某增程式电动公交车性能开发与试验研究

黎程　杜志良　张有

摘 要：增程式电动汽车是新能源汽车领域一个重要分支。增程式电动汽车的研发应主要关注两点，第一是动力系统的选型和匹配，第二是整车控制逻辑的制定与策略的优化。如果设计恰当，可同时满足整车的动力性和经济性指标。文章以某自主研发增程式电动公交车为研究对象，进行实车性能研究与验证，取得了较好的预期效果。

关键词：增程式电动汽车;驱动模式;性能开发;整车试验

中图分类号：U469.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）11-01-04

Abstract： Extended-range electric vehicle is an important categoryof new energy vehicles. The design and research of the extended-range electric vehicle mainly focus on two points. The first isthe matchingand selection of the main powertrain systemand the second is the vehicle control logic development and strategy optimization. If the design is suitable， we can meet the vehicle power and economic indicatorrequirements. In this paper， an independent research and development of electric vehicles is used as the research objectto obtainthe actual vehicle performance research and verification. And the testachieved good and expected results.

Keywords： Extended-range electric vehicle; Matching; Performance research;

Vehicle testCLC NO.： U469.7  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）11-01-04

引言

隨着电动汽车越来越多的走入人们的生活，国内电动汽车的研发也进入了快速发展阶段。增程式电动车以其独特的工作特性逐渐进入人们的视野。

增程式电动汽车可以看作是串联式混合动力向纯电动方向的延伸。增程式电动汽车采用驱动电机驱动车轮，以动力电池为主要能量来源，而发动机和发电机组成辅助发电单元（以下简称APU），当电池电量不足时向驱动电机提供电能，从而延长车辆续驶里程。

在能量管理方面，传统混合动力以优化发动机工况点，提高混合动力经济性为主要目的，而增程式电动汽车则同时兼顾提高混合动力经济性和增加电池能量使用两方面。因此，相比于传统混合动力，增程式电动汽车能够更大限度地实现节能和减排。而相对于纯电动车，增程式电动汽车可以通过APU的工作，弥补由于电池能量密度较低导致续驶里程不足的缺陷，同时在电池电量较低时保证车辆行驶的动力性，防止对动力电池进行深充深放。

本文以某自主研发增程式电动公交车为研究对象，使用AVL-CRUISE 软件建立整车动力总成模型，在MATLAB/ SIMULINK 中建立控制策略模型，对所匹配的整车模型进行动力性与经济性仿真，并通过实车试验完成了对样车性能的验证。

1 增程式电动汽车结构与原理

增程式电动汽车是在纯电动汽车基础上装备一个辅助发电机组以备电池电量不足时为驱动电机、电池组提供电能，因此增程式电动汽车可以利用电网进行充电，所以增程式电动汽车要优先使用廉价的电能驱动，在需要额外动力补充时，开启发电机组，并使得发动机工作于最佳工作点，带动发电机工作，输出的电能通过功率转换器，传送到电机或者动力电池，充分发挥其优势。行驶过程中，由整车控制器（以下简称VCU）解析踏板开度信号、档位信号和钥匙开关信号，对驾驶员意图进行识别。车辆在各工种模式之间自动切换。

增程式电动汽车的动力系统部件较多，相对纯电动车增加了 APU、油箱等，相对传统汽车增加了动力电池组及控制器。增程式电动汽车在动力总成布置方面考虑因素较多，既要保证紧凑和美观，又要解决好诸如 APU 振动噪声、动力电池安全防护与热管理、保养维护以及轴荷的分配等技术问题。

增程式电动汽车系统结构原理图如图1所示。

根据增程式客车自身的使用特点和工况特点，包括其作为城市公交车、单位班车或者城际短途用车等，需要考虑的因素主要有：城市的空气污染，噪声污染，车辆的频繁启停加减速及低速行驶，制动能量回收等。为了充分利用电能，合理分配功率，使驱动电机和发动机运行于高效区，增程式电动汽车制定了以下几种运行模式。

1.1 电池组单独驱动模式

增程式电动汽车的电池组驱动模式即纯电动驱动模式，此时电池电量能够满足整车功率需求，APU 不工作，电能传递到驱动电机，转化为机械能，经传动系统到达车轮。电池组单独驱动模式下，整车运行噪声小，平稳，完全符合当今城市对新能源汽车的要求。

1.2 APU与电池组共同驱动模式

当整车的牵引功率较大，动力电池由于电量和自身输出电流的限制，此时的驱动能量可由 APU 和电池组共同提供，APU 输出电能与电池组输出的能量一起传递到电动机。两者共同驱动的好处是可以避免电池过放电，并且能达到更大的驱动能力。

1.3 APU驱动且充电模式

这一运行模式充分体现了增程式电动汽车的两套动力系统相比于纯电动汽车的优势，在电池组的电量接近下限时，APU 作为主要动力源，既驱动整车的运行又给电池组充电。

1.4 再生能量回收模式

由客车的运行工况可知，在城市中客车会频繁的减速停车，此时的回收能量对于节约能源有重要意义。进行能量回收时，驱动电机工作模式相当于一台发电机，产生的电能向电池组供电，制动能量回收将机械能转变为电能存储到电池中。

