增程式电动汽车动力系统及参数匹配

张宇　段俊法

摘 要：增程式汽车是一种配有充电插口和具备车载供电功能的纯电能驱动的电动乘用汽车，具有结构简单、电机直驱、易于维修保养等优点。基于此，本文首先分析增程式电动汽车的工作模式，然后在满足整车动力性能的前提下，根据整车动力总成的特点，提出对整车零部件参数匹配的方法。

关键词：增程式电动汽车；动力系统；参数匹配

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0104-03

The Power System and Parameters of Extended-Range

Electric Vhicle Match

ZHANG Yu DUAN Junfa

（North China Water Conservancy and hydropower University，Zhengzhou Henan 450011）

Abstract： The extended range vehicle is a pure electric power driven electric passenger car equipped with charging socket and vehicle power supply function. It has the advantages of simple structure， direct drive motor， easy maintenance and so on. Based on this， this paper first analyzed the working mode of the extended range electric vehicle， and then， on the premise of meeting the vehicle's dynamic performance， and put forward the matching method of vehicle parts parameters according to the characteristics of the vehicle powertrain.

Keywords： extended-range electric vhicle；power system；parameter match

1 研究背景

随着全球能源枯竭、环境污染的加深，各国政府以及各大车企均加大对汽车行业的探索，对汽车行业进行深入改革，寻求一种节能、高效、环保的新型汽车以缓解能源与环境问题[1-3]。增程式电动汽车作为传统汽车到纯电动汽车过渡的桥梁，其动力性能和经济性能成为研究者们的重点关注方向[4-5]。

增程式汽车是一种配有充电插口和具备车载供电功能的纯电能驱动的电动乘用汽车。增程式电动汽车主要包含动力电池系统、电机驱动系统、增程器（发动机和发电机）及整车控制系统四部分[6]。动力电池系统作为整车的动力源，为电动机驱动系统提供电能驱动车辆行驶的同时，也提供发动机起动电流。电机驱动系统提供整车的动力输出，电机控制器通过接收整车控制器的信号控制整车的行驶。增程器主要由小排量的发动机和发电机组成，发动机提供的动力不直接参与整车的驱动[7]。增程式电动汽车动力系统结构如图1所示。

2 工作模式

2.1 纯电动模式

这种模式下，动力电池提供车辆行驶所需要的功率，增程器不参与工作，整车相当于纯电动汽车，减少了车辆对石油的消耗，实现了“零排放”。纯电动模式能量流动见图2。

2.2 增程模式

当动力电池的电能降低到最低限值时，APU系统起动，开启增程模式，发动机根据制定的控制策略运行，带动发电机发电，多余的电能则用于动力电池充电。增程模式能量流动见图3。

2.3 再生制动模式

当车辆以较高车速制动时，驱动电机反转，产生一部分电能，存储在驱动电池中，节约了部分能量，在较低车速时制动，由于反拖电机不能产生有效的电能，故低速制动不具备再生制动。再生制动模式能量流动见图4。

2.4 停车充电模式

停车时动力系统全部停止，增程式电动汽车像纯电动汽车一样具备外接充电设备给汽车充电的功能，通过车载充电器连接外接电网对动力电池进行充电，为下次行车做准备。停车充电模式能量流动见图5。

3 参数匹配

增程式电动汽车性能受到整车参数及动力部件性能的影响，因此对整车参数进行匹配对提高增程式电动汽车整车性能至关重要。本文在满足整车动力性能的前提下，根据整车动力总成的特点，提出对整车零部件参数进行匹配的方法[8]。

3.1 增程式电动汽车动力系统参数

汽车的动力系统指标主要包括以下几点。

3.1.1 最高车速Vmax。最高车速是指汽车在水平且平整的路面上（一般为混凝土或沥青路面上）行驶时能达到的最高速度，用Vmax表示。目前，最高车速都是设计参数，即表示所设计车辆的最高行驶速度能达到或超过的一个车速。

3.1.2 加速时间t。加速时间代表汽车的加速能力，通常加速时间分为原地起步加速时间和超车加速时间。

3.1.3 最大爬坡度[αmax]。汽车的最大爬坡度代表车辆的爬坡能力，指在满载（或在某一装载质量）的情况下，行驶在较好路面上时车辆的最大爬坡能力，用[αmax]表示。[αmax]表示車辆的极限爬坡能力，其远远大于实际行驶路面的最大坡度。之所以取最大是考虑其行驶在实际坡道上时，应具有顺利在坡道上起步，并克服路面上的坑洼所产生的局部较大阻力的能力。

对电动汽车而言，最高车速是电动汽车的极端使用情况，Vmax的大小与车辆的性能和要求有关，Vmax与电机的功率成正比，与传动系统的速比成反比；电动汽车的最大爬坡度[αmax]与电机的转矩和传动系统的速比均成正比。

3.2 動力系统参数匹配

3.2.1 驱动电机参数匹配。需要匹配的驱动电机参数有：峰值功率、峰值转矩、额定功率、额定转矩、基速及最高转速。

3.2.1.1 峰值功率与额定功率。增程式电动汽车驱动电机的峰值功率应满足车辆行驶的最高车速、加速性能和最大爬坡度的要求。

车辆行驶时驱动轮处需要的功率为：

[Pt=v3 600η（mgsinα+mafcosα+CdA21.15v2+δmdvdvt）] （1）

式（1）中，m为整车质量；g为重力加速度；α为行驶坡度；f为滚动阻力系数；[Cd]为空气阻力系数；v为行驶车速；δ为汽车质量转换系数。

最高车速对电机功率的要求为：

[Pmax1=vmax3 600ηT（maf+CdA21.15vmax2）] （2）

最大爬坡度对电机功率的要求为：

[Pmax2=va3 600ηT（mgsinαmax+mafcosαmax+CdA21.15va2）] （3）

式（3）中，[va]为爬坡时车速。

加速性能对电机功率的要求为：

[Pmax3=13 600ηT（mafvf+CdA21.15vf2+δmdvf+vbdt）] （4）

式（4）中，[vf]为加速末速度，[vb]为电机基速对应的车速。

电机的峰值功率应满足Pmax≥max（Pmax1，Pmax2，Pmax3）

额定功率与峰值功率关系式为：

Pmax=P额×[λ] （5）

式（5）中，[λ]为电机的过载系数。

3.2.1.2 最高转速和基速。最高转速为：

[vmax=nmaxrigi0] （6）

式（6）中，[i0]为传动系统速比。

基速与最高转速之间的关系式为：

[n0=nmaxβ] （7）

式（7）中，[β]为基速。

3.2.1.3 峰值转矩与额定转矩。根据功率-扭矩公式的关系式确定峰值转矩与额定转矩：

[P=Tn09 550] （8）

3.2.2 动力电池参数匹配。需要匹配的动力电池的参数为能量要求和功率要求。

3.2.2.1 功率要求。动力电池的最大放电功率应满足驱动电机的峰值功率的需要：

Pess≥[Pmaxηmc+Pacc] （9）

式（9）中，Pacc为汽车附件功率，Pess为动力电池最大放电功率。

3.2.2.2 能量要求。电池组的总能量应满足车辆最大纯电动续驶里程需求，根据动力性能指标计算动力电池所需能量：

[Pavg=vavg3 600ηT（mgf+CdAvavg21.15）] （10）

其中，[vavg]为动力性能指标要求的匀速。

总能量需要：

Wavg=Pavg×t （10）

考虑到车辆行驶过程中附件消耗的功率，动力电池需求的总能量应为：

[W=Wavg+WaddDOD·ηmc] （11）

其中，[Wadd]为车载附件消耗的能量。

3.2.3 增程器参数匹配。增程器主要由发动机和发电机组成，发动机通过驱动电机驱动车辆行驶，在动力电池电量低于下限值时，发动机需要满足在高效、低排放区域内工作，能够满足车辆以一定的车速匀速行驶，并且满足车辆一定的爬坡功率、附件功率以及给动力电池充电功率。

[Pe=v3 600ηTηmcηgmaf+CdA21.15v2+Paccηg] （12）

其中，[ηT]为传动系统效率，[ηmc]为驱动电机效率，[ηg]为发电机效率，Pe为发动机的输出功率，[Pacc]为附件需求功率。

4 结语

增程式电动汽车作为传统汽车与纯电动汽车之间的过渡桥梁，具备纯电动汽车节能、环保和经济性能优良的优点，解决了纯电动汽车动力电池技术的限制及续航里程的问题，具有更广阔的应用前景。

对增程式电动汽车动力系统参数匹配的研究，是提高增程式电动汽车整车动力性能和经济性能的重要措施。在今后的研究中更应该注重对整车的实车测试和搭建硬件在线仿真平台，充分验证对动力系统部件的选型和参数匹配的合理性及可行性。

参考文献：

[1]宋珂，章桐.增程式纯电驱动汽车动力系统研究[J].汽车技术，2011（7）：14-19.

[2]焦磊.增程式电动汽车动力总成参数匹配及控制策略研究[D].西安：长安大学，2013.

[3]增程式电动车与混合动力汽车谁是电动汽车过渡时期的宠儿？[J].汽车零部件，2011（4）：29-30.

[4]王神保，张戟.增程式电动汽车[J].汽车工程师，2012（12）：48-50.

[5]吴苗苗，张欢园.增程式电动汽车[J].汽车工程师，2013（11）：59-61.

[6]王耀南，孟步敏，申永鹏，等.燃油增程式电动汽车动力系统关键技术综述[J].中国电机工程学报，2014（27）：4629-4639.

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[8] Sun Hui. Multi-objective optimization for hydraulic hybrid vehicle based on adaptive simulated annealing genetic algorithm[J]. Engineering Applications of Articial Intelligence，2010（23）7-33.