基于增程式电动商用车的增程器匹配和能耗分析

解少博，刘玺斌，李司光，王 佳

(1．长安大学 汽车学院，陕西 西安710064;2．陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安710049)

0 引言

随着能源危机的加剧和政府制定越来越严格的环保标准，发展新能源汽车成为未来汽车工业的必然选择［1-2］． 其中，纯电动汽车以高效、节能和零排放等优势受到广泛关注．然而，在现有技术条件下动力电池尚未突破能量密度小、续驶里程短和价格昂贵的瓶颈，作为过渡阶段的增程式电动汽车通过配置由发动机和发电机构成的增程器，在动力电池荷电状态下降至一定限度时给车辆提供能量，既能发挥纯电动汽车的优势，又能有效弥补其续驶里程短的不足之处，成为现阶段新能源汽车的发展方向之一［3-6］．

对于增程式电动汽车而言，当需求续驶里程较短时，如在市区内行驶，车辆工作在纯电动模式;而当车辆需求续驶里程较长时，增程器开启使车辆进入增程模式．在增程模式下，发动机和发电机构成的增程器可以给驱动电机提供功率，也可以为电池组充电，即将燃料的化学能转化为机械能和电池组的电能．因此，增程器的效率将直接影响到整车的燃油经济性．可以说，合理地选择发动机和发电机对增程式电动商用车的经济性有重要意义．

以往文献多研究增程式电动汽车的整车动力系统匹配及由发动机和发电机构成的特定增程器的特性，而对构成增程器的发动机和发电机匹配及其对能耗的影响关注的相对较少． 笔者针对一款正在研发的增程式电动商用车底盘，在给定增程器发电机的前提下，对两款发动机和发电机的匹配进行了比较，分析两种匹配方案对整车能耗的影响，从而为增程器的匹配和整车的优化设计提供参考．

1 整车结构和参数选型

整车参数、驱动电机和电池等主要部件参数见表1，整车动力系统结构如图1 所示．

表1 车辆主要参数Tab．1 Parameters of the vehicle

图1 增程式商用车结构图Fig．1 Structure of the extended－range vehicle

2 增程器效率

增程器由发动机和发电机通过机械连接构成，能够在增程模式下向外输出功率，给驱动电机提供动力，还可以给电池组补充电量．由电动商用车的设计指标并考虑到车辆主要在市区内运行，参考中国典型城市工况，同时结合附件功率，选择额定功率为60 kW 的永磁电机为增程器的发电机，额定转速2 000 r/min． 该发电机的效率图如图2 所示．

图2 发电机效率图Fig．2 Efficient map of the generator

在确定了发电机之后，需要匹配合适的发动机与之匹配向外输出功率．现有两款(I#和II#)排量均为2．78 L，额定功率分别为96 kW 和92 kW的发动机可供选择，其参数如表2 所示，油耗特性分别如图3 和图4 所示．

表2 两款发动机基本参数对比表Tab．2 Parameters of the two engines

图3 I#发动机油耗图Fig．3 Fuel map for engine I

图4 II#发动机油耗图Fig．4 Fuel map for engine II

由于两款发动机有不同的油耗特性，从而有两种不同的增程器匹配方式． 在相同的整车控制策略下，车辆在增程模式下的燃油消耗将会呈现差异．由发动机的油耗特性和发电机的效率特性，可以得到两款增程器的效率特性图，分别如图5和图6 所示．

3 整车仿真与能耗分析

为了对两款增程器的油耗特性进行分析，在Matlab/Simulink 中搭建了增程式电动商用车正向仿真模型．由牵引电机的外特性和效率特性来实现驾驶员行驶意图的解析，由发动机的万有特性计算增程模式下的油耗，由发电机的外特性和效率特性得到增程器的输出功率． 动力电池组为Rint 模型．驾驶员模型采用PID 控制，跟踪目标车速进行加速踏板和制动踏板开度的调节． 仿真工况选择为连续的中国典型城市公交工况［7］，共计100 km 构成．

图5 I#发动机对应的增程器最优效率曲线Fig．5 The optimal efficient line for engine I

图6 II#发动机对应的增程器最优效率曲线Fig．6 The optimal efficient line for engine II

对于车辆能耗的计算，参考标准［8］，将行驶过程中消耗的电量折算为燃料消耗，两者的关系为

式中:Vfuel为折算的柴油消耗量;Ek为消耗的电池能量;efuel为柴油密度;Qfuel-low为柴油燃烧的低热值;ηeng为发动机的平均工作效率;ηgen为电机的平均工作效率．

车辆在行驶过程中纯电动模式和增程模式的切换通过判断电池组SOC 实现，即当电池组SOC大于35%时，车辆工作在纯电动模式;当电池组SOC 小于25%时，车辆进入增程模式．同时，在增程模式中考虑了两种控制策略:一种为增程器定点发电，即发动机和发电机运行在固定的工作点;另一种为功率跟随模式，即发动机和发电机的工作点随着目标功率的变化而发生变化，并且为了实现最佳的燃油经济性，发动机和发电机的工作点沿增程器最佳效率曲线运行．另外，在功率随动模式下，为了对比分析不同的增程器输出功率范围对整车油耗的影响，笔者选择了30 ～40 kW 和25 ～40 kW 两种功率输出范围，见表3．

