采用恒功率控制策略的增程式汽车动力系统匹配

张民安，储江伟

(东北林业大学 交通学院， 哈尔滨 150040)

面对环境的日益恶化及能源的日益枯竭，纯电动汽车凭借其节能环保的巨大优势，备受关注[1-3]。纯电动汽车具有零排放、零污染、高效率和不依赖石油等特点。但由于现阶段纯电动汽车所需的动力电池的能量密度和行驶里程无法达到人们的要求[4]，以及2017年后国家对新能源汽车企业的补贴退坡带来的纯电动汽车的成本问题，使得作为过渡阶段的增程式电动汽车成为现阶段新能源汽车的重要发展方向[5]。

增程式电动汽车采用串联式混合动力结构，在纯电动车结构的基础上，用燃油发动机和发电机组成的增程器为动力电池充电，以解决纯电动汽车续航里程不足的问题。由于发动机并没有作为车辆的直接动力源，所以对动力系统中各个组件的参数进行匹配是能否满足整车动力性和续航里程要求的关键[6-7]。本文对一款恒功率控制策略增程式电动汽车进行动力系统匹配设计，以达到节能减排的目的。最后利用Cruise搭建仿真模型，并验证动力系统参数的可行性。

1 增程式电动车的动力系统分析

增程式电动汽车的动力系统主要由驱动电机、动力电池和增程器组成。发动机为辅助能量源，不直接参与动力输出，只在动力电池电量不足时带动发电机为动力电池供能，驱动电机作为唯一的动力输出单位。基于增加纯电动汽车的续驶里程的目的，在纯电动汽车基础上增加增程器组成增程式电动汽车，结构形式如图1所示。动力电池和驱动电机的布置形式与其他纯电动汽车一致，传动系统可以是各种变速装置[8]。

图1 增程式电动汽车的结构框图

从运行情况上分析，增程式电动车有2种工作模式，即纯电动模式和增程器运行模式。纯电动模式时，动力电池电量充足，增程器关闭，驱动电机作为唯一的动力单元。当动力电池电量不足时，增程器启动，为动力电池充电。当动力电池的电量充足时，增程器停止工作，汽车继续以纯电动模式工作[9-10]。

2 增程式汽车动力参数匹配

2.1 增程式汽车整车参数及动力性能指标

增程式电动汽车主要参数如表1所示。

表1 基本技术参数

按照GB/T28382《纯电动乘用车技术条件》规定，并结合市场需求，动力性能要求及续驶里程如表2所示[11]。

表2 性能指标

2.2 驱动电机参数设计

驱动电机是EREV的唯一动力源，对电机的要求更高，需要能频繁地启停、加减速，满足低速爬坡时的高转矩和高速爬坡时的低转矩要求[12]。因此，驱动电机应调速范围广、在宽转速和转矩范围内实现简单控制，成本低，尺寸小、质量轻，并且不用过多维护。本研究选用效率高、调速范围宽的永磁同步电机[13]。

驱动电机的参数匹配主要包含峰值转速、额定转速、峰值功率、额定功率、峰值转矩和额定转矩的计算。其参数的选择与匹配必须满足车辆行驶的最高车速、最大爬坡度、最大加速度时的动力需求。

1) 由最高车速vmax确定最大功率Pmax1。车辆在高速行驶时，主要受到空气阻力与来自地面上的摩擦阻力，因此可得功率平衡方程：

(1)

2) 根据最大爬坡度计算最大功率Pmax2。在根据整车的最大爬坡度确定电机的功率需求时，忽略加速阻力的影响，爬坡时的功率为

(2)

式中v为爬坡过程均速度，根据GB/T28382—2012取20 km/h。

3) 根据加速性能确定最大功率Pmax3。车速变化过程可由式(3)表示。

(3)

式中x为拟合系数，取值0.5[14]。

加速末时刻汽车的输出功率达到最大。因此，加速过程最大功率为

(4)

式中：vm为末速度；tm为加速时间。进而得到：

(5)

根据混合动力汽车动力性能试验方法(国家标准 GB/T19752—2005)中整车性能测试采用半载质量的规定，将实验中的半载质量作为计算质量,本研究取值为1 400 kg，得pmax1=26.05 kW,pmax2=23.05 kW,pmax3=52.30 kW。综合考虑以上动力性指标要求，该增程式电动汽车的最大输出功率应满足：

