增程式电动汽车动力系统参数匹配与研究

吴伯彪，陈慧丽

（郑州科技学院，郑州450064）

增程式电动汽车动力系统参数匹配与研究

吴伯彪，陈慧丽

（郑州科技学院，郑州450064）

通过对增程式电动汽车（Extended Range Electric Vehicle,EREV）动力系统的参数进行匹配，提出运用动力电池组端电压与荷电状态（State of Charge,SOC）之间的对应关系来控制增程器的开关，提高电动汽车的续航能力，为EREV/ EV的动力系统的设计提供参考。

电动汽车；EREV；动力系统参数；SOC

D01∶10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.06.003

0 引言

为解决能源紧张以及空气污染日益加剧，电动汽车（Electric Vehicle,EV）的研发与推广已经提到国家的政策中。而由于蓄电池能量密度不高原因，EV的推广受到巨大的阻碍。在纯电动汽车的基础上加入增程器，使其大部分时间工作在纯电动模式，增大了EV的续航里程；本文就EREV动力系统参数进行匹配。

1 动力系统总体规划

增程式电动汽车主要由增程器、动力电源系统、电机驱动系统等部分，增程器主要由发动机、发电机、发电机控制器等构成。EREV结构如图1所示。

图1 增程式电动汽车结构组成

可知，EREV的动力系统总体规划要先确定车辆的整车性能指标。电动汽车动力系统整车性能指标主要包括：动力性、排放性、续航里程等。其中动力性能通过最大爬坡度、最高车速、加速性能等参数进行衡量；续航里程主要体现在蓄电池的电量参数以及增程器的排量，本设计通过研究以上参数进行匹配。

2 EREV动力系统匹配

2.1 驱动电机参数匹配

对汽车在一定坡度的道路上直线行驶进行受力分析。主要受牵引力Ft和阻力Fz，根据受力平衡关系，从而驱动电机所需提供的功率Pt（单位：kW）为：

m整车质量；α路面坡度角；v车辆行驶速度；

CD空气阻力系数；A迎风面积[1]。

2.1.1 最高车速对动力系统参数匹配的要求

当车辆匀速行驶在平直路面上时，式（1）简化为：

m取半载750kg，汽车以最大速度120km/h行驶时，需求功率为

依据驱动电机转速n与车速v之间的关系得电机最高转速为（i0主减速比）

取nmax=7000rmp，基速与电机最高转速之间满足nb=nmax/β，β为电机的基速比，取β=2.5，则基速为nb=3000rmp[2]。

2.1.2加速性能对动力系统参数匹配的要求

车辆加速性能指速度到指定速度Vf所需要的时间ta大小进行衡量。通常用0～100km/h的加速时间来衡量，加速情况下驱动电机需求功率为

Vb为驱动电机基速运行时的车速15.61m/s；Vf为汽车加速末速度27.78m/s。经计算可得加速情况下驱动电机的需求功率为Pacc_max=37.991kW。

2.1.3 爬坡性对动力系统参数匹配的要求

车辆爬坡度是指车辆以较低速度V在良好的坡面上匀速行驶的最大坡度。爬坡情况下驱动电机需求功率为

V是爬坡速度。经计算可知本文所设计的EREV，以V=30km/h车速爬30%的坡道需求的电机功率为Pslope=20.179kW。

2.1.4 驱动电机参数匹配结果分析

综上可知，驱动电机的峰值功率应为最高车速、0～100km/h加速时间、爬坡性能对应的需求功率的最大值[2]，即：

由图2可知，最高车速需满足功率点Pv_max≥19.003kW即图中A点，最大爬坡度需满足功率点Pslope≥20.179kW即图中B点；在图3中，若要使EREV满足加速时间内需求，需满足功率点Pacc_max≥37.991kW即图中C点，则电机的峰值功率应不小于37.991kW，驱动电机额定功率应不小于19.003kW。

图2 最高车速-需求功率曲线和最大爬坡度-需求功率曲线

一般情况下，电机额定功率和峰值功率满足PN=Pmax/λ，其中λ为电机过载系数，一般范围为1.5-3，这里过载系数取λ=2。依据电机的选择规范，取电机峰值功率40kW，额定功率20kW，能够满足EREV整车的动力性能功率要求。