表3 不同控制策略下的油耗对比Tab．3 Fuel comparison for the two engines

(1)增程器定点发电． 在恒功率定点发电模式下，发动机和发电机运行在固定的工作点并向外输出功率．结合城市公交工况的平均功率需求并考虑提高发动机的负荷有助于改善燃油经济性，选择增程器的输出功率为35 kW．

对于I#发动机，与该输出功率对应的增程器最优效率曲线上的工作点转速为1 679 r/min，扭矩为230 N·m，在该工作点下，增程器的整体效率可以达到0．38．

由于具有相同的控制策略和输出功率，两种增程器的输出功率和电池组的充放电电流均相同．电池组的SOC 在车辆行驶过程中的变化和油耗如图7 所示，可以看到，在前4．2 h 车辆工作在纯电动模式，之后增程器开启车辆进入增程模式，在该模式下，发动机开始工作，整车的燃油消耗不断上升．在行驶结束时，I#发动机对应的车辆的电池组SOC 降至0．32，消耗燃油11．35 L，整车的等效百公里油耗为30．90 L，见表3．

图7 电池组SOC 和消耗燃油量Fig．7 Battery’s SOC and fuel consumption

对于II#发动机，从增程器工作效率、发动机负荷率以及发动机工作稳定性的角度考虑，选择发动机和发电机的工作点为转速1 730 r/min，扭矩226 N·m．从仿真结果来看，行驶结束时II#发动机对应的车辆的电池组SOC 变为0．32，消耗燃油11． 08 L，整车的等效百公里燃油消耗为30．63 L，见表3． 在该工作点下增程器的系统效率也达到0．38．

(2)增程器沿最优效率线运行，输出功率范围为30 ～40 kW．增程器在功率跟随模式下，向外输出的功率随工况需求而不断变化．同样，考虑到城市公交工况下的平均功率需求和发动机负荷水平对其经济性的影响，选择增程器的输出功率为30 ～40 kW．

I#发动机对应的电池SOC 和油耗变化如图8(a)所示．从图中可以看出，在行驶结束时，电池组SOC 变为0．34，消耗燃油12．55 L，整车的等效百公里油耗为31．42 L．增程器工作点的分布如图8(b)所示． 可以看到，工作点处于增程器最优效率曲线上，效率在0．37 ～0．38 之间．

图8 I#发动机功率随动发电仿真结果Fig．8 Simulation results for engine I

II#发动机对应的增程器输出功率范围同样为30 ～40 kW，在行驶终了，电池组SOC 变为0．34，消耗燃油12．58 L，如图9(a)所示． 对应的增程器工作点分布如图9(b)所示，工作点的效率在0．38 附近．

(3)增程器沿最优效率线运行，输出功率范围为25 ～40 kW． 为了研究增程器输出功率范围的变化对整车油耗和电池组充放电电流的影响，设置增程器输出功率在25 ～40 kW 之间．

图9 II#增程器功率随动发电仿真结果Fig．9 Simulation results for engine II

整车的等效百公里油耗分别为31． 96 L 和31．73 L，见表3．I#发动机对应的增程器的工作点效率见图10，效率处于0．37 ～0．38 之间，II#发动机对应的增程器的工作点效率见图11，效率在0．38附近．

图10 I#增程器工作点效率分布Fig．10 Efficiency of the APU’s working points

4 结论

(1)通过发动机的油耗特性和发电机的效率特性，得到了应用于增程式电动商用车的两款增程器的效率特性及最佳效率曲线．同时，进行了增程式电动商用车的百公里工况行驶仿真．

图11 II#增程器工作点效率分布Fig．11 Efficiency of the APU’s working points

(2)从两款增程器的能耗仿真分析可以看出，定点发电策略的整车等效百公里油耗低于功率随动策略下的油耗．

(3)从定点发电的角度来看，I#发动机和发电机构成的增程器对应的整车等效百公里油耗略大于II#发动机对应的车辆等效百公里油耗．

(4)从能量消耗的角度来看，在功率随动模型下，当设置的增程器输出功率的上下限在较宽的范围时，会增大车辆的等效百公里油耗．

［1］ 欧阳明高，李建秋，杨福源，等． 汽车新型动力:系统，模型与控制［M］． 北京:清华大学出版社，2008．

［2］ 陈清泉，孙逢春，祝嘉光，等． 现代电动汽车技术［M］． 北京:北京理工大学出版社，2002．

［3］ TATE E D，HARPSTER M O，SAVAGIAN P J． The electrification of the automobile:from conventional hybrid，to plug-in hybrids to extended-range electric vehicles［C］//2008 World Congress． SAE technical Paper，2008:156 -166．

［4］ JOCHEM W，KEVIN R，DAVIE G． Development of electric and range-extended electric vehicles through collaboration partnerships［J］． SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical System，2010，3(2):215 -219．

［5］ 胡明寅，杨福源，欧阳明高，等． 增程式电动车分布式控制系统的研究［J］． 汽车工程，2012，34(3):197 -202．

［6］ XU Liang-fei，YANG Fu-yuan，HU Ming-yin，et al．Comparison of energy management strategies for a range extended electric city bus［J］． Journal of University of Science and Technology，2012，42(8):640-647．

［7］ 国家发展和改革委员会．QC/T 759—2006 汽车试验用城市运转循环［S］． 北京:中国标准出版社，2006．

［8］ 全国汽车标准化技术委员会．GB/T 19754—2005 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］． 北京:中国标准出版社，2015．