帶增程器純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、帶增程器的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)刖言眾所周知，我國(guó)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車方面一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，有很多 關(guān)鍵技術(shù)依賴于發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車企業(yè)，常常被別人牽著鼻子走，這也 造成了我國(guó)汽車行業(yè)長(zhǎng)期處在一種低水準(zhǔn)、高成本的模式下運(yùn)作，非 常不利于我國(guó)汽車行業(yè)的正常發(fā)展。目前全球汽車行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型階段，由于石油資源的短缺和環(huán)境 的日益惡化，使得人們不得不考慮從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車向新能源電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型，這也給我國(guó)汽車行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展契機(jī)，大力發(fā)展新能源電動(dòng)汽車，掌握其關(guān)鍵技術(shù)，就能讓我國(guó)汽車企業(yè)在未來(lái)的全球競(jìng)爭(zhēng)中占 得先機(jī)，在汽車行業(yè)占據(jù)領(lǐng)先地位。1電動(dòng)汽車及 Range - Extender簡(jiǎn)介電動(dòng)汽車具有高效、節(jié)能、

2、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保 和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前電動(dòng)汽車技術(shù)的研發(fā)已成為各 國(guó)政府和汽車行業(yè)的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車指全部或部分用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車。它包括燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV、混合動(dòng)力 電動(dòng)汽車（HEV和純電動(dòng)汽車（BEV） 3種類型。其中純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicle）發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，曾被全球汽車企業(yè)廣泛看 好，從20世紀(jì)70年代至今，可以說(shuō)比其他類型電動(dòng)汽車的發(fā)展時(shí)間都 長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)也豐富，開(kāi)發(fā)成本也較低。但由于目前蓄電池儲(chǔ)能有限，純電動(dòng)汽車存在一次充電后續(xù)駛里 程短的問(wèn)題。考慮采用在純電動(dòng)汽車上加裝一個(gè)增程器（Ran ge-Ex

3、tender）的方法來(lái)增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。增程器（Range-Extendep是為了增加純電動(dòng)汽車行駛里程而加裝 在純電動(dòng)汽車上的一個(gè)附加儲(chǔ)能部件。通常用戶可以在出行時(shí)根據(jù)行 駛里程需求自行選擇安裝或者不安裝（降低車重，可以減少能量消 耗）。增程器的形式通常有：小型發(fā)電機(jī)、蓄電池和燃料電池等。而 由于增程器的工作特點(diǎn)，通常對(duì)其性能有如下要求：（1）要求系統(tǒng)可靠，長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后可以立刻進(jìn)入工作狀態(tài)；（2）由于工況單一，要求對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行較好的優(yōu)化以降低系統(tǒng)成 本，提高效率。相比純電動(dòng)汽車，帶 Range-Extender的電動(dòng)汽車在行駛里程方面 有很大的優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)油電混合動(dòng)力汽車，帶Ra

4、nge-Exte nder的電 動(dòng)汽車在排放方面優(yōu)點(diǎn)十分突出，而相比新型電電混合動(dòng)力汽車，帶 Range-Extender的電動(dòng)汽車以蓄電池驅(qū)動(dòng)為主，更偏向于純電動(dòng)驅(qū) 動(dòng)，因此也可視其為從混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的一種過(guò)渡方法。2動(dòng)力系統(tǒng)總體規(guī)劃帶有Range-Extende啲純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示書(shū)電池=!駭動(dòng)電機(jī)H年輪 Kange-hxlerKlCT) 11圖|動(dòng)力系統(tǒng)編嵌紇於儲(chǔ)#砒時(shí)土劇鵝設(shè)計(jì)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)往往要先確定車輛的整車性能指標(biāo)。車輛的 整車性能中與動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)主要包括：動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放 等，對(duì)于電動(dòng)汽車還要確定其一次充電后的行駛里程。車輛的動(dòng)力性 能通常

