增程式微型电动汽车整车参数匹配及校验

牛继高， 李　根， 李晨旭， 李　彬

(中原工学院， 郑州 451191)



增程式微型电动汽车整车参数匹配及校验

牛继高， 李根， 李晨旭， 李彬

(中原工学院， 郑州 451191)

对增程式微型电动汽车进行了整车的参数匹配及校验研究。依据整车要求对其主要部件进行选型；根据整车基本参数和整车性能需求进行相应的理论计算以及恰当的工程分析，在确保整车性能指标达到设计要求的情况下，得到动力系统主要部件特性参数；通过仿真软件matlab对整车参数匹配进行了验证。

增程式电动汽车；参数匹配；选型；仿真校验

能源危机、环境污染以及温室效应等问题的日益严重，对汽车行业提出了更高的节能减排要求，除了进一步对传统汽车进行技术创新、提高节能减排效果，发展新能源汽车已成为汽车行业变革的必然趋势。现阶段最适于发展新能源方向的汽车是增程式电动汽车(Extended-Range Electric Vehicle,E-REV)，即在传统纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)基础上添加一套增程器，其动力系统结构和插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle ,PHEV) 类似,消耗的电能既可来自公共电网，也可来自石化燃料。与EV相比，E-REV提高了整车续驶里程；与PHEV相比，E-REV提高了电池容量，减小了发动机功率，减轻了对石油的依赖度，优化了整车经济性及排放性,可减缓能源消耗，改善环境问题。本文以某款纯电动汽车为研究对象，将其改装成E-REV，根据整车基本参数和要求进行整车参数匹配，最后通过仿真计算验证了匹配的整车参数的正确性。

1　增程式电动汽车动力系统结构

E-REV是在PHEV基础上派生的新型车辆结构，其动力系统结构介于PHEV和EV之间。图1为E-REV的动力系统结构示意图。电动汽车大部分时间由蓄电池供能驱动电机，当电池能量达到预设的下限时，启动发动机发电机组为蓄电池充电，供能驱动电机。

图1　E-REV动力系统

2　整车主要部件的选型

2.1驱动电机的选择

选择驱动电机的重要性体现在，驱动电机既是驱动串联式E-REV行驶的唯一动力装置，又是汽车制动时能量回收的关键部件。因此，选择电动汽车驱动电机时，电机的各方面性能必须考虑。表1是各种车用驱动电机基本性能对比数据[1]。

当前，感应电机较适用于高速、匀速行驶工况；永磁电机在城市工况下驱动效率较高。因此，电机尺寸不宜过大。本研究选择的车用电机是永磁同步电机。

表1　车用驱动电机基本性能比较

2.2车用电池的选择

对E-REV几种运行模式分析对比可知，对车用电池的选择需注重电池能量(即电池大容量)以及电池的高效率，而且选择的电池应该符合电动汽车用蓄电池标准。匹配时优先满足能量要求，动力电池应具有较大的容量[2]。

表2　车用电池主要性能比较

电池性能方面还需考量自放电率、深度循环能力以及成本，而且车用电池需有较高的比能量、比功率、长寿命、高安全性(详见表2)。综合分析后选择磷酸铁锂电池。

2.3增程器用发动机的选择

目前可用到HEV上的主要发动机类型及其优缺点[3]见表3。

增程器只是作为一个能量辅助单元存在，纯电动工况是增程式电动汽车的主要运行工况，只有在电机或电池能量不足时发动机才参与工作[4]。传统四冲程汽油、柴油机具有技术成熟、升功率高等优点，是目前车辆应用最广泛的发动机类型。因此，增程动力源选用四冲程汽油发动机。

表3　HEV常用发动机及其特点

3　整车主要部件特性参数的匹配

3.1整车基本参数和整车性能要求

整车基本参数见表4，整车性能指标设计要求见表5。

表4　整车基本参数

表5　整车性能指标设计要求

注：在GB/T 18386-2005所规定的行驶工况下进行续驶里程试验。

3.2驱动电机的参数选择

选择驱动电机参数时，主要关注电机峰值功率和额定功率、最高转速和额定转速、最大转矩和额定转矩等。电机最高转速可由电机自身的相关参数及内在损耗等确定，而电机基速比即：最高转速与额定转速的比值， 一般取值在2～5之间。一般根据基速比的范围可大致确定匹配的电机最高转速和额定转速是否符合条件。

3.2.1电机最高转速和额定转速的匹配

根据汽车相关理论知识[5]可得到电机转速与车速的关系式：

(1)

式中：i0为主减速器传动比；vmax为最高车速，km/h；r为车轮半径，m。

代入相关数据可计算出最高转速不小于5 546 rpm，取值nm-max=6 000 rpm；将常规车速定为50 km/h，可得到额定转速的数值为2 311 rpm，取值nm=2 400 rpm。此时基速比为2.5，符合上述要求。

