轮毂电机式增程电动车参数匹配与性能分析

董丹秀，杨坤*，焦健，谭迪，田昭贤，王鑫恫

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东淄博255000；2.北京意威技术咨询有限公司， 北京100190)

0 引言

增程式电动车(extended-range electric vehicle, REEV)在传统纯电动车的基础上增加了辅助动力单元增程器[1]。与纯电动车相比，增程式电动车降低了对蓄电池容量的要求，通过增程器延长了续驶里程[2]；与传统内燃机车相比，减小了发动机尺寸与功率[3]，使整车经济性更优[4-5]。近年来，人们对其传动系统结构优化[6-7]、动力系统参数匹配[8-9]、控制策略开发[10-11]等方面的研究逐渐深入，如何精简增程式电动车底盘构型，减少不必要的传动损失，进一步提高续驶里程成为目前急需解决的问题。同时，随着对轮毂电机(in-wheel motor，IWM)电子差速[12]、制动能量回收[13]、轮毂电机驱动整车平顺性[14]等方面研究的发展，轮毂电机在电动车上的应用已十分广泛，这为轮毂电机在增程式电动车中的应用提供了基础。另外，选择轮毂电机代替集中式电机驱动能够扩大底盘可利用空间，以便配置体积更大的蓄电池；选用增程器前置轮毂电机后驱的动力系统构型，轴荷分配合理，因而有利于提高轮胎的使用寿命。上坡行驶时，因后轮上的附着力增加，故爬坡能力强；在特定工况下断开发动机与发电机之间的连接，发动机直接将动力传输给前轴，此时整车转化为四驱模式，通过性得以进一步提升。

基于轮毂电机应用于电动车以及增程器前置布置的优势，本文提出了一种发动机前置轮毂电机后驱的增程式电动车新构型，完成了对动力系统，包括轮毂电机、蓄电池、增程器与传动系的参数匹配，使用MATLABSimulinkStateflow搭建基于逻辑门限值的控制策略，利用AVL Cruise搭建整车仿真模型，基于新欧洲驾驶循环(NEDC工况)对整车动力性、经济性与控制策略进行了验证。

1 整车构型及工作原理

1.1 整车构型

所提出的增程式电动车构型如图1所示。增程式电动车的动力系统主要由轮毂电机、蓄电池、增程器与传动系组成。蓄电池作为增程式电动车主要的能量源，优先使用蓄电池电能。增程器由发动机、发电机与离合器2组成，特定工况下离合器2可断开，发电机停止工作，发动机将动力通过接合的离合器1与传动系传输给前轴。

图1 整车构型图Fig.1 Vehicle configuration diagram

传统增程式电动车构型如图2所示。以前轴驱动为例，电动机、增程器与蓄电池集中布置在底盘中前部，前桥负荷较重，影响整车爬坡性能；制动工况下，由于后轴负荷小且制动时轴荷前移，容易引起后轮抱死导致整车侧滑；工作模式单一，动力传输路线长，且高速行驶时发电机效率低。所提出的轮毂电机式增程电动车将驱动电机集成在轮毂处，扩大了地盘可利用空间以便将增程器与蓄电池均匀分布在整个底盘，轴荷分配均匀，整车动力性与安全性得以提升；通过在增程器中增添离合器和在发动机与传动系中增添离合器的方式增加了工作模式，以便满足复杂多变的行驶工况。高速行驶时增程器发动机可与发电机断开连接，直接驱动前轴，减少了动力损耗，提高了经济性。

图2 传统增程式电动车构型图Fig.2 Configuration diagram of traditional extended range electric vehicle

1.2 工作模式

纯电动模式(PE模式)是轮毂电机式增程电动车的主要工作模式，此模式下增程器不工作，蓄电池是唯一的能量源，轮毂电机单独驱动。增程模式(ER模式)启动时，离合器1断开，离合器2接合，发动机带动发电机发电，不起驱动作用。混合模式下(CD模式)，离合器1接合，离合器2断开，发动机与轮毂电机共同驱动。再生制动模式(RB模式)下 ，轮毂电机工作在发电模式下，将减速过程中的动能转换为电能储存在蓄电池中。

