增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真.pdf

增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真李彦晶李万敏朱有地(兰州工业学院 汽车工程学院甘肃 兰州)摘 要:为了使增程式电动汽车动力系统的关键部件驱动电机、蓄电池及增程器在最佳工作区域运行首先在对增程式电动汽车结构分析的基础上根据整车基本参数及性能指标要求对动力系统各部件的参数进行匹配然后在 仿真软件中对动力性进行仿真 仿真结果表明满足增程式电动汽车对动力性能指标的要求参数匹配合理为后续控制策略的研究及经济性仿真提供理论基础关键词:增程式电动汽车 动力系统 参数匹配 仿真中图分类号:.文献标识码:文章编号:():.:引言近年来随着石油资源的短缺以及汽车尾气对环境的污染纯电动汽车因其具有高效、零排放、低噪等优点不仅成为各国政府和汽车制造企业研究的热点而且也成为汽车工业可持续发展的必然趋势但是续驶里程短、成本高、充电时间长等缺点是限制纯电动汽车进一步发展的瓶颈问题 因此在电池技术未取得重大突破的情况下为解决“里程焦虑”实现有限能源的充分利用增程式电动汽车()作为纯电动汽车的平稳过渡车型增加了纯电动汽车续驶里程降低了制造成本是一种具有市场前景的新能源汽车增程式电动汽车是在纯电动汽车动力架构的基础上加装一个由小功率的燃油发动机和发电机组成的既能发电又能给车载动力电池充电的辅助动力单元 增程器()增程器与动 曹祥()男(汉族)江苏讲师硕士研究生毕业于江苏大学主要研究控制理论与控制工程 王海军()男(土家族)湖北讲师硕士研究生毕业于电子科技大学主要研究大数据及工业互联网通讯作者:胡鹏飞()男(苗族)贵州人副教授博士研究生毕业于贵州大学 主要研究智能控制与图像视觉收稿日期:力电池协同工作为整车提供所需功率 增程式电动汽车动力系统布局目前基本都是串联结构其动力系统参数的合理匹配对整车研发和控制策略有着至关重要的作用良好的动力参数匹配可以使各运动部件处于最佳工作区域内运行从而提高对能源的利用率控制策略的合理性是确保整车动力性的关键也影响着整车的经济性和排放性 结构分析.基本结构增程式电动汽车可被看作是一种能纯电行驶里程更长的串联混合动力结构由动力电池、驱动电机、增程器、主减速器及差速器等组成其基本结构如图 所示 蓄电池是主要的动力源给功率较大的驱动电机供电驱动电机经主减速器和差速器驱动车轮发动机和发电机组成的 系统不直接参与驱动而是给驱动电机提供辅助功率并为蓄电池充电增加续驶里程 当目标续驶里程较短时在纯电动模式下行驶当目标续驶里程超过最大纯电动续驶里程时增程器启动进入混合驱动模式或增程模式从而达到提高电动汽车续驶里程的目的同时多余能量为动力电池充电制动时系统将回收制动能量并存储于动力电池中图 增程式电动汽车系统结构示意图.基本参数及性能指标本文基于某纯电动汽车对该电动汽车动力系统进行设计其整车基本参数及性能指标分别见表、表 表 整车基本参数参数名称参数值参数名称参数值整车装备质量/满载质量/迎风面积/.空气阻力系数.车轮滚动半径/.传动效率.滚动阻力系数.旋转质量换算系数.表 性能指标参数名称参数值参数名称参数值续驶里程/百公里加速时间/最高车速/(/)最大爬坡度/动力系统参数匹配设计.驱动电机的参数匹配驱动电机是 的关键部件主要参数的大小影响整车的动力性和经济性因此要求驱动电机既能消耗电量驱动车轮又能在制动减速过程中回收能量并存储于动力电池中以降低机械损失 永磁同步电机因其结构紧凑、质量轻可在正弦交流电源或者脉宽调质电源下运行比较符合电动车对大功率密度的要求因此选用永磁同步电机为本研究的驱动电机.峰值功率 和额定功率 电机的峰值功率需要依据整车性能指标:最高车速、最大爬坡度、百公里加速时间 来匹配)根据最高车速 计算最大功率()式中:为重力加速度值为./将相关参数代入式()计算得到最高车速 峰值功率图如图 所示LNIL8图 最高车速 峰值功率)根据最大爬坡度 计算最大功率()()()式中:为车辆爬坡时的稳定车速值为 /为最大坡道角将 代入公式()计算值为.将相关参数代入式()计算得到如图 所示的最大爬坡度 峰值功率图L 8图 最大爬坡度 峰值功率)根据百公里加速时间 计算最大功率()()式中:为百公里加速末时刻车速值为 /为电机基速点对应的车速值为 /将相关参数代入式()计算得到如图 所示的百公里加速时间 峰值功率图L 8T图 百公里加速时间 峰值功率驱动电机的峰值功率应同时满足以上三种动力性能指标的要求即(、)所以应匹配的峰值功率 为 驱动电机的额定功率 为:()式中:为过载系数值为.所以电机的额定功率为 .峰值转速 和额定转速 电机的额定转速是指电机效率较高且使用频率较高的区域 本文设计的电动汽车主要行驶在兰州市城市道路工况下表 为三种典型工况特性表 三种典型工况特性工况最高车速/(/)平均车速/(/)频次最高的车速区间/(/).