增程式电动汽车动力系统参数设计与性能分析

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  摘要:增程式电动汽车,作为从传统汽车向纯电动汽车过度的车型,因为这种车型的转换效率高,结构紧凑,可以减少故障等优点得到了广泛关注。本文针对增程式电动汽车的动力性和经济性指标要求,通过对比分析国内外的相关技术方案,对增程式电动汽车的动力系统进行参数设计和性能匹配,在此基础上进行了动力系统的动力性、经济性和排放特性的仿真分析,验证了参数设计的合理性,为增程式电动汽车的开发提供理论指导。
  关键词:增程式电动汽车;动力系统;参数设计;性能匹配;仿真分析
  中图分类号:文献标识码:B(综述为A)   文章编号:1001-2222(2016)00-0000-00
  Research on the designing of the parameters and matches the performance of EPV's power system
  [Absract] Extended Range Electric Vehicle(EREV),as a transition from traditional vehicle to pure electric vehicle,has attracted wide attention because of its high conversion efficiency,compact structure,and the ability to reduce faults. According to the requirements of power performance and economy of EREV,this paper compares and analyzes the relevant technical schemes at home and abroad,designs the parameters and matches the performance of EPV's power system. On this basis,the power performance,economy and emission characteristics of EREV's power system are simulated and analyzed. The rationality of parameter design provides theoretical guidance for the development of electric vehicle.
  [Key word] Extended-range electric car,power system,the designing of the parameters,matches the performance,simulation and analysis
  引言
  由于能源短缺、環境污染问题愈发严重,使新能源汽车的发展受到政府和社会的广泛关注,得到了快速发展。其中增程式电动汽车由于续航里程高、加速快等优点,能够满足城市居民的日常需求,也得到了推广应用。在国内有多家企业、研究所进行研究,并得到了实际应用。
  以国内外目前研究状况来看,各大车企都有取得长足的进步。例如2012年奥迪公司发布一款crosslane coupe双门四座增程式概念车。在纯电动模式下,其动力性能上可达到最高车速182km/h,百公里加速度98s,续航能力86km,同时在经济性上,平均油耗为1.1L/100km[1]。不仅具有良好的动力性能,更有出色的经济性能。在增程式电动汽车的性能优化方面,目前各种优化算法也运用到增程式电动汽车的控制策略设计中,其中包括遗传算法、粒子群优化算法等,这些算法的加入进一步提升了精准控制,使发动机油耗进一步降低。
  根据增程式电动汽车的结构和性能特点,对增程式电动汽车动力系统进行结构参数设计和性能匹配,对动力系统及其各子系统进行建模仿真分析,实现增程式电动汽车动力系统的参数优化设计和性能优化,为增程式电动汽车开发提供了理论依据,具有重要的研究意义和工程应用价值。
  1 增程式电动汽车结构原理
  增程式电动汽车的动力系统由动力电池系统、动力驱动系统、增程器和整车控制系统组成,其结构如图1。动力电池作为电动汽车的能量输出和存储电能的终端,为电动汽车提供驱动的动力,并且在电池的储能不足时,存储发电机传来的电能。动力驱动系统,以单一的驱动电机作为整车的动力源为电动汽车提供动力,满足电动汽车在各种工况下的运行要求。增程器由小型内燃机和发电机组成,要求结构紧凑、发电量大。
  增程式电动汽车的动力系统,是一套闭环系统,当电动汽车在正常行驶时,增程器系统不工作。当且仅当储存在蓄电池内部的电量达到某一警报线时,增程器才启动进入发电工况为蓄电池充电。同时,增程器中的内燃机为了达到环保的要求,应选择在低污染,高经济性,低能耗的工况下工作。并且,当增程器启动时车辆也应进入低速巡航,以减少对电池的损伤。驱动电机,动力电池以及增程器为串联连接。   2.增程式电动汽车动力系统参数设计
  2.1整车动力性经济性设计目标
  本文研究车型的基本参数和设计目标参数如表1所示。
  2.2磷酸铁锂动力电池模块
  首先分析电池内阻的计算过程,电池组的总容量决定了整车的续驶里程,匹配大容量的电池组可以增加续驶里程,但同时会增加整车重量并大大增加成本,所以合理的匹配电池容量对提升整车性能非常重要。对于纯电动车,计算整车的续驶里程引用 GB/T 18386 电动汽车能量消耗率和续驶里程标准,即采用等速法(100Km/h)和续驶里程设计目标值反向计算电池容量。[2]具体计算方法如下:
  设:续驶里程设计目标值 80(km),整车形式传动效率(取0.9),电机工作效率(取0.9),电池放电效率(取0.95),电池组总容量 E(kWh),整车在 80km/h 负载稳定行驶输出功率为 P25(kW),由能量平衡可得需要的电池总容量为:90Ah
  求出电池组总容量后,根据选用电池规格,以及动力电池所需电压,可以简单计算出单体电池的个数。而本文中所选取的电池规格为每块容量20Ah、质量为520g。计算的出n≥315考虑到电器耗电,取电池为350块。
  根据计算,在本文选用磷酸铁锂电池单体电池 3.2V,20Ah。70节串联,5组并联。在锂离子蓄电池的容量下,当放电深度不超过 80%时,电动车以 80km/h 匀速行驶的行驶里程 >80km可见,蓄电池的个数与容量匹配合理。
  2.3驱动电机模块
  增程式电动汽车的驱动装置,主要是驱动电機和电机控制装置,电机具有的工作特性为低速恒转矩和高速恒功率。低速转动时电机输出转矩大,电流出于输出最大状态,这时间的力矩达到最大,可满足车辆起步加速、爬坡时对转矩的要求;当车辆起步之后,随着电机转速继续提高,电机工作处于弱磁区,电机功率达到最大状态,电机在恒功率区运行。当电机沿着最大特性曲线工作时,电机发热为电机绕组。一般沿着最大特性曲线工作时,电机工作时间持续30秒左右,能够满足车辆加速和最高车速行驶要求,同时要有大的调节范围。
  电机需要确定的特性参数主要有电机的最高转速和基速、峰值功率以及额定功率。
  2.3.1最高转速和基速
  采用的主减速器的减速比为i=5,最高转速有关系式:
  可得电机的最高转速=4752.1 ;电动机的最高转速与额定转速的关系用扩大恒功率区系数β来表示,β=最高转速/额定转速,β值降低,转矩增高,有利于提高车辆的加速性能和爬坡性能,运行性能更加稳定,但是这也会增加功率年唤起尺寸,所以β值不能过高,范围在2-4之间,β值取2.目前,电机的最高转速达到8000-15000r?min。由关系式,得电机基速=2376 。因此最高转速取=5000 =2500 。   2.3.2  各工况下功率的确定
  驱动电机要保证车辆在平原地区各工况下都能正常行驶,所以增程式电动汽车满足最高车速、最大爬坡度车速、最大爬坡车速等性能指标。
  2.3.3 最高车速对应的电机功率
  当车辆在平坦路面行驶时且对应最高车速时,由—最高车速的驱动电机峰值功率(kW),最高车速(), —传动系统效率g —重力加速度,g=9.8 ,从而的出=21.5kW。
  由于驱动电机的额定功率由最高车速确定,当最高车速功率为21.5kW,考虑到电动机过载系数越大,电机设计难度增大,电机的额定输出功率小于电机峰值功率的一半。过载系数取2,即=25kW。
  2.4  发动机选型
  增程器开启时,发动机并不和驱动电机直接相连接,与传统汽车相比,对发动机的性能和要求较低,所以发动机的选型范围较广。考虑到增程式动力系统特点和成本问题,增程式电动汽车的发动机轻量化、效率高有利于降低整车质量和车辆使用成本。下表为可用于增程式器的发动机特性比较。
  转子发动机与两缸四冲程汽油机被认为是较好的发动机,但是转子发动机相比于两缸四冲程汽油机,效率低且发展技术并不成熟。所以选择小型化、经济性、低排放的两缸四冲程汽油机。同时选择永磁同步电机一起构成增程式电动汽车的辅助动力系统。
  增程式电动汽车日常运行主要在纯电动工况下,只有在电池能量不足時,APU启动参与发电。当电池SOC低于设定值时,发动机输出功率可满足60km/h的速度运行即可。此时计算发动机功率:
  = (mgf+
  得出结果 =0.8,f =0.015,=0.29,A =2.54取 =60km/h,计算得=6.30kW初步选择发动机额定功率 P=7kW。
  参数设计汇总表
  3.增程式电动汽车建模与仿真
  3.1 增程式电动汽车模型构建   根据表2、3、4中的系统参数,在ADVISOR中进行增程式电动汽车模型的构建,如图2。与传统汽车相比较,增程式电动汽车主要增加了电池、驱动电机、电源总线等模块。建立的增程式电动汽车模型。
  3.2 增程式电动汽车动力性、经济性和排放特性分析
  3.2.1 行驶工况
  由于增程式电动汽车的行驶工况大多为城市工况和城郊工况,因此在本文的仿真分析中采用的是 ECE工况,即Economic Commission for Europe,是欧洲实行的汽车行驶油耗测试工况的试验法,代表的是一种城市和城郊组合循环工况,如图4。
  3.2.2 模拟分析结果
  由于本文最初设计是为江沪浙平原丘陵地区,适用于城市内或短距离城市间行驶的人群,所以针对动力性能,使用了ECE工况进行了仿真模拟,其结果如图:最高车速93.67km/h、0-50km/h加速度6.1s、15km/h速度下最高爬坡度20%。由于环境影响,车辆使用在中低速,所以最高车速并不是很高,降低了最佳车速区间,使得日常运行基本维持在最佳车速区间内。而爬坡性能,受到电机本身的影响,其值并不是很大,但由于在平原地区坡度较小,其爬坡性能满足要求。根据模拟结果可以看出,动力性符合设计标准,且满足设计对象的日常需求。
  通过对经济性能的仿真结果的分析,我们可以看出增程式电动汽车的油耗相比传统同功率统汽车,燃油消耗率降低了69%。如图5,在汽车行驶过程中,发动机处于第一次开启状态时,由于受到发动机初始温度和启动扭矩的影响,有较大的燃油消耗,排放也相应受到影响,CO和NOx的排放急剧上升。但是在后期的运行过程中,处于较为平稳状态,其排放也迅速降低,并稳定在较低值。
  在发动机运行稳定后,汽车出现的加速或减速的变化时,发动机的运转也处于稳定工作状态,如图6,故燃油消耗处于一个定值,相比较传统汽车的發动机的波动的运行工况,燃油消耗率大大降低。又由于选用较小功率的发动机,在增程器运行后由于发动机不提供汽车启动、减速、加速等消耗燃油的行车动作的能量,所以污染物的排放大幅度降低。[8]
  与此同时,电池的SOC值也在接近线性变化,有利于延长电池寿命。图7中,SOC充放电稳定,在增程器开启后,在提供电量的同时,电池也在小幅度充电。进一步提升了续航里程。
  从驱动电机的MAP图和驱动电机的效率分布图,可以看出驱动电机效率基本在80%以上,且电机转速维持在中低转速。这一速度区间,不但能够拥有完好的动力性能,且在改变行驶状况时,汽车的车速变动较小。这将使电池放电稳定,且能更高效的降低耗电量,进一步加强了经济性能。
  4.结论
  (1)本次参数设计的增程式电动汽车,经过建模仿真验证,在满足设计对象的对整车性能的需求的同时,燃油消耗率相对传统汽车降低了69%。
  (2)本次增程式电动汽车动力系统参数的设计匹配,使用高功率发动机低输出、高功率发电机的方式,使发动机输出电量处在高效位置,减少高功率输出的耗损,实现增程式电动汽车经济性能的优化,为增程式电动汽车开发提供了理论依据,具有重要的研究意义和工程应用价值。
  (3)增程式电动汽车作为传统汽车向电动汽车的过渡车型,可以解决电动汽车的续航里程不足的缺点,但是在日常使用上,却也由于过长的纯电动里程,在一定程度上也偏向于一种“略重的纯电动汽车”。
  参考文献
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