增程式低速电动轿车参数匹配与仿真*

陈汉玉，左承基，俞小莉

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009; 2.浙江大学能源工程学系，杭州 310027)

前言

增程式电动汽车(range extender electric vehicle, REEV)是在传统纯电动车(EV)基础上，增加一套辅助动力单元(APU)，其动力系统结构和插电式混合动力车(PHEV)类似，所消耗的电能既可源于公共电网，也可源于石化燃料[1]。与EV相比，REEV提高了整车续驶里程，可消除驾驶员对行驶里程的担忧；与PHEV相比，REEV进一步提高了电池容量，减小了发动机外形尺寸及功率，可大幅度降低对石油的依赖程度，整车经济性及排放性更优[2-3]。短距离行驶时，REEV和EV类似，处于纯电动运行模式，所消耗的电能源于公共电网；当行驶里程较长且电池电量不足时APU开始工作，通过消耗燃油来发电，补充车辆行驶所需的电能或对电池充电[4]。

REEV动力总成结构介于PHEV和EV之间，是一种新型结构汽车，国内外相关报道甚少[5-6]。本文中以某款增程式低速电动汽车为研究对象，从电驱动系统、电储能系统、传动系统和辅助动力单元出发，对整车动力系统参数进行了匹配分析。同时利用电动汽车仿真软件Advisor，分别在城市路况UDDS和公路路况HWFET下对整车性能进行了仿真分析。

1 REEV系统结构介绍

所研究的REEV系统结构如图1所示，其动力系统主要由电驱动系统、电储能系统、传动系统和辅助动力单元构成，外部能量输入有发动机石化燃料供应和外接充电两种形式。REEV动力电池既可通过公共电网充电也可通过辅助动力单元充电，通过驱动电机使整车处于纯电动运行模式，既提高了整车经济性又降低了尾气排放。REEV的辅助动力单元APU不直接驱动车轮，仅用来发电，给动力电池充电或提供车辆行驶所需的电能。因此APU可认为是小型发电机组，由专用发动机、交流发电机和逆变器组成，由于专用发动机工作区间可不受车速的影响，因此能以恒转速始终运行在高效区。

2 REEV动力系统参数匹配

2.1 电驱动系统

REEV电驱动系统包括驱动电机和电机控制器，驱动电机的工作特性是低速恒转矩和高速恒功率。低速时电机输出转矩大，可满足车辆起步或爬坡工况对大转矩的需求；高速时电机输出恒功率，可满足车辆对最高车速行驶的需求[7]。因此电机的工作特性非常符合车辆的行驶特征。

驱动电机的参数选择包括电机额定转速nmr、电机最大转速nmmax、电机额定功率Pmr和电机最大功率Pmmax。电机最大转速nmmax与自身的尺寸、质量和内在损耗等有直接的关系，最大转速与额定转速的比值，称为电机扩大恒功率区系数β。在电机功率一定的前提下，随β值增大，转速降低，对应的电机额定转矩增大。高转矩需较大的电机电流和电子设备，增加了功率变换器硅钢片的尺寸和损耗，因此电机传动轴额定转矩的减小只能通过选用中高速电机来解决，但这又影响传动比，因此必须协调考虑电机最大转速和传动系尺寸[8-9]。通常电动车推荐的电机最大转速nmmax在6 000～15 000r·min-1之间，β通常在4～6之间。

选择驱动电机功率时要综合考虑电机的额定功率和最大功率，在设计中一般根据最高车速确定电机的额定功率Pmr，根据车辆的加速和爬坡性能确定电机的最大功率Pmmax。

满足车辆最高车速的电机额定功率[10]为

(1)

式中：ηt为传动效率，取0.91；m为半载质量，取1 200kg；g为重力加速度，取9.8m·s-2；f为路面滚动阻力系数，取0.016；vmax为汽车最高车速，取120km·h-1；Cd为汽车风阻系数，取0.32；A为汽车迎风面积，取2.14m2。由式(1)计算可得Pmr=24kW。

满足车辆加速性能的电机最大功率[11]为

(2)

式中：vb为加速过程的最终车速，取100km·h-1；t为加速时间，取18s。由式(2)计算可得P1=48kW。

满足车辆最大爬坡度的电机最大功率为

(3)

式中：α为最大爬坡角度，取20°；va为爬坡车速，取25km·h-1。由式(3)计算可得P2=32kW。

因此驱动电机的最大功率Pmmax应取P1和P2较大者，即48kW。

2.2 电储能系统

REEV电储能系统包括动力电池和电池管理系统，REEV对动力电池充放电要求由整车控制策略决定。动力电池的控制模式可分为电动模式(EV mode)和混合模式(blended mode)两类，其中EVmode又分为电量耗尽型(charge depleting, CD)和电量维持型(charge sustaining, CS)两种。图2是REEV的动力电池两种控制模式。

