陈 刚，廖新琼，林文强

CHEN Gang1 ,LIAO Xin-qiong2 ,LIN Wen-qiang1

（1.三明学院 机电工程学院，三明 365004；2.中科动力（福建）新能源汽车有限公司，永安 366000）

0 引言

我国石油消耗总量中汽车成品油消耗量占比接近一半，发展新能源汽车可以减少石油资源消耗、大幅降低污染物的排放，对改善城市空气质量，保证人群健康均有重要意义[1]。由于纯电动汽车可实现零排放，各国将纯电动汽车作为新能源汽车的重点发展对象。然而，纯电动汽车在续驶里程、电池寿命及充电时间等方面目前还存在技术瓶颈[2]。为此，在电动汽车车上加装由发电机、蓄电池组成的增程器，在现阶段可以较好地解决纯电动汽车存在的弊端[3,4]。对于增程式电动汽车，合理的动力参数匹配至关重要[5]。因此，本文基于ADVISOR和Matlab/Simulink联合仿真平台，在纯电动汽车基础上依据设计指标进行了动力参数匹配，建立增程式电动汽车的整车模型，并进行仿真模拟，仿真结果验证了参数匹配和模型的合理性，满足设计指标的动力性和经济性要求。

1 增程式电动汽车动力系统参数匹配

1.1 整车性能指标

研究选取某纯电动汽车的基本参数，原车纯电动模式下的续驶里程是100km，在此基础增程模式下总续驶里程设计为250km。主要参数和动力性能设计指标如表1所示。

表1 整车性能基本参数及设计目标

1.2 驱动电机参数匹配计算

增程式电动汽车驱动电机的性能直接影响整车的动力性能，常用的驱动电机有交流三相感应电机、表贴永磁同步电机、内置式永磁同步电机等[6]。交流三相感应电机维修简单、应用广泛，但存在控制复杂、功率因素较低的缺点；永磁交流同步电机效率高、动力特性较好，但也存在制造工艺复杂、成本高的问题[7]。增程式电动车以纯电驱动为主的城市道路作为主要应用环境，电机效率和功率密度被作为主要考量标准，因此文章设计选用内置式永磁同步电机。

驱动电机是增程式电动汽车的唯一动力源，其性能指标必须满足汽车的动力性能要求。在确定驱动电机功率时，需要通过汽车最高车速、爬坡性能及加速性能三方面的动力指标来匹配计算，以确定驱动电机的额定功率。

满足最高车速所需的最大功率为：

式中Vmax为汽车最高车速，CD为风阻系数，A为迎风面积，f为滚动阻力系数，ηt为传动效率。按照式(1)计算电机满足最高车速所需额定功率P1max=29.17kW。

满足爬坡性能驱动电机所需最大功率为：

式中αmax为汽车最大爬坡度，Vp为爬坡速度。由式(2)计算得满足最大爬坡度是驱动电机所需额定功率P2max=21.76kW。

满足加速性能驱动电机所需最大功率为：

式中σ为质量转换因子，vf、vb分别是汽车加速过程的末速度与初速度，ta为加速时间，ρa为空气密度。根据上式计算P3max=70.2kW。

综合考虑汽车各工况下功率需求，驱动电机额定功率Pmax≥max{P1max，P2max，P3max}，故选取驱动电机额定功率为Pmax=72kW。

1.3 动力电池匹配

动力电池作为电动汽车上至关重要的部件，直接影响增程式电动汽车的纯电动里程与动力性能，同时也是关系整辆车性价比的主要部件。在动力电池选型时需要思量的因素有：能量密度、功率密度、使用寿命等。在中低端电动汽车中常用的电池类型有：铅酸电池、镍氢电池、钴酸锂电池，磷酸铁锂电池等，性能比较如表2所示。

表2 几种动力电池关键性能对比[8]

通过对比功率密度、能量密度以及使用寿命，研究选用磷酸铁锂电池作为增程式电动汽车的动力电池。在匹配动力电池参数时需要考虑的因素主要有：电池容量、电压等级和单体电池数目。动力电池组容量直接关系汽车的续驶里程与动力性，一般是以满足正常车速下的行驶需要，计算公式如下：

式中，Eb为动力电池的输出容量：

式中，d1为纯电动里程，DOC为动力电池放电深度，ηt为传动效率，ηm为动力电池效率，ηb为电机工作效率，Vc为常规车速。磷酸铁锂电池单节电压为3.2V，取80节，Ub=256V。相关参数代入式(3)和式(4)，动力电池组容量Cb=84.29A.h。