3.2.2电机峰值功率和额定功率的匹配

针对电机功率的选择需兼顾电机额定功率和峰值功率的情况，在车辆设计中，一般根据最高车速确定电机的额定功率，根据车辆的加速和爬坡性能确定电机的峰值功率。

由最高车速确定的驱动电机额定功率的计算公式[6]：

(2)

式中：Pm1为最高车速的驱动电机峰值功率，kW；vmax为最高车速，km/h；ηT为传动系统效率；g为重力加速度，9.8m/s2。

车辆行驶在最大爬坡度时确定的峰值功率公式[6]:

(3)

式中：Pm2为当车辆行驶在最大爬坡度时与之相匹配的驱动电机的峰值功率，kW；vi为车辆在最大爬坡度时保持的稳定车速，取15 km/h；αmax为最大坡度角。

(4)

式中：Pm3为由加速度所确定的驱动电机峰值功率，km；vb为车辆的末速度，取值100 km/h；dt为设计过程的迭代步长，通常取 0.1 s。

最高车速、最大爬坡度、加速时间三者与功率的关系曲线分别如图2-图4所示。电机峰值功率取最高车速功率、最大爬坡功率和加速时间功率中三者的最大值可满足车辆动力需求，即：

Pm-max≥max(Pm1,Pm2,Pm3)

(5)

结合车辆相关数据，计算可得Pm1=22.59 kW，Pm2=11.41 kW，Pm3=41.27 kW，最终可取Pm-max=45 kW。

对驱动电机额定功率的选择要合理适中。电机运行在过载或欠载状态下对自身以及电池寿命和整车的经济效益均无好处，应正确选择驱动电机的额定功率。

图2　最高车速功率曲线

图3　最大爬坡度功率曲线

图4　加速时间功率曲线

最高车速不仅是汽车动力性能的一个指标，而且也实际反映了汽车的加速性能和爬坡能力，一般以最高车速初步确定电机额定功率。为方便计算，电动汽车匹配的电机额定功率的最小值[8]一般取最高设计车速的90%或者以国内高速公路最高限速120 km/h匀速行驶时对应的功率。式(6)是以最高设计车速的90%得到的对应驱动电机功率的计算公式：

(6)

由车辆相关数据计算得到Pm4=17.78 kW，而驱动电机额定功率Pmr≥min(Pm1,Pm4)，故综合考虑取Pmr=20 kW。

3.2.3电机峰值转矩和额定转矩的匹配

待确定驱动电机的最高转速和基速、峰值功率和额定功率后，可得到驱动电机的额定转矩和最大转矩为：

(7)

(8)

式中：Tmr为电机额定转矩，Nm；Tm-max为电机最大转矩，Nm。可计算得电机额定转矩、最大转矩分别为：Tmr=79.6 Nm；Tm-max=179 Nm。

3.2.4参数修正

在基本确定了驱动电机参数之后，还需综合验证匹配的最大爬坡度、最高车速和主减速比三者是否满足要求[9]，即：

(9)

若经过相关数据计算得到的主减速比范围包括原型车主减速比即为满足条件；如不满足，需要对驱动电机参数进行修正或对动力性能设计指标进行调整，甚至需重新改变方案。根据文中相关数据计算可得主减速比范围应满足4.392≤i0≤5.410，而原型车的主减速比为5，符合条件。由此，可初步确定驱动电机特性参数(见表6)。

表6　驱动电机特性参数

3.3蓄电池特性参数的确定

作为整车驱动的主要动力源和具有储存能量作用的装置，蓄电池在电动汽车上起到了至关重要的作用。其特性参数，应从保证电动汽车的动力性和续驶里程的角度出发，主要包括电池组电压和电池组容量的匹配。

3.3.1蓄电池组峰值功率的确定

为保证汽车的动力性，蓄电池最大放电功率

Pbatt-max=kcpubatt/1 000需要满足

(10)

即，由功率需求确定的电池组容量应满足：

(11)

式中：Pbatt-max为电池组最大输出功率，kW；k为电池组最大放电率；cp为由功率需求确定的电池组容量，A·h；ubatt为电池组额定电压，V；ηmc为电机效率，取值0.9；Paux为车辆电气附件功率需求，取最大值4.5 kW。

3.3.2蓄电池组容量的确定

当E-REV在纯电模式下匀速行驶时，令蓄电池可用容量满足蓄电池纯电动续驶里程的设计指标，其储存的总能量Ebatt=ubattcE/1 000应满足：

(12)

即：

(13)

