由于在之后的12個(gè)循環(huán)工況下增程器開(kāi)啟工作并將富余能量對(duì)動(dòng)力電池充電。

圖4 SOC值隨時(shí)間變化關(guān)系

圖5 尾氣排放量隨時(shí)間變化關(guān)系

圖6 總行駛里程

在增程器開(kāi)啟瞬間，由于發(fā)動(dòng)機(jī)處在低效區(qū)間出現(xiàn)較大的尾氣排放量，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后尾氣排放量保持在較低值，尾氣排放量隨時(shí)間關(guān)系如圖5所示。從仿真的行駛里程可以看出，在s時(shí)間內(nèi)總行駛里程達(dá)到273.3km，其中純電動(dòng)模式下運(yùn)行了s，共行駛123km，如圖6所示。仿真結(jié)果顯示，車輛的百公里加速時(shí)間為13.1s，最大加速度達(dá)4.9m/s2，車速在10km/h下的最大爬坡度達(dá)到26.5%。整車仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比如表4所示。

表4 仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)匹配與選型進(jìn)行研究，基于ADVISOR在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了車輛各模塊的仿真模型，對(duì)整車的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，增程式電動(dòng)汽車的各項(xiàng)性能均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了參數(shù)匹配與仿真模型的合理性。本文研究為后期增程式電動(dòng)汽車的實(shí)車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了理論參考。