基于动力分布设计的增程式电动汽车

宋传学，王 达，宋世欣，彭思仑，肖 峰

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022)

0 引 言

传统增程式电动汽车，以美国通用汽车公司的沃蓝达轿车和德国奥迪公司的A1e-tron 为代表，其动力总成均采用动力集中式设计［1-3］，即:除了装备有电动机和动力电池系统外，还单独装备了发电机、内燃机和燃油系统;整车只有一个驱动桥;电动机、发电机和内燃机均布置在单个驱动桥附近。其工作原理是在动力电池的荷电状态(State of charge，SOC)较高时，采用纯电动驱动，只使用电动机进行驱动;在动力电池的SOC 低于一定程度后，采用增程发电模式，内燃机带动发电机向汽车高压直流母线供电，这些电能既驱动电动机，同时又保证了动力电池的SOC 不继续下降［4］。

传统方案往往同时装备有功率较大的电动机、发电机和内燃机，使得整车的布置比较困难、整备质量较大，影响包括动力性和续驶里程在内的使用性能。而且，传统增程式电动汽车一般只有一个驱动桥，再生制动时，所回收的能量相对有限，不利于进一步提高其续驶里程。

借鉴轨道车辆和电动轮汽车的设计思路，提出了面向增程式电动汽车的动力分布设计［5-6］。从实际出发，以现有某小型增程式电动轿车为原型，改用双电机、全轮驱动的构型方案;以整车动力性能指标和续驶里程要求作为约束条件，进行了动力总成的参数匹配设计;并针对此构型方案，通过快速原型平台设计了控制系统;最终采用AMESim 和Matlab/Simulink 联合仿真平台进行了仿真验证，研究了该构型在提高增程式电动汽车续驶里程、改善燃油经济性等方面的优势。

1 动力分布设计的构型及原理

动力分布设计是指将整车所需的功率分布到两台或更多的电机上，由多个电机共同承担驱动汽车的任务。该设计要求增程式电动汽车使用全轮驱动方式，即具备前、后两个驱动桥，并装备前、后两台电机，如图1 所示。其中，后电机为纯驱动电机，与后驱动桥连接，起到驱动汽车行驶及再生制动的作用;而前电机为驱动、发电一体机，采用贯通轴设计，贯通轴输入端通过前离合器与内燃机飞轮连接，贯通轴输出端通过后离合器与前驱动桥连接，该电机既可以起到驱动汽车行驶及再生制动的作用，又可以起到增程发电的作用。

当汽车在纯电动驱动模式下，内燃机不工作，前离合器分离、后离合器接合，前、后电机共同驱动汽车行驶，其能量流通途径如图2 所示。在这种驱动模式下，驱动汽车的最大功率为两台电机峰值功率之和，且前、后电机均可实现再生制动发电。

图1 动力分布设计构型图Fig.1 Power distribution design configuration

图2 纯电动模式能量流动示意图Fig.2 Energy flow of EV mode

在增程发电模式下，前离合器接合，后离合器分离，内燃机驱动前电机，使之处于发电状态，向高压直流母线供电，后电机单独驱动汽车行驶，其能量流通途径如图3 所示。此时驱动汽车的最大功率为后电机的峰值功率，且只有后电机可以实现再生制动发电。与传统设计相比，动力分布式设计具备以下特点:

图3 增程模式能量流动示意图Fig.3 Energy flow of extended-range mode

(1)通过电机四象限运行、能量双向传递的特性，充分利用双电机的能量密度，整车比功率较高，轻量化效果显著。

(2)纯电动模式下，全部车轮均可实现再生制动，在符合理想制动力分配的约束条件下，具备较高的再生制动效率。

(3)增程发电模式为电池电量较低时的辅助驱动模式，主要用于长距离的公路行驶，多为匀速前进、加减速不频繁，所以增程发电模式下所需的功率一般比较小。增程式电动汽车在增程发电模式下的输出功率主要受限于发电机的额定功率，采用动力分布设计，其单个电机亦可以满足其功率需求。

2 动力总成的参数匹配设计

以某在产A0 级增程式电动汽车作为原始车型，其基本性能参数如下:整备质量为1420 kg;最大驱动电机功率为75 kW;额定驱动电机功率为30 kW;内燃机功率为48 kW;最大发电机功率为40 kW;额定发电机功率为20 kW;动力电池容量为15 kW·h;驱动形式为前置前驱;0 ～100 km/h 加速时间为13 s;最高车速为145 km/h;纯电动续驶里程为70 km。该原始车型采用传统的动力集中设计，整备质量为1420 kg，装备有1.0 L 直列三缸汽油机、额定功率为30 kW 的电动机、额定功率为20 kW 的发电机、以及15 kW·h 的锂离子动力电池组，上述部件净质量之和为310 kg。

