增程式电动客车动力系统集成与匹配分析

房永强

增程式电动客车动力系统集成与匹配分析

房永强

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

增程式电动客车具备一定里程纯电行驶和长距离增程行驶的特点，能缓解纯电动客车里程忧虑问题。文章针对市场需求和实际应用场景，对增程式电动客车动力系统中的驱动电机、动力电池、增程器总成等核心部件进行了性能匹配设计，并在MATLAB-Simulink软件平台中建立整车动力系统动力学模型。基于纯电为主、增程为辅的使用特点，制定了增程式动力系统总体工作策略，而后对常用车速巡航维持功率、高速巡航维持功率进行计算，并对中国重型商用车辆行驶工况（CHTC-C）下增程器输出功率与动力电池能量变化进行仿真分析，结果表明增程器输出功率越小，需要动力电池补偿的驱动能量越多，当达到某一经济功率时动力电池电量基本平衡。相比于传统单一工况匹配增程器功率的方式，文章考虑特定场景具体需求，并对多种工况下增程器经济功率和最大输出功率进行分析，为增程器选型及后续功率跟随策略的完善提供了思路。

增程式电动客车；动力系统；集成匹配；控制策略

随着能源和环境问题日趋严峻，新能源汽车在国家政策支持下已成为汽车产业发展的主要方向[1]。增程式电动客车作为新能源客车的一种类型，将发动机和发电机结合为增程器，使发动机大多数工作在高效率区间，燃油经济性达到最高[2]。从产品适应性和电动化政策趋势看，增程式电动客车在特定场景下，能充分发挥中短距离纯电行驶和长距离增程行驶的优势，缓解纯电动客车的里程忧虑问题[3-4]。本文针对市场实际需求，对采用的增程式电动客车及其动力系统集成匹配进行研究。

1 增程式动力系统方案

增程式电动客车是一种在纯电模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电储能系统无法满足续航里程要求时，打开车载辅助供电装置为动力系统提供电能，以延长续航里程的电动客车，且该车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴（带）等传动连接[5]。增程式动力系统主要组成包括增程器、驱动电机、动力电池，其中驱动电机作为唯一动力源，动力电池为主能量源，增程器作为辅助能量源，由发动机和发电机构成，典型的系统结构图如图1所示。

图1 增程式动力系统结构图

增程式电动客车在行驶过程中，大多数时间由动力电池提供能量，当电池荷电状态（State Of Charge, SOC）低于限定值时增程器开启，消耗燃油燃料为车辆持续行驶提供能量，达到增加续航里程的目的，同时富裕能量可为动力电池充电并维持电池能量平衡。车辆制动时，制动能量也能实时回收储存在动力电池中。

某市场对新能源车辆性能及使用特定需求有：城市内日常用车接待时采用纯电动模式，在周边停车场充电桩进行补电；中长途出行及周边旅游时采用增程模式，中途或返回点加油进行补给，以解决里程焦虑问题。结合客户以纯电为主、增程为辅的使用需求，采用增程式电动客车方案，其整车参数及主要性能指标要求如表1、表2所示。

表1 某款增程式电动客车整车参数

整车参数符号数值 满载质量/kgmmax7 000 迎风面积/m2A4.8 轮胎滚动半径/mmr0.372 风阻系数CD0.53 滚动阻力系数f0.009 主减速器传动比i04.88 传动系传动效率ηT0.90

表2 某款增程式电动客车主要性能指标要求

性能指标符号技术要求 最高车速/(km/h)vmax120 百公里加速时间/stmax≤24 (10 km/h)最大爬坡度/%imax≥25 (20 km/h)持续爬坡度/%icon≥9 4%坡度最高车速/(km/h)vi4≥60 (40 km/h等速)纯电里程/kmSE≥300 (40 km/h等速)增程里程/kmSR≥400