通过数据统计兰州市城市工况常用车速区间为 /此车速区间为高速高频区间车辆是以较高速行驶相应电机的工作转速区间为 所以依据电机的高速高效区与车辆的车速高频区相重合的原则驱动电机的额定转速 为 驱动电机的峰值转速:.()将参数代入式()得 取整为 .峰值转矩 和额定转矩 电机的峰值转矩:()电机的额定转矩:()代入参数计算得:根据以上分析电机匹配的主要参数见表 表 电机主要匹配参数参数名称参数值/参数名称参数值/()参数名称参数值/()峰值功率峰值转速峰值转矩额定功率额定转速额定转矩.动力电池的参数匹配.电压匹配动力电池的电压 应满足峰值功率和附件功率需求即 ()式中:为车辆上其他附件的功率值为.为驱动电机额定电压值为 为动力电池的内阻值为.代入参数计算并参考/.标准中关于电源电压等级的规定所以选择动力电池的额定电压 .功率需求容量匹配动力电池满足峰值功率需求容量 即()式中:为电池最大放电率值为.为驱动电机的效率值为.经计算得功率需求容量 .能量需求容量匹配根据/标准中规定动力电池的总能量应满足纯电动续驶的能量需求即.()()式中:为车辆匀速行驶时的速度值为 /为电池放电深度值为.为纯电动续驶里程值为 为电池的放电效率值为.为车辆其他附属部件的能耗比例值为.代入数据计算得能量需求容量 动力电池容量:()()()()所以动力电池容量 值为 综合以上动力电池主要匹配参数见表 表 动力电池主要匹配参数参数名称参数值参数名称参数值 参数名称 参数值电池类型磷酸铁锂()电池组额定电压/单体个数单体额定电压/.额定容量/().增程器参数匹配 用发动机功率小电机和电池功率较大电池可通过电网充电 发动机发电机驱动系统的参数匹配决定了整车燃油经济性和续驶里程.发动机功率匹配 发动机选型时要考虑动力系统特点和成本等因素因此本文研究选用小型化、低排放、经济性的四冲程汽油发动机作为 的发动机发动机不直接驱动车轮当动力电池 达到下限时要求发动机工作在其 图对应的高效低排放区内能保证车辆继续以 匀速稳定行驶并能提供一定的爬坡功率、附件功率和充电功率等因此发动机输出功率 为:.()式中:为发电机效率值为.将参数值代入式()计算得发动机输出功率 .发动机油箱匹配为了满足 增程工作模式续驶里程需求发动机油箱容积为:()式中:为增程模式续驶里程值为 为发动机最佳燃油消耗率值为 为汽油密度值为./代入参数值计算得 .发电机匹配发电机额定功率:()代入参数值计算得 增程器匹配的主要参数见表 表 增程器主要匹配参数参数名称参数值参数名称参数值发动机类型四冲程汽油发动机功率/油箱容积/发电机类型永磁同步电机电压/功率/建模与动力性仿真.建立整车模型根据已知车型数据及参数匹配值在 仿真软件中搭建整车模型如图 所示图 整车模型.仿真分析为了验证 动力系统参数匹配的合理性需对整车模型进行动力性仿真仿真结果如图 所示:车 辆 以 /行 驶 时 最 大 爬 坡 度 为 满足最大爬坡度 的设计要求从 加速到 /时加速时间为 车辆的最高车速为 /BC5TVLNIVLNIB NTJNBY图 动力性仿真图 结论本文基于某款纯电动汽车在其上增加辅助动力单元 增程器形成 在对 结构分析的基础上根据整车基本参数及性能指标要求对动力系统的关键部件驱动电机、蓄电池及增程器进行设计通过计算对各部件的参数进行了匹配然后在 仿真软件中搭建整车模型对动力性进行仿真 仿真结果表明:满足增程式电动汽车对动力性能指标的要求参数匹配合理可实现预期目标参考文献 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.汽车工程学报():.陈刚廖新琼林文强.基于 的低速增程式电动汽车动力系统参数匹配与仿真.制造业自动化():.杨兴旺.增程式电动汽车动力系统参数匹配与控制技术研究.长春:吉林大学.:.肖仁鑫黄彪贾现广等.增程式电动汽车参数匹配及控制策略多目标协同优化.昆明理工大学学报(自然科学版)():.刘汉武雷雨龙阴晓峰等.增程式电动汽车增程器多点控制策略优化.吉林大学学报(工学版)():.蔡振鲁.增程式电动汽车动力总成参数匹配及控制策略研究.重庆:重庆理工大学.周炜冬.基于 的增程式电动汽车性能仿真及试验研究.合肥:合肥工业大学.孙璐.增程式电动汽车动力系统参数设计及控制策略研究.哈尔滨:哈尔滨理工大学.李凯.增程式电动汽车控制策略开发与控制参数优化研究.西安:长安大学.张建伟李孟良艾国和等.车辆行驶工况与特征的研究.汽车工程():.杨金星周荣乔维高.混合动力电动汽车的研究分析.汽车工程师():.牛仁强.增程式电动汽车动力系统建模及仿真优化研究.青岛:青岛大学.基金项目:年甘肃省高等学校创新能力提升项目()年度兰州工业学院青年科技创新项目()作者简介:李彦晶()汉女甘肃甘谷人硕士副教授主要研究方向为汽车传动系统控制收稿日期: