张 良，宋秦中，王祚鑫

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2.江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001)

0 引言

目前，纯电动汽车的发展受到了限制，其根本原因主要有以下几方面：①由于使用大电池组，比汽油汽车昂贵得多；②车载电池的功率有限，与汽油车相比动力性不足；③单次充电的续驶里程有限；④给车载电池充电时间过长。由于这些问题的存在，限制了纯电动汽车的发展。混合电动汽车可以完全解决电动汽车的上述问题[1]。但传统的混合电动汽车也有一些缺陷，其结构太过复杂，成本太高，且控制起来比较困难。而增程式电动汽车与传统电动汽车不同，它在传统混合电动汽车的基础上进行了改善，比较接近于纯电动汽车，同时解决了成本与技术等方面的问题，具有广阔的市场前景。

1 增程式电动汽车工作模式

增程式电动车是一种串联式混合动力汽车，只有一套驱动装置，内燃机只是用来给蓄电池充电的一个装置[2]。增程式电动汽车动力系统的结构框图如图1所示，通过机械传动的零部件有：电动机和主减速器、内燃机和发电机；通过电气传动的零部件有：发电机和电动机、发电机和蓄电池、蓄电池和电动机。各零部件之间根据车辆不同的工作状态，切换不同的能量传递方法，以此来降低燃油的消耗。

图1 增程式电动汽车动力系统结构框图

2 动力系统部件参数匹配

表1为增程式电动汽车的关键设计参数，表2为增程式电动汽车的性能要求。

表1 增程式电动汽车设计参数

表2 增程式电动汽车性能要求

2.1 驱动电机的匹配

驱动电机是增程式电动汽车的关键零部件，需要频繁地启停、加减速、低速爬坡时输出高转矩和高速爬坡时输出低转矩，要求电机在很宽的转速和转矩范围内有较好的效率特性。当车辆在滑行和制动时需要实现能量回收，要求电机能够实现双向控制。直流无刷电机符合上述要求，因此选择直流无刷电机作为增程式电动汽车的驱动电机[3]。

电机的转速和车速之间的关系为：

(1)

其中：vmax为车辆最高车速。

车辆在水平路面匀速行驶，达到最高车速时，只考虑空气阻力和摩擦阻力，此时电动机功率为:

(2)

其中：m为车辆最大设计质量;g为重力加速度；CD为空气阻力系数；A为汽车迎风面积。

最大坡度匀速行驶时，不考虑加速阻力，此时的电动机功率为：

(3)

其中：vi为车辆在最大坡度上运行的速度；αmax为车辆行驶的最大坡度角。

2.2 蓄电池的匹配

目前，蓄电池的类型有铅酸电池、锂电池和镍镉电池等。蓄电池性能的好坏主要从能量密度、循环寿命、质量比功率和质量比能量等几个方面来判断。锂离子电池在这些性能方面有明显的优势，因此选用锂离子电池作为增程式电动汽车的蓄电池。

2.3 增程器的参数匹配

当蓄电池电量消耗殆尽时，车辆行驶的能量全部由增程器提供。增程器的输出功率要保持车辆能够在恒定速度下行驶,其额定输出功率为[4]：

(4)

其中：va为车辆匀速行驶时的速度。

计算得出增程器匹配的基本参数如表3所示。

表3 增程器基本参数

2.4 蓄电池模型的建立

能量储存系统虽然只是一个简单的电能储存装置，但其充放电受温度的影响很大[5，6]。图2为蓄电池的仿真模型，主要包括开路电压和内阻计算模块、功率限制模块、电流计算模块、SOC估算模块、蓄电池热模型模块5部分。各模块间的相互配合，保证了车辆能够平稳持续地运行。

图2 蓄电池仿真模型

3 增程式电动汽车动力性和燃油经济性仿真

3.1 动力性能仿真

动力性是评价车辆性能的一个重要指标[7]，图3为增程式电动汽车动力性能仿真结果。由图3可知：车辆的最大速度为156.4 km/h，0～100 km/h的加速时间为7.7 s，车辆在恒定速度30 km/h的最大爬坡度为33.9%。

图3 增程式电动汽车动力性能仿真结果

表4为增程式电动汽车动力性仿真结果与性能要求对比。通过表4可知：相较设计时的车辆动力性能要求，增程式电动汽车的最大速度提高了7.6 km/h，0～100 km/h的加速时间提高了2.4 s，速度恒定时的最大爬坡度提高了12.5%，提升的幅度较大。由此可见，增程式电动车的动力性能能够满足设计要求。

表4 电动汽车动力性仿真结果与性能要求对比

表5为增程式电动汽车纯电动行驶里程仿真结果和性能要求对比。由表5可知：相较设计时的车辆行驶里程，增程式电动汽车的纯电动行驶里程提高了4.65 km。可见，增程式电动汽车的纯电动行驶里程符合设计要求。

表5 纯电动行驶里程仿真结果与性能要求对比

3.2 燃油经济性仿真

燃油经济性是车辆的主要性能指标之一，增程式电动汽车的燃油经济性是指车辆在完成特定运输工作时消耗的燃料最小值。表6为增程式电动汽车、普锐斯混合动力车和燃油乘用车的百公里油耗对比。由表6可知：增程式电动汽车的百公里油耗约为3.2 L，比燃油乘用车百公里油耗减少了3.7 L，比普锐斯混合动力车百公里油耗减少了1.5 L。可见，增程式电动汽车在燃油经济性方面有一定的提升。

表6 不同车型百公里油耗对比

在经济性能仿真分析中，不仅可以知道车辆的百公里油耗值，还可以知道其他关键部件运行时的效率分布点。通过对这些分布点的分析，可以帮助研究增程式电动汽车的控制策略和参数匹配的合理性。

图4为增程式电动汽车发动机效率分布。由图4可知，刚开始启动阶段发动机效率不稳定，当其转速达到稳定阶段时，它的效率分布点很集中，一直保持在一个很高的区域内，这样可以使发动机在最佳燃油经济区输出功率和扭矩，提高了汽车的燃油经济性。

图5和图6分别为蓄电池充电和放电效率分布。由图5和图6可知：蓄电池的充电效率基本维持在0.8以上，其放电的效率维持在0.95以上，蓄电池的参数匹配合理，符合城市家用增程式电动汽车的要求。

图4 增程式电动汽车发动机效率分布 图5 蓄电池充电效率分布 图6 蓄电池放电效率分布

4 结论

以某款车型为研究对象，分析了增程式电动汽车的工作模式，对车辆的电机、蓄电池和增程器进行了匹配，制定了相应的控制策略。在NEDC(新欧洲行驶工况)循环工况下，对车辆加速时间、最高车速、最大爬坡度等动力性能以及主要部件的工作效率、整车效率、燃油消耗率等经济性能进行了仿真分析测试。结果显示：增程式电动汽车的动力性能够满足设计要求，其油耗相比燃油车降低很多，大大提高了车辆的燃油经济性。