增程式电动轿车动力系统参数匹配与仿真研究

王云峰　牛礼民

摘 要：根据汽车基本理论对新开发的增程式电动汽车动力系统参数进行匹配。并基于AVLCruise软件平台，采用定点能量管理策略对设计的动力系统进行仿真验证。其结果表明：设计的动力系统及匹配的相关参数比较合理，能实现增程器高效工作，有效延长了电动汽车续航里程。

关键词：电动轿车；系统参数；匹配；仿真研究

1 引言

曾程式电动汽车是将燃油机和发电机组成的机组作为增程器，并与储能电池一起构成动力源，为整车行驶提供动力源，其动力系统设计是该类电动汽车研发工作的重要内容之一。从目前相关的研究文献来看，大部分研究都集中在纯电动汽车动力系统参数匹配，专门正对增程式电动汽车的相关文献不多。文中首先介绍了增程式动力系统的结构配置和工作模式；然后以增程式整车动力性指标和续航里程要求为约束条件，对增程式动力系统的参数进行了匹配设计；最后，在搭建的AVLcruise平台上对匹配的动力总成参数进行仿真验证。

2 动力系统部件参数设计

增程式电动汽车工作模式一般可分两种，分别为纯电动模式和RE/动力电池混合模式，这主要由该类电动汽车动力系统结构所决定的如图1所示。

2.1 原型车参数及性能指标

论文以某款纯汽车作為原型车，整车基本参数如表1所示，动力性能指标为：最高车速≥140；爬坡度%≥20；0-100km/h加速时间≤10。

2.2 驱动电机参数选择

增程式电机额定功率的选择需要综合考虑电动汽车整车参数及性能目标，在电动汽车开发初期一般以车辆期望达到的最大车速为主要目标。电动汽车最高行驶车速与加速、爬坡工况不同，最高车速行驶一般需要车辆在较长时间保持，加速、爬坡过程在车辆行驶过程中占用的时间相对较短，一般只需电机峰值功率满足该要求即可。当电动汽车以最高当汽车以最高车速Va匀速行驶时。驱动电机输出的功率（kW）至少为：

（1）

当汽车以稳定速度通过最大爬坡度时，电机输出的最大功率为：

（2）

电动汽车加速过程过程中电机输出最大功率Pmax 3，对应的加速期间初速度及末速度可根据经验公式表示为：

（3）

电动汽车加速过程的末时刻，电机加速输出的最大功率Pmax 3=Pall，根据上述计算的最大功率，驱动电机必须满足以上所有设计要求，即：

（4）

将上述表1及表2相关参数分别带入式1-式4中，计算得 Pmax 1=58kw；Pmax 2=35kw；Pmax 3=75kw；

驱动电机相关参数确定之后，还需验证是否满足一定条件下爬坡及最高车速要求，既：

（5）

传动系最大传动比由电动汽车驱动电机的峰值转矩Tmax和最大爬坡度αmax决定，即：

（6）

式中为ig1变速器最低档速比；i0为主减速器比。将相关数据带入上式6-式7中，最后确定的驱动电机相关参数为：额定功率30kw/峰值75kw；额定转矩100N.m/峰值转矩245N.m；额定转速2900rpm/峰值转速3000rpm。

2.3 储能电池参数选择

曾程式电动汽车中，储能电池是其主要电源，动力系统在工作过程中，不仅要提供足够的能量保证动力性能，同时还需吸收制动回馈能量，储能电池最大放电功率

，需满足：

（7）

上式中：PA为电附件功率。储能电池除满足功率要求外，储能电池还需满足纯电模式下一定续航里程的能量要求，假设该曾程式电动汽车以Va等速行驶时续航里程为d1，其能量

需满足：

（8）

因此，蓄电池容量可按如下公式取值：

（9）

车辆电附件功率取4.5kw，等速行驶车速为60km/h，最终选定该增程式电动汽车动力电池组主要参数为：额定电压320V；容量70Ah；最大放电电流3C。

3 仿真验证

为进一步验证上述所匹配参数的合理性，利用AVLCruise软件对其进行仿真验证，以NEDC作为增程式电动汽车仿真行驶工况，仿真结果如下图2-图4所示。

在仿真开始时候储能电池SOC为59.8%，随着仿真进行，在720s时，SOC下降到45% 达到设定的下限值SOCRE，此时RE系统启动，发动机在PID转速模块的控制下以转速为3000rpm功率为32.5kw进行恒功率输出（如图3所示）带动发电机进行发电，发出的电量存储到蓄电池中。当进行到980S时，SOC再次下降到45%达到设定的下限值SOCRE，RE系统再次启动。从仿真的结果来看增程式电动汽车在NEDC工况下采用定点能量管理策略，使发动机始终工作在最高效点，在确保整车动力性能的同时，燃油经济性明显提高。

4 结论

以增程式电动汽车动力性能指标为约束条件，根据汽车基本理论对其动力系统参数进行计算匹配。并基于AVLCruise软件平台，采用定点能量管理策略对设计的动力系统进行仿真验证。从仿真的结果来看，设计的动力系统及匹配的相关参数比较合理，能较好的满足动力性能指标要求；NEDC工况下汽车行驶车速要求符合工况标准；采用的定点能量管理策略，在SOC下降到下限值SOCR=45%启动RE系统，之后发动机一直恒功率工作在高效点，当储能电池SOC回升到SOCmax=59.8%时，RE系统关闭，整个工作过程中能实现增程器高效工作。

基金编号：国家自然科学基金项目（51275002）

参考文献：

[1]武小兰，王军平，曹秉刚.充电式混合动力电动汽车动力系统参数匹配[J].汽车工程，2008，30（12）：1095-1101.

[2]周苏，牛继高，陈凤祥.增程式电动汽车动力系统设计与仿真[J].汽车工程2011，33（11）：924-929.

[3]万刚，孙泽昌.燃料电池汽车动力总成结构配置及参数匹配[J].汽车工程.