本文设置轮毂电机式增程电动车的工作模式及在各模式下各部件的工作状态如表1所示：

表1 不同工作模式下各部件工作状态表Tab.1 Working status of components in different working modes

2 参数匹配

本文以轮毂电机式增程电动车为研究对象，整车参数及性能指标如表2所示：

表2 整车参数及性能指标Tab.2 Vehicle parameters and performance index

2.1 轮毂电机参数匹配

2.1.1 轮毂电机转速

轮毂电机转速参数的确定包括最高转速与额定转速的计算。外转子轮毂电机与车轮之间无传动系统连接，车轮转速即为轮毂电机转速：

(1)

式中，nmax为电机最高转速；R为车轮半径。其他符号同上文。

电机的额定转速与最高转速之间满足公式(2)：

(2)

式中，ne为额定转速；β为扩大恒功率区系数。其他符号同上文。

2.1.2 轮毂电机功率

轮毂电机功率参数的计算包括峰值功率与额定功率的确定，电机的功率参数选择越大，整车的动力性能越好，但同时电机的体积和质量也会随之增大。一般情况下，电机的额定功率Pe由最高车速确定；电机的峰值功率Pmax应同时满足整车最高车速行驶、最大爬坡行驶和加速过程对整车功率的需求：

(3)

(4)

(5)

Pmax=max{Pmax1,Pmax2,Pmax3},

(6)

式中，Pmax1、Pmax2、Pmax3分别为整车以最高车速行驶、最大爬坡行驶与以最大加速度加速时电机的需求功率；ηt为传动系效率；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；imax为最大爬坡度；v0为爬坡车速；vm为加速过程末速度；δ为旋转质量转换系数；tm为加速时间；x为拟合系数。其他符号同上文。

2.1.3 轮毂电机转矩

电机额定转矩和峰值转矩为：

(7)

(8)

式中，Te为电机额定转矩；Pe为电机额定功率；Tmax为电机峰值转矩；Pmax为电机峰值功率；n0为电机基速。

由上述计算，轮毂电机的基本参数如表3所示:

表3 轮毂电机基本参数表Tab.3 Basic in-wheel motor parameters

2.2 蓄电池参数匹配

蓄电池是增程式电动车主要的能量源，电池的参数匹配包括蓄电池类型的选择、电池组电压、单体数目、电池组最大充放电功率与电池组容量的确定。

增程式电动车要求蓄电池有较高的比功率和比能量，循环使用寿命长，安全性能好、绿色环保[15]。本文选用三元锂电池作为整车的动力电池。

2.2.1 功率要求

蓄电池容量应满足整车最大功率的需求：

(9)

(10)

式中，Pout-max为蓄电池最大放电功率；ηmc为电机及控制器效率；Pacc为电附件功率；Cp为满足功率需求下的电池容量；Kout为电池最大放电倍率；Um为蓄电池直流母线电压。

2.2.2 能量要求

蓄电池储存的电能应能满足用户日常行驶里程的要求。统计结果表明，城市居民每天驾驶行程不超过50 km的用户约占70 %[16]。考虑到特殊情况与电池过充过放的问题，选取增程式电动车在纯电动模式下的行驶里程d1=70 km。

(11)

(12)

式中，Ebat为满足续驶里程下蓄电池提供的能量；CE为电池组满足能量要求下的容量；DOC为放电深度；ηb为电池放电效率；ηa为汽车附件能量消耗比例系数；ν为日常驾驶速度；d1为纯电动模式下整车续驶里程。其他符号如上文。

蓄电池的容量Cbat应取二者最大值：

Cbat=max{Cp,CE},

(13)

式中，各符号同上文。

蓄电池容量的选择还应保证增程式电动车在家庭电网条件下，充分利用夜间谷值电价通过慢充模式充电，降低充电成本。尤其是可对电池深度充电，提升电池充放电效率，延长电池寿命。电动车慢充模式下充电电流在16～32 A，整车充电过程可在6h左右完成[17]。

蓄电池最大充电功率为：

(14)