1.4 增程器的选型

增程器是由发动机与发电机一体化构成，在汽车行驶一阶段之后，电池SOC达到下限值时增程器开启。在电池能量不足的情况下，增程器要保证汽车的正常行驶，并将多余的能量给电池充电，因此增程器的功率应满足：

增程器发动机工作功率与增程器功率关系：

式中，ηg为发动机功率。考虑汽车行驶附属电气设备消耗功率等因素，选取增程器发动机排量为1.0L，功率为35kW。发动机油箱根据增程模式下续驶里程确定：

式中，d2为增程模式下续驶里程，be为燃油消耗率，ρ为汽油密度，va为增程模式下正常车速。

1.5 动力系统参数匹配结果

通过对增程式电动汽车动力系统关键部件的参数匹配，综合考虑整车的动力性能和经济性能要求，在原纯电动汽车基础上改装后的参数匹配结果如表3所示。

表3 低速增程式电动汽车动力系统参数匹配结果

2 基于ADVISOR的仿真模型

2.1 整车模型

ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator，高级汽车仿真器）是由美国可再生能源实验室在MATLAB和Simulink软件环境下开发的高级汽车仿真软件[9]。依据上述动力系统参数的匹配计算结果，通过ADVISOR软件创建了增程式电动汽车的仿真模型，如图1所示。图1上半部分模块是发电机、控制策略、机械附件、电气附件、发动机及尾气排放模块；下半部分模块是汽车行驶工况、车身、车轮车轴、动力桥、变速器、电机与控制模块、汽车电附件、功率线、蓄电池。图中箭头表示的的是仿真计算时能量传递的方向。

2.2 增程器模型

仿真选用增程器为发动机-发电机一体型，在此不单独建立发电机模型。整个模型包括了四个模块，分别是信号输入输出接口；转速与转矩估算模块；油耗模块以及排放模块。各模块的原理相似，通过接收前一模型传输的信号需求计算后输出到下一模型。增程器模型如图2所示。

2.3 控制策略模型

控制策略采用串联功率跟随控制策略，它主要包含发动机开关子模块、发动机输出功率估算模块以及发动机工作点控制模块。图3为控制策略模型。控制策略模型的逻辑是根据电池的SOC值以及驱动电机的功率需求来控制发动机的启停，根据电池和驱动电机的状态需求来控制开关，即开关子模块。输出功率估算模块用来计算并且控制发动机是否要工作在功率极限值。通过控制模块保证发动机工作在最高效率点运行。

图1 整车仿真模型

图2 增程器模型

图3 控制策略模型

3 仿真结果

依据增程式电动汽车的设计指标建立了整车仿真模型，车辆行驶循环工况选用ECE_EUDC工况，该工况包括城市道路行驶和市郊道路行驶，其中城市行驶道路工况测试的行驶里程为4.052km，平均车速18.7km/h，市郊行驶工况测试行驶里程为6.955km，平均车速62.6km/h。图4是动力电池SOC随时间变化的关系曲线，可以看出增程式电动汽车在纯电动模式下运行了13个循环工况，电池SOC值降至0.4，此时开启增程模式，SOC值保持在0.4之后有逐渐增大趋势，这是由于在之后的12个循环工况下增程器开启工作并将富余能量对动力电池充电。

图4 SOC值随时间变化关系

图5 尾气排放量随时间变化关系

图6 总行驶里程

在增程器开启瞬间，由于发动机处在低效区间出现较大的尾气排放量，当发动机稳定运行后尾气排放量保持在较低值，尾气排放量随时间关系如图5所示。从仿真的行驶里程可以看出，在s时间内总行驶里程达到273.3km，其中纯电动模式下运行了s，共行驶123km，如图6所示。仿真结果显示，车辆的百公里加速时间为13.1s，最大加速度达4.9m/s2，车速在10km/h下的最大爬坡度达到26.5%。整车仿真结果与设计指标对比如表4所示。

表4 仿真结果与设计指标对比

4 结语

本文主要对增程式电动汽车动力系统关键部件的参数匹配与选型进行研究，基于ADVISOR在Matlab/Simulink环境下建立了车辆各模块的仿真模型，对整车的动力性能、经济性能及排放性进行了仿真验证。仿真结果显示，增程式电动汽车的各项性能均达到预期设计指标，满足设计要求，验证了参数匹配与仿真模型的合理性。本文研究为后期增程式电动汽车的实车设计开发提供了理论参考。