式中：Ebatt为电池组储存的总能量，km·h；CE为由能量需求确定的电池组容量，A·h；vd为纯电动模式下要求的最高巡航车速，取值vd=90 km/h；

S为纯电动续驶里程，km；DOD为电池组放电深度，取DOD=0.7；ηbatt为电池组平均放电效率；ηaux为汽车附件能量消耗比例系数，取值ηaux=0.1。

因此，电池组容量的取值可由下式得到：

(14)

由驱动电机的额定电压确定电池组电压等级，当电机功率确定时，电池组的电压和放电电流成反比，若想保护动力源，将电池母线的工作电流控制在一定的范围内，应将电池组电压等级提高。但电池组电压又不宜过高，否则，会增加整个电池组的体积和重量，不利于整车的设计。根据国标规定的电机电压等级以及选取的永磁同步电机的电压等级，将动力电池组的额定电压定为336V。车辆附件功率取最大值 4.5kW，将表4和表5的相关数据代入式(11)和式(13)中，可得到图5所示的电池组容量-最大放电率关系曲线。从图5可清楚地看到A、B两点纵横坐标值以及代表的含义。结合现有厂家的产品规格，确定电池组容量取 50A·h。电池组容量要满足能量和功率需要，要求电池组最大放电率不小于4.04C。动力电池组的主要参数如表7所示。

图5　电池组容量-最大放电率关系曲线

参数数值单体电压/V3.2单体容量/(A·h)5电池包额定电压/V336最大放电电流/A5C参数数值单体个数105串10并可用SOC范围/%30～100电池包额定容量/(A·h)50最大充电电流3C

4　E-REV动力传动系统参数匹配结果验证

在没有建立E-REV整车仿真模型之前，根据汽车理论知识，利用动力因子对车辆动力性进行评估，进而仿真验证整车的最高车速、加速性能和爬坡度。

4.1加速性能的验证

根据已知的驱动电机外特性、传动系效率以及整车基本参数，通过数值仿真计算，得到0～100 km/h的加速时间，计算公式为[3]：

(15)

式中：v1为加速测试时对应的起始车速，取值0；v2为加速测试时对应的终止车速，取值27.78m/s；Tp(v)表示电机的外特性转矩，为车速的函数；v表示实时车速，m/s。

图6　加速性能的仿真计算模型

由图6可知0～100 km/h的加速时间为18.24 s。

4.2爬坡度和最高车速的验证

依据汽车理论知识[5]，根据汽车动力因数和滚阻系数可计算车辆的爬坡能力，公式如下：

(16)

(17)

式中:α为坡道角；D为动力因数；F1为车轮上的驱动力；Fw为车辆行驶过程中受到的空气阻力。

利用Matlab软件，根据已知的电机外特性数据和整车基本参数采用m语言编写算法程序，运行程序，得到图7和图8所示图形。图7为驱动力行驶阻力平衡图，图8为E-REV的爬坡度曲线。

图7　驱动力行驶阻力平衡图

图8　车速爬坡度曲线

图7中，粗实线表示电机作用在车轮上的驱动力，其他5条线表示爬坡度分别为 0、10%、20%、30%、40%时对应的车辆行驶阻力。由图8可知，当i=0时(即车辆行驶在无坡度路面上时)行驶阻力曲线与驱动力曲线没有交点，此时车辆的最高车速由电机的最大转速决定[3]。因此，当电机转速为6 000 rpm时，计算得到对应的最高车速为129.84 km/h。由图8可知，当车速为15 km/h时，对应的E-REV的最大爬坡度为22.8%。

表8　整车动力性能指标验证结果

由表8可知，E-REV动力传动系统参数设计能够满足整车动力性的指标要求，这也验证了文中提出的动力系统参数设计方法的可行性。

5　结　语

通过汽车相关理论知识和工程分析，初步确定整车参数匹配各主要部件的特性参数，并验证了其可行性。该研究为后期整车参数的优化和整车模型的搭建提供了一定的理论参考。

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(责任编辑：陆俊杰)The Parameters Matching and Simulation Check of Extended Range Electric Mini Car

NIU Ji-gao1, LI Gen1, LI Chen-xu1, LI Bin1

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007， China)

The purpose of this paper is to match and verify the parameters of the extended range electric vehicle. In accordance with the requirements of vehicle, the selection of main components of vehicle is achieved; the corresponding theoretical calculations and proper engineering analysis have done based on the basic parameters and performance requirements of the vehicle, while ensuring the vehicle performance indicators to meet the design requirements, to obtain the characteristic parameters of the main components of the power system. Finally through the simulation software Matlab, the vehicle parameters matching is verified.

the extended range electric vehicle; parameters matching; the selection; simulation check

2016-07-04

河南省高等学校重点科研项目(17A460006)

牛继高(1970-)，男，河南郑州人，讲师，博士，主要研究方向为新型车辆动力系统建模、仿真及控制。

1671-6906(2016)04-0037-06

U469.72

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.008