2 动力系统参数匹配

2.1 驱动电机

汽车功率平衡方程式[6]如式（1）所示：

式中，e为车辆驱动功率，kW；为车辆质量，kg；为车辆行驶车速，km/h；为坡度，%；为旋转质量换算系数，取1.01。

电机最高转速应满足最高车速要求，如式（2）所示。

式中，max为电机最高转速，r/min；g为变速箱速比，取1。

计算可得最高转速应不低于4 176 r/min，通常永磁同步电机最高转速与额定转速比值在2～4，此处取2.8，则额定转速应不低于1 491 r/min。

在爬坡工况下，根据驱动电机转速-转矩特性，额定转速以内为恒转矩模式，额定转速以上时为恒功率模式。恒转矩模式下电机的输出转矩会影响最大爬坡度和起步加速能力[7]，电机驱动力如式（3）所示。

式中，e为电机驱动力，N；i为电机转矩，N·m；g为变速箱传动比，取1。

车辆爬坡时需要克服风阻和滚阻，结合式（3）进一步可得电机转矩需满足式（4）。

在加速工况下，按照设计指标要求，车辆速度从零加速到100 km/h要求小于24 s，电机功率[8]如式（5）所示。

式中，a为加速功率，kW；a为加速时间，s；f为加速最终速度，m/s；b为驱动电机额定转速下对应的车速，可由式（2）计算得到，m/s；a为空气密度，取1.225 8 N·s2·m-4。

此外，为接近实际运行情况，基于中国重型商用车辆行驶工况（China Heavy-duty commercial vehicle Test Cycle-City coaches, CHTC-C）[9]模拟，经仿真计算，该车型在工况下行驶需求功率谱如图2所示，其中最大行驶需求功率为88.54 kW。

图2 CHTC-C工况下整车行驶需求功率图

综上，在不同行驶工况下，将表1、表2参数分别代入以上各公式，计算整理得到表3。

表3 各特定工况下需求的最大功率、转矩及转速

特定行驶工况最大需求功率/kW最大需求转矩/(N·m)最高需求转速/(r/min) 满载最高车速匀速工况（m=mmax；v=vmax；i=0）87.02 4 176 满载百公里加速工况（m=mmax；v=100 km/h；i=0）182.59 满载最大爬坡度匀速工况（m=mmax；v=10 km/h；i= imax）53.2381 504.89 满载4%坡度最高车速工况（m=mmax；v=vi4；i=4%）70.22321.192 088 满载9%持续爬坡匀速工况（m=mmax；v=20 km/h；i= icon）42.05575.22 满载CHTC-C行驶工况（m=mmax；i=0）88.54

电机峰值功率应同时满足以上满载最高车速、百公里加速时间、最大爬坡度以及CHTC-C工况的功率要求，则峰值功率应不低于182.59 kW。电机额定功率应同时满足以上满载最高车速、稳定车速持续4%坡度爬坡的功率要求，并且峰值功率与额定功率比值一般在2～3倍，则额定功率可取87.02 kW。

电机峰值转矩要满足最大爬坡度要求，则峰值转矩应不低于1 504.89 N·m。电机额定转矩要满足9%爬坡度下持续爬坡需求，并且额定转矩要满足式（6）计算关系，则额定转矩应接近575.22 N·m。

式中，e为电机额定转速，r/min；e为电机额定功率，kW；e为电机额定转矩，N·m。

综上，结合电机型谱选择额定功率为90 kW；峰值功率为188 kW；额定转矩为588N·m；峰值转矩为1 700 N·m；额定转速为1 460 r/min；峰值转速为4 500 r/min的驱动电机。

2.2 动力电池

由于特定市场需求明确，电池电量首先需满足纯电行驶里程需要，由表2可知车辆40 km/h等速下纯电里程要求不低于300 km，由此对动力电池电量进行计算。

式中，40为车速，取40 km/h；40为匀速行驶需求功率，kW；H为动力电池荷电状态上限值，取100%；L为动力电池荷电状态下限值，取10%；E为动力电池总电量，kWh。

代入相关参数计算可得E为83.33 kW。同时，电池功率需满足整车在纯电动模式下的性能需求，即电池最大功率应覆盖驱动电机最大功率需求，并且满足整车电附件最大功率需要。