本文根据原始车型，提出了改进车型设计指标，以期达到不低于上述对比车型的动力性能和续驶里程。改进车型设计指标如下:0 ～100 km/h 加速时间≤12 s;纯电动最高稳定车速≥160 km/h;增程最高稳定车速≥120 km/h;纯电动续驶里程≥100 km;驱动形式为分布四驱;整备质量≤1350 kg。

2.1 驱动电机

在现有研究中，对电动汽车的驱动电机进行功率匹配时，习惯用最大车速计算驱动电机最大功率［7］。但是，电机能够持续输出最大功率的时间很短，不能满足实际使用环境中对高速巡航行驶的需求。同时，考虑到增程发电模式下，汽车行驶所需功率将全部由驱动电机输出，所以，本文将针对增程最高稳定车速确定驱动电机的额定功率。

经计算确定，所需驱动电机的额定功率P1const=17.91 kW，圆整后可选用额定功率为20 kW 的电机。取过载系数λ=2，驱动电机的最大功率:

2.2 驱动-发电一体机

驱动-发电一体机的功率匹配必须同时满足两个条件:①额定发电功率必须满足增程模式下最高稳定车速所需的行驶功率;②其额定输出功率与驱动电机的额定功率之和必须使汽车达到所需的纯电动下最高稳定车速［8］。

驱动-发电一体机在条件①下所需额定功率P2Lim=19.90 kW;在条件②下所需额定功率P2Const=17.46 kW。

取P2Const=19.90 kW，驱动-发电一体机的额定功率同样选定为20 kW。取过载系数λ =2，驱动-发电一体机的最大功率:

2.3 内燃机

内燃机的额定功率需要满足在增程发电模式下，驱动-发电一体机以额定功率发电时所需的输入功率，即Pe=22.11 kW。

虽然现代车用内燃机可以在最大功率点进行长时间连续运转，但是考虑到经济性、排放和噪音等问题，所选内燃机的最大功率需达到Pe的120%～150%方可满足要求［9］，即所需发动机的最大功率应在45 kW 以上。本文选取了三款备选发动机，其特点参见表1，并最终选定了某型直列双缸汽油发动机。

表1 备选内燃机性能参数Table 1 Performance parameters of alternative internal combustion engine

2.4 动力电池

为了研究改进车型的节能潜力、方便与原始车型进行对比分析，改进车型将沿用原始车型的动力电池规格，即电池能量EB=15 kW·h，并根据改进车型所选电机，确定动力电池电压UB=300 V，计算电池容量:

综上，经过对动力总成的匹配计算和具体选型，改进车型的驱动电机和驱动-发电一体机均选用最大功率为40 kW 的永磁同步电机;内燃机选用一台0.65 L 直列双缸汽油发动机;动力电池维持原始车型规格。上述部件净质量之和为235 kg，较之原始车型降低75 kg。由于动力分布式设计充分利用了传统设计中发电机的能量密度，使得驱动电机的轻量化效果非常显著。各部分净质量详见表2。

表2 动力总成各部分净质量表Table 2 Net weight of each part of powertrain

3 控制逻辑及仿真平台的设计

3.1 控制逻辑

面向动力分布的构型形式，基于Matlab/Motohawk 控制器快速原型开发平台，设计了一套控制逻辑，见图4。该控制逻辑在传统门限控制的基础上进行了改进:针对纯电动模式，对双电机总效率进行了优化，以改善其续驶里程;针对增程发电模式，结合了定点能量管理与功率跟随管理［11］两种方法，以兼顾油耗、排放和电池使用寿命。

图4 控制逻辑流程简图Fig.4 Control logic diagram

当动力电池电量相对充足时，汽车处于纯电动模式，前、后电机均起驱动作用，并均可实现再生制动。此时，若驾驶员踏下制动踏板，整车控制器则根据制动管路压力，计算所需再生制动力矩，并根据理想制动力分配关系，确定前、后电机各自的制动力矩;若驾驶员踏下加速踏板，整车控制器则根据转速n 和驾驶员输入的目标转矩Treq，以双电机总效率ηtotal最大化为目标，计算前后电机转矩分配系数i，并输出前后电机各自的驱动转矩TF、TR。由于单个电机效率是关于转速和转矩的函数，即有i 使ηtotal为最大:

当动力电池的SOC 下降至某一下限，汽车转入增程发电模式，前电机与内燃机组成增程器，只使用后电机进行驱动或再生制动。此时整车控制器根据车速和驾驶员输入的目标转矩，计算出当前所需的行驶功率，并将此行驶功率与增程器最佳效率工况所对应的功率相比较;若所需行驶功率较小，则采用定点能量管理策略，使增程器处于最佳效率点，以确保燃油经济性和排放水平;若所需行驶功率较大，则使增程器输出行驶所需的功率，以控制动力电池的放电电流、减小其充放电损失、延长其使用寿命。当动力电池SOC 达到某一上限后，汽车重新转入纯电动模式。

3.2 仿真平台

使用AMESim 和Matlab/Simulink 联合仿真分析平台，建立了原始车型和改进车型的整车数学仿真模型。该模型中，驾驶员、动力总成、机械制动系统、动力电池以及车辆动力学等5 个子模型使用AMESim 搭建，如图5 所示。控制系统子模型使用Matlab/Simulink 搭建，如图6 所示。