2 增程式电动公交车性能开发

2.1 样车配置选型

根据增程式电动汽车动力系统构造原理，结合样车性能开发指标要求，通过AVL-CRUISE软件自带的各组件模块建立整车模型并进行整车性能仿真，建模示意图见图2。

为满足性能开发目标，如最高车速、加速性、节油率及纯电续驶里程等的指标要求，结合现有整车及总成资源经计算，最终确定选型表见表1，驱动电机外特性及效率特性见图3。

2.2 增程器工况点设计

APU发电工况如何设计将直接影响到整车油耗的大小。通过油耗仪测试发动机小时油耗量，功率分析仪测试增程器输出电压、电流，使用CAN通讯设备监控发动机转速与输出扭矩，搭建起一整套增程器性能试验平台。通过测试，绘制油耗功率比万有特性图，如图4所示。

通过万有特性图可以直观的得出如下结论：为使APU发电工况运行在高效区，发电机功率应在14kW至18kW之间选取，发动机转速应在1800r/min至2400r/min之间选取。综合增程器NVH性能，选取发动机功率为16kW，转速为2100r/ min。

3 性能验证

对原型燃油车型进行基本性能试验，以获得整车性能数据，试验包括整车动力性、經济性及主观评价等。在保证试验条件相同的前提下，进行增程式电动车型性能试验验证。获得增程式电动车型的整机基本性能数据，对比分析样车性能的优劣，为后续改进及项目结项提供依据。

增程式电动汽车性能验证包括功能性验证试验，动力性及经济性验证试验。功能性验证主要验证APU、电池及驱动电机协同工作的能力，电池充放电功能、驱动电机动力输出功能及制动能量回收功能。动力性验证主要验证车辆的加速性能。经济性验证主要验证车辆在公交工况下与传统燃油车型之间的能耗差异。

3.1 功能性验证

功能性验证分为加速、减速及自由驾驶三个工况，通过测试可以得出如下结论：

全油门加速过程中，整车控制器VCU能够控制电池能量平稳释放。经8秒使驱动电流从0增加到100A，最终控制电流稳定在80A附近。当车速达到最大限速100km/h时，驱动电流减少至40A附近，使车辆稳定行驶在最大限速状态。制动过程中，整车控制器VCU能够控制驱动电机以接近40A的电流回收制动能量，如图5所示。

自由驾驶过程中，整车控制器VCU能够实现控制APU与电池组共同驱动整车行驶的功能，电池作为储能装置非常自如的进行充放电切换。当车辆加速时，电池放电以达到助力作用，当车辆减速时，电池充电，以达到回收能量的作用，如图6所示。

3.2 动力性验证

增程式电动汽车不仅能单独使用电池组放电模式进行行驶，同时可以让APU与电池联合供电使车辆获得更快的加速度。为验证车辆的动力性能，仅测试单独使用电池组放电模式车辆的加速时间来评判，如图7所示。0到50km/h满载加速时间为10s，且加速平稳。与传统燃油车相比，加速时间慢2.7s。加速性能满足项目开发要求。

3.3 等速工况油耗试验

通过等速60km/h工况油耗试验可以看出，与传统燃油车型相比，增程式电动汽车并无明显优势。见表2，表3所示。车辆在等速行驶状态增程式电动汽车制动能量回收的功能无法体现，而驱动车辆行驶的能量需求却是相同的。从能量的转化效率方面来讲，增程式电动车型与匹配较好的传统燃油车相比差异不大。

3.4 中国典型城市公交循环工况油耗试验

在车辆的应用领域城市公交工况非常恶劣，车辆在运行过程中必需面对频繁的停车，加速及减速工况。对于传统燃油汽车，在面对上述工况时表现非常糟糕，发动机不仅难以运行在高效区，反复的加减速也使发动机负荷增加，寿命降低，排放污染增加。增程式电动汽车非常好的解决了传统燃油汽车在城市公交工况中遇到的诸多问题。

根据国标《GB/T 19754-2015重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》对样车进行中国典型城市公交循环工况能量消耗量测试，试验结果见表4，曲线见图8，图9。

增程式电动汽车运行中国典型城市公交循环，百公里油耗仅8.6升，而传统燃油车型百公里油耗达到16.2升，增程式电动车型的公交工况节油率达到46.9%，见图10所示。按照油箱容积70L计算，该工况的续驶里程理论上能达到894km。

4 结论

（1）增程式电动公交车型基本性能满足设计要求。达到了预期目标。

（2）通过合理的动力总成选型与策略优化，中国典型城市公交循环工况节油率达到46.9%。理论续驶里程达到894km。

（3）原地起步加速至50km/h车速，加速时间仅10s，动力性能较好。

（4）对驱动电机进行进一步的优化选型可以达到更好的节油效果。

参考文献

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[2] 韩奎红，蹇小平，冯镇等.增程式城市客车动力系统匹配设计与试验.[J]汽车电器.2013（05）.

[3] 周苏，牛继高，陈凤祥，裴冯来.增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究.[J]汽车工程.2011（11）.