Pmax≥maxPmax1,Pmax2,Pmax3=52.30 kW

4) 通常采用能够保证电动汽车以最高巡航车速行驶的功率来确定电动汽车的额定功率。得到电机额定功率为26.05 kW。根据国家标准GB/T18488.1—2015对电机功率等级的规定，取电机的峰值功率Pmax=55 kW，额定功率Pe=30 kW。

(6)

式中λ=1.83为电机的过载系数，符合一般λ=1.5～2的过载要求。

5) 确定电动机的额定转速和最高转速。由于增程式电动汽车只有一级固定传动比的主减速器，所以电机转速由车速及传动比决定。电机的最高转速是车辆在最高车速下对应的转速，由式(7)可以得到电机最高转速为7 800 r/min。

(7)

电动机峰值转速与额定转速(基速)之比称为电机扩大功率区系数β，也称基速比。根据驱动电机的外特性曲线，恒功率区便为电机峰值转速与基速之间的等功率输出区。β越大说明两转速差值越大，恒扭矩区越小，电机在低转速可获得较大转矩。β越小会使恒功率区变小，使电机在较低转速损失部分功率，增大了逆变器的功率损耗和尺寸，所以β的取值通常为2～4，根据实际使用情况，使用电机额定转速较为普遍，此取β=2.6。由式(8)可以得到电机的额定转速为3 000 r/min。

(8)

6) 驱动电机的转矩可式(9)求得

(9)

式中T为驱动电机的转矩(N·m)。

将参数代入式(9)计算驱动电机的额定转矩T额=95.5 N·m，同样根据电机的外特性曲线，结合过载系数λ最后确定电机的峰值转矩TF=174 N·m。根据计算结果确定本设计所需驱动电机的性能指标，见表3。

表3 驱动电机参数

2.3 动力电池参数匹配

作为驱动电机的直接动力源和唯一能量储存的装置，蓄电池应该具有良好的充放电性能，用以确保整车的动力性能和再生制动回收能力，并且与电力系统的电压等级以及变化范围必须相同。电动轿车的常用电压为280～350 V。本文选用三元锂电池[15]，动力电池电压为320 V，单体电池的电压为12 V，数量为27，其参数匹配应从保证汽车的动力性指标与续驶里程的角度出发。

2.3.1 根据续航里程确定电池容量

匀速行驶时纯电动模式需求的功率为

(10)

根据GB/T18386规定，式中v=60 km/h，代入得P=3.83 kW。

纯电动模式的需求能量为

(11)

式中：s为纯电动模式续航里程(km);W1=3.83 kW·h。

W=W1+W2

(12)

式中W2为汽车附件所耗的电量(总量的20%)，将参数代入上述公式得W=4.78 kW·h。

W=WessξSOC

(13)

式中：Wess为电池组实际释放能量；ξSOC为电池组有效放电容量系数，取0.8。计算得Wess=5.98 kW·h。根据电池总能量可以求出电池容量，计算公式为

(14)

式中：U为动力电池工作电压；C1为电池组的容量。计算得电池组容量C1=18.69 A·h。

2.3.2 根据动力性确定电池容量

蓄电池最大放电功率需满足关系式：

(15)

式中：pbmax是蓄电池最大放电功率；pa是车辆附件功率，本文取 5 kW；ηb为驱动电机效率，本文取0.9。则蓄电池容量满足

(16)

式中：C2是功率确定的蓄电池容量，为60 A·h；k是最大放电率，取3.5 h-1。因此，其容量C≥max(C1,C2)。

表4 动力电池参数

2.4 增程器参数匹配

为了保证车辆良好的燃油经济性并且使发动机工作于高效区，本研究的增程式电动车增程器采用恒功率控制策略。增程器只作为驱动电机的辅助能量源,为驱动电机间接供能。纯电动模式是增程式汽车的主要运行工况。由于4冲程汽油机具有品种多、型号全面、升功率高、技术成熟等优点，因此增程器发动机选用4冲程汽油发动机[16]。

1) 发电机参数匹配

发电机的输出功率Ps能够保证汽车在最高速度行驶时需要的功率：

(17)

式中ηm是电机效率，取0.94。由此得到发电机最大功率为27.7 kW。

2) 发动机参数匹配

由于增程器采用恒功率控制策略，增程器发动机工作的最优燃油消耗点的功率要保证能够单独提供车辆以 120 km/h的速度匀速行驶：

(18)