式中，Pin_out为最大充电功率；Uc为充电电压；Kin为最大充电倍率。其他符号同上文。

由上述计算，蓄电池基本参数如表4所示：

表4 蓄电池基本参数表Tab.4 Basic battery parameters

2.3 增程器参数匹配

增程器开启后，整车进入延长蓄驶里程模式。此时整车常处于高速巡航状态，因此增程器发电机的选型设计中按照汽车的最高车速来初步选择发电机功率[18]，由公式(3)计算得到发电机额定功率PRE=48 kW，发电机额定功率与峰值功率之间满足公式(15)：

(15)

式中，Pmax为发电机峰值功率；PRE为发电机额定功率；λ为电机过载系数。

增程器发动机参数的匹配还需保证发动机可单独驱动整车运行。发动机功率与发电机功率满足公式(16)：

(16)

式中，Peng为发动机额定功率；PRE为发电机额定功率；ηg为发动机—发电机传输效率。

初步选择传动系传动比为3.6，由公式(17)与公式(2)计算发动机最高转速与额定转速：

(17)

式中，neng-max为发动机最高转速；i为传动系总传动比。其他符号同上文。

由公式(7)可计算得到发动机转矩参数。

油箱的体积由增程器提供的续驶里程确定：

(18)

式中，V为油箱容积；d2为增程模式下整车续驶里程；be为燃油消耗率；vl为增程模式下行驶车速；ρ为92#汽油密度。其他符号同上文。

经计算，选择发动机参数如表5：

表5 发动机基本参数表Tab.5 Basic engine parameters

増程器发电机与发动机机械连接，其参数的选择应保证发电机能在发动机所有运行区域运行，并且在发动机高效区对应的发电机工作区域效率较高[17]。结合发动机万有特性图，选择发电机参数情况如表6。

表6 发电机基本参数表Tab.6 Basic generator parameters

图3为发动机万有特性图，图4为发电机效率图，由图3、图4可知，发电机高效率区转速范围为2 500～4 000 r/min，对应转矩范围为40～50 N·m。此转速转矩范围为发动机燃油经济区域。

图3 发动机万有特性图
Fig.3 Universal characteristic diagram of engine

图4 发电机效率图
Fig.4 Generator efficiency diagram

2.4 传动系传动比

传动系传动比最大值应满足发动机单独驱动时最高车速的要求，最小值满足最大爬坡度的要求：

(19)

(20)

式中，i为传动系传动比；Tmax为发动机最高转矩；α为最大爬坡角度。其他符号同上文。

计算得传动系传动比范围为：1.438≤i≤4.147。所设计传动系设置为两挡式。两挡间传动比比值过大会造成换挡困难，不宜大于1.7～1.8[19]。因此选择两挡传动比i1=2.125，i2=3.6。

2.5 匹配结果

经过上文的计算，得到轮毂电机式增程电动车动力系统参数匹配情况如表7所示：

表7 动力系统参数匹配表Tab.7 Matched dynamic system parameters

3 仿真与分析

动力系统构型和参数确定后，基于AVL Cruise仿真软件，对匹配的动力系统参数和开发的控制策略进行仿真验证与分析。

3.1 仿真模型建立

依照图1中整车构型，在AVL Cruise软件中搭建整车模型，并将整车基本数据与匹配参数填入初步建立的模型中。

3.2 整车控制策略的开发与搭建

基于增程电动车的结构，将增程电动车的工作模式分为纯电动模式、增程模式、混合驱动模式与再生制动模式。四种行驶模式的切换采取了基于逻辑门限值的控制策略，控制策略流程图如图5所示。

图5 控制策略流程图Fig.5 Control strategy flow chart

图5中，SOCmin为蓄电池SOC最低值，蓄电池SOC低于SOCmin时，增程模式开启；SOCmax为蓄电池SOC最大值，增程模式下，蓄SOC值到达80 %时增程模式关闭；vl为混合模式开启门限值，取值80 km/h。当车速高于vl时，发电机关闭，离合器2断开，离合器1接合，发动机与轮毂电机共同驱动整车行驶；Fb_req为需求制动力，Fb_e为电机提供最大制动力。当电机制动力可满足最大制动力需求时，选择再生制动模式。当电机制动力不足时，选择再生制动与机械制动混合制动模式。

3.3 仿真结果与分析

3.3.1 整车动力性能仿真分析

在AVL Cruise分别建立Maximum Velocity、Full Load Acceleration和Climbing Performance计算任务，半载情况下对整车动力性指标进行仿真分析。仿真结果如表8所示：