通过台架试验方式，确定了目标车型拟采用电动机、内燃机和动力电池的各项性能参数。电动机拟采用永磁直流电机，其转矩特性和效率采用CW260 型电涡流测功机和功率分析仪进行测定;内燃机拟采用某型直列双缸汽油机，其万有特性曲线采用同型电涡流测功机和油耗计进行测定。

4 仿真及结果分析

4.1 动力性

图5 目标车型整车仿真分析模型Fig.5 Simulation model of the target vehicle model

图6 目标车型控制系统模型(局部)Fig.6 Simulation control system model of the target vehicle model(partial)

使用原始车型和改进车型，分别进行了纯电动模式下0 ～100 km/h 加速、最高车速以及增程发电模式下最高车速共3 个工况的仿真分析，分析结果如表3 所示。结果表明，改进车型的动力性能达到了设计目标;纯电动模式下，改进车型具备较大的功率和较小的整备质量，其动力性能显著优于原始车型;增程发电模式下，虽然原始车型驱动电机的额定功率大于改进车型，但二者发电机的额定功率相同，故增程发电模式下改进车型反而具备较高的最高稳定车速。

表3 动力性仿真结果Table 3 Results of dynamic performance simulation

4.2 纯电动续航能力

增程式电动汽车在日常行驶过程中，多是处于纯电动模式下，所以重点考量其在市区工况下的续航能力。选用NEDC 和UDDS 两种测试循环，按照起始SOC 为100%、终了SOC 为30%，对原始车型和改进车型的纯电动模式续航能力进行了仿真分析，计算结果如表4 所示。图7 为两种测试循环的速度-时间曲线;图8 为原始车型和改进车型在NEDC 和UDDS 测试循环下，动力电池SOC 随时间的变化曲线。结果表明，改进车型的纯电动续航能力达到设计目标，显著优于原始车型。

表4 纯电动工况续驶里程仿真结果Table 4 Results of EV mode range simulation

图7 NEDC 循环和UDDS 循环速度-时间曲线Fig.7 Velocity-time curve of NEDC and UDDS cycle

4.3 再生制动效率

图8 NEDC 循环和UDDS 循环SOC-行驶距离关系曲线Fig.8 SOC-distance curves of NEDC and UDDS cycle

为了进一步了解基于动力分布设计的增程式电动汽车节能潜力，对纯电动模式下的再生制动过程进行了分析。分别选取1、3 和5 m/s2三种制动减速度，计算原始车型和改进车型从60 km/h制动至静止这一过程内的制动能量回收情况。计算结果如表5 所示。图9 为3 种制动减速度下，原始车型和改进车型再生制动所回收能量随时间的变化曲线。结果表明，改进车型的再生制动效率高于原始车型。这种现象在较小的制动减速度下更为明显。

表5 再生制动工况仿真结果Table 5 Results of Regenerative Braking Simulation

4.4 增程模式能耗

由于增程式电动汽车的增程模式主要用于长距离行驶，所以应重点考量市郊或高速工况下的燃油消耗。选用HWFET 测试循环和90 km/h 等速行驶，对原始车型和改进车型的增程模式燃油消耗率进行了仿真分析，计算结果如表6 所示。

表6 增程模式仿真结果Table 6 Results of extended-range simulation

图9 减速度分别为1、3、5 m/s2 下制动能量回收曲线Fig.9 Regenerative energy time-based curve of 1 m/s2，3 m/s2and 5 m/s2 deceleration

图10 HWFET 循环速度-时间关系曲线Fig.10 Velocity-time curve of HWFET cycle

图10 为HWFET 测试循环的速度-时间曲线;图11 为原始车型和改进车型在HWFET 测试循环和90 km/h 等速行驶下，动力电池SOC 随时间的变化曲线。结果表明，两种车型在上述工况均可保证动力电池的SOC 不再继续降低，且改进车型在增程模式下的能耗略低于原始车型。考虑到两种设计在增程模式下构型相近，认为造成差异的主要原因在于改进车型具备更小的整备质量。

图11 增程模式HWFET 循环和90 km/h 等速行驶SOC 变化曲线Fig.11 SOC changing curves in extended-range mode of HWFET cycle and 90 km/h constant speed

5 结束语

基于动力分布设计，提出了一种新型增程式电动汽车方案，确定了双电机和全轮驱动的构型形式，并进行了动力总成的参数匹配。根据匹配和选型的结果，结合各项试验数据，在AMESim 软件中搭建了整车模型，并进行仿真计算。计算结果表明:在动力性相仿的前提下，相较于传统设计方案，基于动力分布设计的增程式电动汽车，拥有较小的整备质量和较高的再生制动效率，可以有效地提高增程式电动汽车的纯电动续驶里程、并降低其增程模式下的燃油消耗，具备较为理想的节能潜力。

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