式中：pe是发电机输出功率(kW)；ηs是发电机的工作效率，取值为0.96。由此得到发动机输出功率应为29.2 kW。

根据图2中的B点，此点发动机功率为30 kW，发动机转速为2 500 r/min，为发动机最优燃油消耗率点，be=230 g/kW·h。

结合整车性能中的续航里程要求，油箱的容积大小为

(19)

式中:S为增程模式行驶里程，取340 km；v2为巡航车速，取120 km/h；ρ为汽油密度，取0.752 g/mL。根据式(19)得容积V=25.99 L，确定油箱容积为26 L。

图2 某小型4冲程汽油机万有特性曲线

考虑恒功率控制策略发动机转速及输出功率，选取永磁同步电机作为发电机，输出转速为 2 500 r/min，标定的输出功率为28 kW，发动机在 2 500 r/min 时输出 30 kW 的功率来满足驱动需求。

3 Cruise整车模型建立与仿真

3.1 整车模型的建立

应用Cruise软件建立整车模型[17-18]，并对汽车的动力性、耗能情况进行模拟仿真，模型如图3所示。

图3 Cruise整车模型

3.2 整车仿真结果分析

3.2.1 耗能情况仿真分析

整车经济性是汽车关键性能指标，直接决定车辆能否满足2种工作模式的续航里程，通常由NEDC循环工况下的增程模式百公里油耗及纯电动模式的百公里耗电量来衡量。纯电动模式下NEDC循环工况仿真结果如图4所示，蓄电池荷电状态(SOC)值由95%到5%，车辆行驶了62 km，根据本车动力电池电量60 A·h，得出纯电动模式下的每百公里耗电量为18.9 kW·h。增程充电模式下NEDC循环工况仿真结果如图5所示，设定荷电状态值的变化范围为27%～90%，行驶了470 km，根据油箱体积确定油耗为26 L,得出增程模式下每百公里油耗为6.34 L。

3.2.2 动力性仿真分析

整车动力性仿真是验证动力系统匹配是否合理的主要途径。参照GB/T19752—2005对车辆进行动力学性能仿真。

图4 纯电动模式下NEDC循环工况仿真结果

图5 增程模式下NEDC循环工况仿真结果

车速/(km·h-1)档位〈-〉时间/s距离/m转速/(r·min-1)1010.921.29537.572011.855.151 075.133012.7811.611 612.704013.7220.702 150.275014.6632.462 687.836015.6247.203 225.407016.7567.663 762.978018.0995.584 300.539019.67133.004 848.10100111.55182.735 375.67110113.71245.835 913.23120116.25326.926 450.80130119.23430.436 988.36140122.85566.537 525.93

1) 百公里加速时间仿真分析。根据表3驱动电机性能参数，创建车辆全负荷加速任务，得到的仿真结果表明：0～100 km/h加速所用时间为11.55 s。仿真结果如表5所示。

2) 最高车速仿真分析。仿真结果如图6所示。得到车辆的最高车速为150 km/h。

图6 最高车速仿真结果

3) 最大爬坡度仿真分析。根据国家电动车试验标准GB/T 19596—2004，结合驱动电机外特性曲线，在电机转速达到基速前为恒扭矩输出，达到基速后，扭矩逐渐减小，这与仿真结果(图7)相同。

图7 爬坡度仿真结果

3.2.3 仿真结果与性能指标对比

仿真结果符合目标整车性能设计目标，但仿真值存在一些误差。这是由于在建模过程中，部件参数的设定与实际驾驶情况存在差异，在实际行驶过程中的驱动电机外特性曲线、发动机外特性曲线、蓄电池供电特性及轮胎半径受温度等环境因素影响，所以仿真结果过量完成指标是可行的。

表6 整车仿真结果与目标车型参数对比

4 结束语

本文以整车的动力性能指标为约束，基于恒功率控制策略，通过理论计算及仿真分析，得出仿真车辆的动力性与经济性均满足设计要求，验证了动力系统参数匹配及方法的合理性，并且通过对仿真结果的计算得出了车辆纯电动模式下的每百公里耗电量(18.9 kW·h)和增程模式下的每百公里油耗(6.34 L)。可见采用恒功率控制的増程式电动汽车既实现了节能减排，又克服了纯电动汽车续驶里程短的缺陷。