图3 电动汽车0-100Km/h加速时间-需求功率曲线

则驱动电机的峰值转矩为128N·m，额定转矩为64N·m。

2.1.5 驱动电机参数匹配与修正

当驱动电机的参数初步确定后，还需要验证是否满足设计要求：若不满足，则需要修正驱动电机匹配参数。经验证，本设计驱动电机参数的匹配满足设计的要求。综上可以得到驱动电机的详细参数匹配结果，见表1所示。

表1 驱动电机的参数匹配结果

2.2 动力电池匹配

2.2.1 按能量需求计算

在纯电动模式下车辆以车速V（本文选取V= 80km/h）匀速行驶路程S1，动力电池组容量CE以及动力电池组输出能量Eb可由下式确定[3]：

D为动力电池组的放电深度，取0.7；ηb蓄电池放电效率，取0.18，ηm驱动电机控制器效率，取0.9；ηa汽车附件能量消耗比例系数，取0.95，计算可得：

CE≥176.1Ah （11）

2.2.2 按功率需求计算

动力电池组的最大放电功率必须大于车辆的最大驱动功率，考虑到车中电动空调、冷却风扇等加入，因此电池放电功率要满足下式：

k为动力电池放电率；Cp为由功率确定的动力电池容量；PA为车辆附件功率4.5kW；U为动力电池端电压（V）。则：

对功率需求和能量需求的蓄电池容量与蓄电池最大放电率进行仿真得图4。

图4 蓄电池容量-最大放电率曲线

若要满足电动汽车能量的要求，则需满足CE≥176.1Ah，从图5可知，两条曲线交叉点的蓄电池放电率k≥4.63，动力电池容量应满足C≥max（CP,CE）,这里蓄电池容量选取为180Ah，综合电压为60V，可得蓄电池具体的参数配置表2。

表2 免维护铅酸蓄电池配置参数

2.3 增程器中发动机-发电机匹配

根据表1、表2的整车设计参数可知，预设计的EREV需要增程器提供可供该车行驶240km的能量。然而增程器用发电机与EREV驱动轮不存在机械耦合，因此只要能提供符合要求的电功率即可。增程器的标定输出功率可表示为：

满足EREV增程的续航里程所需要的油箱容积为V油=S2·fc/V,其中S2为汽车增程续航里程，fc为发动机高效工作点处油耗，V为增程时匀速行驶的车速。本设计采用定点能量管理策略，发动机始终工作在MAP图对应的高效率、低排放范围内。因此，选取fc=5.2376L/h，V=80km/h。可得：PRE= 6.9kW，油箱容积V油=15.7L。综上，选取永磁同步电机作为增程器的发电机，额定转速为3000r/min，额定功率为7kW，发电机效率约为88%左右。

3 结语

本文通过研究EREV动力系统设计参数匹配的过程以及电机匹配和动力电池匹配过程中需要注意的参数关系，为EREV/EV动力系统参数匹配设计提供详细参考。配备的增程器符合节能减排的理念，在促进新能源汽车产业化、汽车产业结构改革与改善能源危机等方面具有重要意义。

[1]王望予.汽车设计（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]呼和.增程式纯电动车动力系统参数匹配与优化研究[D].长春∶吉林大学，2011.

[3]程夕明，欧阳明高，孙逢春.基于铅酸动力电池组供电的电压源型逆变器-牵引感应电机传动系统的稳定性研究[J].中国电机工程学报，2003，23(10)：136-141．

Study on Parameters Matching of Powertrain System of the Extended-Range Electric Vehicle

WU Bobiao，CHEN Huili
(Zhengzhou University Of Science&Technology,Zhengzhou 450064,China)

through the study on parameter matching of powertrain system of the EREV,it proposes with using the corresponding relation of the battery terminal voltage and state of charge(State of Charge,SOC)to control the Extended range device,it improves the endurance of electric vehicles and provides reference for the design of EREV/EV power system.

EREV;parameters of powertrain system;SOC

U469.72

A

1673-2928（2016）06-0007-03

（责任编辑：郝安林）

2016-03-20

郑州市科技局自然科学项目（20141356）。

吴伯彪（1988-），男，河南郑州人，郑州科技学院教师，主要研究控制理论与控制工程。