表8 动力性指标验证结果Tab.8 Verification results of dynamic performance index

3.3.2 整车经济性能仿真分析

关闭发动机与发电机，设定蓄电池初始SOC值为80 %，负载情况设置为半载，在NEDC工况下对增程式电动车在纯电动模式下进行仿真。仿真结果如表9所示：

表9 纯电动模式续驶里程验证结果Tab.9 Verification results of driving range of Pure Electric Mode

图6 NEDC工况仿真结果 Fig.6 Simulation results under NEDC operating conditions

验证增程模式下续驶里程时，负载情况设置为半载，蓄电池初始SOC值设置为29.9 %，使工况开始时整车便处于增程模式。在NEDC工况下对增程式电动车进行增程模式续驶里程仿真验证。整车车速与电池SOC随时间变化情况如图6所示。由图6可知，蓄电池初始电量为29.9 %，增程模式启动，增程器驱动轮毂电机的同时给蓄电池充电；第215s时蓄电池SOC上升到80 %，增程模式关闭，纯电动模式开启；直至1 042 s，车速高于80 km/h，混合驱动模式开启，蓄电池电量继续下降；第1 180 s时仿真结束，电池电量下降至35.27 %。

根据能量守恒，将增程模式下电池充电量换算为消耗燃油体积，结合行驶距离、燃油消耗量与增程式电动车的油箱容量，可计算NEDC工况下增程模式续驶里程情况如表10。

表10 续驶里程验证结果Tab.10 Verification result of driving range

NEDC工况下，轮毂电机输出转矩如图7。电机最大输出转矩为298 N·m。车速高于80 km/h时，发动机与轮毂电机共同驱动，电机输出转矩降低。

由图8可见，NEDC工况下，发动机的工作点分布于其燃油经济区。增程模式下，在发动机工作点处输出转矩为115 N·m转速范围为3 000 r/min；混合驱动模式下，在发动机工作点处输出转矩在95～105 N·m之间，输出转速在2 500～3 500 r/min之间。

图7 NEDC工况下电机转矩图
Fig.7 Torque Diagram of Motor under NEDC working condition

图8 发动机工作点分布图
Fig.8 Distribution map of engine operating points

3.3.3 控制策略仿真验证

在AVL Cruise中自设工况验证控制策略，仿真结果如图9。蓄电池初始SOC值设置为80 %，整车在纯电动模式下由静止状态缓慢加速，此阶段蓄电池SOC下降，增程器不工作，发动机转矩为0。第4 658 s蓄电池电量降至30 %，纯电动模式关闭，增程模式开启。此阶段增程器开启给蓄电池充电，蓄电池SOC上升，增程器采取恒温控制策略，发动机转矩稳定。车速上升至80 km/h时，混合驱动模式开启，蓄电池电量下降，发电机关闭，发动机向前轴提供动力。

图9 控制策略验证结果Fig.9 Verification results of control strategy

4 结语

传统增程式电动车动力系统布置困难，轴荷分配不合理且动力传输路线长，其动力性与经济性均会受到影响。因此，研究合理的增程式电动车构型并对其进行参数匹配具有重要意义。

① 提出了增程器前置轮毂电机后驱、特定工况下增程器发动机可作为驱动装置驱动前轴的新型增程式电动车构型，并对整车动力系统，包括轮毂电机、蓄电池、增程器与传动系进行参数匹配。该构型具有整车轴荷分配合理，底盘空间利用率高，高速工况下动力传输路线短，动力传输损耗小的优点。

② 基于MATLABSimulinkStateflow搭建了一种基于逻辑门限控制策略模型，基于MATLAB API接口与AVL Cruise完成了联合仿真。仿真结果表明，整车动力性指标与经济性指标均达到设定值；由发动机外特性曲线图与其工作点分布图可知，增程器发动机保证增程模式与混合驱动模式下整车动力性的前提下，工作点分布于燃油经济区，提高了增程器发动机的燃油经济性。

③ 提出的轮毂电机式增程电动车构型以及匹配的动力系统参数能够很好地解决传统增程式电动车轴荷分配不合理等问题，并对提高增程式电动车的动力性与经济性具有重要参考价值。