电动模式的前半段是电量耗尽模式，此区域内车辆动力源完全由电池提供，APU不参与工作；当电池SOC降到某一阈值后，电池进入电量维持模式，此区域内APU开始工作，维持电池SOC在小范围内波动。因此在电动模式下，当电池SOC高于某一阈值时采用电量耗尽型工作模式；当电池SOC下降到某一阈值后采用电量维持型工作模式。

混合模式的整个循环工况内，电池和APU协调工作，电池SOC逐渐减小，在循环工况结束时SOC下降到最小值。因此混合模式需要提前知道循环工况持续时间、驾驶特性和初始的SOC等信息，显然混合模式比电动模式控制复杂。

动力电池的参数选择包括电压等级、容量和最大充放电功率等。动力电池的参数主要由功率需求和能量需求来决定。电池组必须满足驱动电机的最大功率需求，其最大充放电功率应不小于驱动电机的最大功率。电池组电压等级要和REEV的电压等级和变化范围一致，电池组容量应满足在APU不启动时REEV纯电动续驶里程对能量的需求。

动力电池组额定电压[12]为

Ubr=Pmmax/Immax

(4)

式中：Ubr为电池组的额定电压，V；Pmmax为驱动电机的最大功率，kW；Immax为驱动电机的最大工作电流，取145A。由式(4)计算可得Ubr=332V。

2.3 传动系统

所开发的REEV选用一挡变速器，挂D挡即行车。主减速比的选择应权衡车辆最高车速、车辆的加速与爬坡能力和整车燃油经济性等不同要求。

从车辆最高行驶速度要求出发，主减速比i0应满足：

(5)

式中：Rr为车轮滚动半径，取0.28m；Nemax为驱动电机最高稳定转速，取9 000r·min-1；vmax为最高车速，取120km·h-1。

另外，为使驱动电机在最高车速时仍能发出较大功率，i0的选择还应满足：

(6)

式中：Nep为驱动电机在最大功率点对应的转速，取6 000r·min-1。

综合考虑整车燃油经济性和车辆的动力性要求，i0取式(5)为等号时的计算值，即7.917。

2.4 辅助动力单元

APU实质上就是小型发电机组，由专用发动机、交流发电机和逆变器组成。统计结果表明，城市上班族每天驾车行驶距离不超过35km的用户约占45%，不超过50km的用户约占72%，通常REEV充满电后纯电动行驶里程一般超过60km，非常适合中短途城市上班族使用。

所研究的REEV为小型低速电动车，对APU系统的外形尺寸、发电功率、成本和NVH要求均很高。APU的选型和设计通常应考虑发动机的外形尺寸、功率、NVH和燃油消耗率以及交流发电机和逆变器的安装尺寸和工作效率等。所选用的专用发动机可以是单缸发动机、双缸发动机和转子发动机等，图3是3种不同类型发动机的性能比较。由图3可知，转子发动机NVH、尺寸和质量特性最佳，而其排放及燃油效率特性较差；单缸机相对双缸机而言，其成本、尺寸和质量特性较好，而其NVH特性最差。由于APU辅助动力单元仅用来发电，当动力电池电量不足时APU开启，接下来车辆应降功率行驶或停车充电，该工况中设定车速为25km·h-1。同时要考虑驱动电机和动力电池的外形尺寸和APU在前机舱中的布置，最终选定APU为单缸发动机，其发电额定功率为6kW，发电恒定转速为2 800r·min-1。

APU的启动和关闭由动力电池电量、驾驶员功率需求、当前车速和整车控制策略来决定。由于专用发动机和整车驱动系统无直接机械连接，发动机不直接驱动车辆运行仅用于发电，因此发动机可工作在恒定转速点附近，能保证其始终运行在高效区。

2.5 REEV性能要求和计算结果

REEV参数初始条件及性能要求如表1所示。

按照前面计算公式和整车性能要求，所计算出的REEV动力系统参数和选型结果如下。

驱动电机参数：额定转速2 200r·min-1，最大转速9 000r·min-1，额定功率24kW，峰值功率48kW。

动力电池参数：选用磷酸铁锂电池，单体电池额定电压3.2V，额定容量40A·h。电池组额定电压332V，工作电压范围260～380V，最大持续放电功率37kW。

表1 REEV参数初始条件及性能要求

APU参数：所选单缸机发电功率6kW，发电恒定转速在2 800r·min-1附近。

3 REEV性能仿真分析

REEV动力系统参数和选型确定后，分别对APU和动力电池进行了相关性能试验，同时通过电动汽车仿真软件Advisor对REEV整车动力性进行了仿真对比分析。

图4是APU系统中专用发动机的外特性曲线。由图可见：转速在2 800r·min-1时可保证发电功率为6kW。通常单缸机转速越高，NVH性能越差，而REEV对NVH性能要求高，因此在保证发电功率和燃油经济性的前提下应尽可能降低发动机工作转速。