式中，bat为电池最大放电功率，kW；mot为电机最大功率，取182.59 kW；aux为整车电附件综合功率，取10 kW。

代入相关参数计算可得bat为192.59 kW。

综上，结合电池型谱选择电池电量为83.33 kWh；额定电压为537.6 V；最大输出功率为210 kW的磷酸铁锂电池组。

2.3 增程器

增程器由发动机和发电机组成，对外机械解耦，只输出电能，因此增程式电动客车行驶模式主要有纯电动模式和增程发电模式。处于纯电动模式时，要求动力电池最大输出功率满足整车纯电动行驶需求；当电池电量不足时，增程器启动供电驱动整车行驶，富裕功率可为动力电池充电。

增程器功率需确保整车在各种行驶工况下动力电池不亏电，并且在大多数使用工况下发动机尽量维持在万有特性曲线的高效率、低排放区间。基于常用平均车速行驶功率[10]、高速最低巡航车速行驶功率[11]、模拟循环工况下电量平衡功率[12]等工况下对增程器维持整车功率进行计算。

表4 特定行驶下需求的维持功率

特定行驶工况需求功率/kW备注 常用平均车速（m=mmax；v=60 km/h；i=0）19.45由式（1）计算 高速最低巡航车速（m=mmax；v=80 km/h；i=0）34.25由式（1）计算 CHTC-C模拟循环工况（m=mmax；i=0）24图5仿真结果

增程器最大输出功率应满足高速最低巡航车速行驶功率，则最大输出功率应不低于34.25 kW，选择的发动机和发电机组的转矩和转速高效率经济区功率值，应尽量接近常用平均车速行驶功率19.45 kW，以及实际运行路况（以CHTC-C模拟工况为参考）下维持动力电池能量平衡的最小功率24 kW。

由此，依据增程器发动机万有特性和发电机工作特性曲线，综合选型燃油消耗率在20～25 kW特性曲线区域整体较低，且最大输出功率不低于35 kW的增程器方案。结合市场现有资源选定某款40 kW增程器方案，进而可按式（10）计算需要的油箱容积[13]。

式中，v为油箱容积，L；e为发动机平均燃油消耗率，取220 g/kWh；g为汽油密度，取0.752 g/cm³。

代入相关参数计算可得v为43.88 L，结合市场资源选择45 L的油箱。

3 动力系统仿真分析

在MATLAB-Simulink软件平台中建立整车动力系统行驶仿真模型，如图3所示。

基于纯电为主、增程为辅的市场使用需求，在驾驶区设置模式切换开关，纯电动模式及增程模式下都优先使用动力电池。增程模式下，增程器尽可能多的运行在经济模式区间，并采用功率跟随策略[14]，使发动机功率范围尽可能包含高效率区间，且增程器输出功率具备一定的动态跟随能力，以提高综合工况下的运行效率。当动力电池低于设定上限（如60%）且未高于设定上限（如65%）时，增程器启动工作，选取发动机与发电机联合发电效率最高的工作区间范围，作为增程器的经济输出功率，整车需求功率超过增程器经济输出功率部分，由动力电池补充；需求功率小于增程器经济输出功率时，富裕功率对动力电池充电。当复杂路况情况下，电池低于设定下限（如30%）时，增程器开启最大输出功率，使尽可能快地恢复到发电上限（如50%）后增程器恢复经济运行模式。制定主要的控制策略如图4所示。

图3 整车动力系统行驶仿真模型

图4 增程式动力系统主要工作策略

以CHTC-C中国普通客车行驶工况作为实际模拟路况进一步仿真分析，能量回收率取70%，初始动力电池设定为50%，在既定控制策略和选定的增程器规格下，经仿真计算可得图5－图6。

图5 CHTC-C工况下增程器输出功率与电池能量关系

图6 CHTC-C工况下40kW增程器对应电池能量变化

由以上综合工况仿真结果可知，增程器输出功率越小，需要动力电池补偿的驱动能量越多，行车充电越少。当增程器输出功率为24 kW时，电池能量基本无变化，即制动回收的和行车充电的能量等于电池需要补偿的驱动能量。

在选定的增程器方案最大输出功率为40 kW的状态下，动力电池能量增加了5.22 kWh，能持续提高或维持在合理水平，即增程器的最大输出功率能保障动力电池不持续下降到使用下限，并有富裕功率对电池进行补充。