图5是磷酸铁锂电池组在40A电流下的充电曲线，整个充电过程大约需4 300s，充电结束后电池容量最大值约38.6A·h，和额定容量接近。由充电曲线可知，电池组采取先恒流后恒压的充电方式，当恒流充电约3 200s后电池组电压可达到380V，接着进入恒压充电模式。

图6是磷酸铁锂电池组在40A电流下的放电曲线，整个放电完成过程大约需3 520s，放电结束后电池组电压约260V，放电结束时的最大放电容量约39A·h。

图7和图8是利用电动汽车仿真软件Advisor分别在城市路况UDDS和公路路况HWFET下，采用混合控制策略对REEV动力性进行仿真的结果对比图。

由图7可见，在城市路况UDDS循环工况下，REEV仿真最高车速约为82km·h-1；在混合控制策略下，电池SOC下降平缓；当REEV急加速时APU启动提供部分电能，发动机最大输出转矩约18N·m，与外特性曲线相符；驱动电机最大输出转矩约78N·m，满足整车动力性要求。

由图8可见，在公路路况HWFET循环工况下，REEV仿真最高车速约为85km·h-1；HWFET工况相比UDDS工况而言，仿真车速一直处于较大值，电池SOC下降明显，且APU系统工作时间明显长于UDDS工况。

4 结论

(1) 由APU系统中专用发动机的外特性曲线可知，发动机转速在2 800r·min-1时可保证发电功率为6kW。由磷酸铁锂电池组的充放电曲线可知，电池充放电功率满足设计要求。

(2) 在城市路况UDDS下，电池SOC下降平缓。当REEV急加速时APU启动提供部分电能，发动机最大输出转矩约18N·m，与外特性曲线相符。在UDDS工况中驱动电机最大输出转矩约78N·m，满足整车动力性要求。

(3) 在公路路况HWFET下，仿真车速一直处于较大值，电池SOC下降明显，且APU系统工作时间明显长于UDDS工况。

参考文献

[1] Shaik A, Shenbaga V M N, Rudramoorthy R, et al. A Novel Approach for Energy Management in Plug-in Hybrid Electric Vehicle(PHEV)[C]. SAE Paper 2008-28-0046.

[2] Tate E D, Michael O H, Peter J S. The Electrification of the Automobile: from Conventional Hybrid, to Plug-in Hybrids, to Extended-range Electric Vehicles[C]. SAE Paper 2008-01-0458.

[3] Stephanie S, Pinak T, Vincenzo M, et al. Energy, Economical and Environmental Analysis of Plug-in Hybrids Electric Vehicles Based on Common Driving Cycles[C]. SAE Paper 2009-24-0062.

[4] David E S, Henning L B, David K I. A Preliminary Investigation into the Mitigation of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Tailpipe Emissions Through Supervisory Control Methods[C]. SAE Paper 2010-01-1266.

[5] Tate E D, Peter J S. The CO2Benefits of Electrification E-REVs, PHEVs and Charging Scenarios[C]. SAE Paper 2009-01-1311.

[6] 顾纪超,周钰亮,李光耀,等.最优化方法在开发可充电式混合动力车中的应用[J].中国机械工程,2011,22(4):484-488.

[7] 何洪文,余晓江,孙逢春,等.电动汽车电机驱动系统动力特性分析[J].中国电机工程学报,2006,26(6):136-140.

[8] Vincent F, Eric F, Aymeric R. Comparison of Powertrain Configuration for Plug-in HEVs from a Fuel Economy Perspective[C]. SAE Paper 2008-01-0461.

[9] 武小兰,王军平,曹秉刚,等.充电式混合动力电动汽车动力系统的参数匹配[J].汽车工程,2008,30(12):1095-1098.

[10] 孙永正,李献菁,邓俊,等.插电式串联混合动力轿车的选型匹配与仿真[J].汽车工程,2010,32(12):1015-1020.

[11] 唐磊.基于混合度的串联混合动力客车特性参数设计[D].长春:吉林大学,2008.

[12] 刘雪梅,黄伟,周云山.插电式混合动力汽车动力系统参数研究[J].计算机仿真,2009,26(10):302-306.