4 结束语

本文针对市场需求和实际应用，对采用的增程式电动客车动力系统方案进行匹配计算，建立了整车系统动力学模型，基于纯电为主、增程为辅的使用需求，制定了增程式动力系统控制策略，并对常用车速巡航、CHTC-C工况下增程器经济功率，以及高速巡航增程器维持功率进行了计算与仿真分析，相比于传统单一工况的匹配方式，本文方案充分考虑特定场景具体需求，更贴近实际情况，仿真结果也验证了增程器方案使用的合理性，有助于提高增程式电动客车使用综合效益。

[1] 赵明楠,孙锌,张铜柱.双碳目标下新能源汽车产业高质量发展的思考与建议研究[J].中国汽车,2022(7): 27-32.

[2] 王锦艳,孙萧.中国市场增程式电动汽车研究[J].汽车实用技术,2022,47(4):11-14.

[3] 高尚,刘胜楠.增程式混合动力电动汽车与我国现行新能源汽车政策[J].汽车实用技术,2022,47(19):181- 185.

[4] 张维佳,何云堂.增程式电动汽车标准和产业现状[J].中国汽车,2023(3):3-6.

[5] 中国国家标准化管理委员会.电动汽车术语:GB/T 19596－2017[S].北京:中国计划出版社,2017.

[6] 余志生.汽车理论[M].6版.北京:机械工业出版社,2021.

[7] 孙璐.增程式电动汽车动力系统参数设计及控制策略研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2018.

[8] 王康,陈庆樟,王正义.基于循环工况的电动汽车驱动电机参数优化[J].机械设计与制造,2020(4):167-170.

[9] 中国国家标准化管理委员会.中国汽车行驶工况第2部分:重型商用车型:GB/T 38146.2－2019[S].北京:中国计划出版社,2019.

[10] 宋金龙.增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真分析[J].装备机械,2021(2):40-43.

[11] 王道福.基于增程器最小原则的增程式车辆匹配[J].机电技术,2022(5):63-65.

[12] 肖海云,虞卫飞,胡俊勇.增程器选型的分析研究[J].汽车实用技术,2021,46(16):123-125.

[13] 强同磊,牛箐,高龙,等.某款增程式电动汽车动力参数设计匹配[J].北京汽车,2022(5):1-4.

[14] 李永亮,黄英,王绪,等.增程式电动汽车动力系统参数匹配及控制策略优化[J].汽车工程学报,2021,11(3): 177-190.

Power System Integration and Matching Analysis of Extended Range Electric Bus

FANG Yongqiang

( Xiamen King Long United Automotive Industry Company Limited, Xiamen 361023, China )

Extended range electric bus have the characteristics of pure electric driving and long-distance extended range driving, which can alleviate the concern of pure electric bus mileage. According to the market demand and practical application scenarios, the performance matching design of the drive motor, power battery, range extender-assembly and other core components of the extender-range electric bus power system is carried out in this paper, and the dynamics model of the vehicle power system is established in the software platform of MATLAB-Simulink. Based on the use characteristics of pure electricity as the main and extended range as the auxiliary, the overall working strategy of the extended range power system is formulated, and then the cruise maintenance power at common speed and at high speed is calculated, and the output power of the range extender and the energy change of the power battery are simulated and analyzed under the China heavy-duty commercial vehicle test cycle-city coaches (CHTC-C) integrated working condition. The results show that the smaller the output power of the range extender, the more drive energy needed to be compensated by the power battery. When reaching a certain economic power, the power of the power battery is basically balanced. Compared with the traditional way of matching range extender power under a single working condition, this paper analyzes range extender power under multiple working conditions considering the specific needs of specific scenarios, providing ideas for the selection of range extender and the improvement of subsequent power follow strategy.

Extended range electric bus; Power system; Integrated matching; Control strategy

U469.72

A

1671-7988(2023)20-20-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.005

房永强（1983－），男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源汽车、氢能源、储能领域，E-mail:fangyq @mail.king-long.com.cn。