5、采用最高車速、最大爬坡度和加速性能來(lái)衡量。經(jīng)濟(jì)性是通過(guò) 車輛的百公里油（能）耗來(lái)衡量。排放則是通過(guò)百公里排放的污染物 來(lái)衡量。首先根據(jù)開(kāi)發(fā)目的和國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定待開(kāi)發(fā)車輛的動(dòng)力性能 指標(biāo)，其中加速性能用汽車從靜止加速到某一速度所需的時(shí)間來(lái)確 定，通常使用0100km/h的加速時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)汽車的加速性能。在確定了待開(kāi)發(fā)車輛的動(dòng)力性能要求之后，根據(jù)上述3個(gè)動(dòng)力性能指標(biāo)來(lái)確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，對(duì)于電動(dòng)汽車即確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)。根據(jù)行駛里程的要求可以確定車輛儲(chǔ)能部件的參數(shù)，對(duì)于電動(dòng)汽 車即確定蓄電池的電量。純電動(dòng)工況下為零排放，故只需考慮Range-Extender的排放問(wèn)題。3選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)理想車用電機(jī)

6、的特性可以用圖2表示。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速nb以下以Tmax恒 轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，以上以 Wb恒功率運(yùn)行。電機(jī)輸出特性與車輛行駛時(shí)車速 范圍寬、低速轉(zhuǎn)矩大的要求相一致。根據(jù)上述分析，需要確定的電機(jī) 性能參數(shù)包括：最大功率、最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速、額定功率等。下面 通過(guò)分析車輛在不同工況下的受力情況和能量轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)。3 . 1確定電機(jī)最大功率(1) 最高車速工況 整車力平衡方程：F t= Ff + Fw( 1) 汽車驅(qū)動(dòng)力：F t;滾動(dòng)阻力：F f = m - g - f;空氣阻力：F w = QAV2/ 21.15,風(fēng)阻系數(shù)：Cd,汽車車速：V, 迎風(fēng)面積：A, 滾動(dòng)阻力系數(shù)：f。汽車以最高車速行駛所需要的電機(jī)

7、功率:P t= F - V max (2)(2) 最大爬坡工況 整車力平衡方程：F t= Ff + Fw + Fp (3)坡道阻力：F p = m 2 - g - sin aP 2= F - V b (4)3.2確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需要先選擇傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比：in max = VI/ (0.377Xr)( 5) 車輪半徑：r。3. 3確定電機(jī)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩工況向恒功率工況轉(zhuǎn)換時(shí)的車速，即對(duì) 應(yīng)于恒轉(zhuǎn)矩工況時(shí)的最大轉(zhuǎn)速。3. 4校核加速時(shí)間加速過(guò)程通常分為恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩個(gè)階段。恒轉(zhuǎn)矩階段整車驅(qū)動(dòng)力：Fti = Tmax/ Vb轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速時(shí)的車速：Vb恒功率階段整車驅(qū)動(dòng)力：Ft2= W

8、b/ V 因此整車加速時(shí)間：4選擇儲(chǔ)能電池通常按照以巡航車速完成所要求行駛里程所需要的能量來(lái)確定儲(chǔ) 能電池電量。作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的常見(jiàn)類型為鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳 氫電池、鋰電池、磷酸鐵鋰電池等。其中磷酸鐵鋰電池也是一種鋰電 池，其比能量不到鉆酸鋰電池的一半，但是其安全性高，循環(huán)次數(shù)能 達(dá)到2000次，放電穩(wěn)定，價(jià)格便宜，因此通常選擇磷酸鐵鋰電池作為 電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。5選擇 Range-Extender通?？蛇x擇的增程器類型為小型發(fā)電機(jī)或者燃料電池?；诒M量 避免使用燃油和爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)零排放的初衷，建議選用蓄電池或燃料電池 作為 Range-Extender根據(jù)動(dòng)力電池的充電電壓和車輛行

9、駛里程的要求可以確定Range-Exte nder的輸出電壓和儲(chǔ)電量。6實(shí)例分析假設(shè)開(kāi)發(fā)一輛場(chǎng)館車，整車參數(shù)如表1。表1整車參數(shù)（新能源汽車聚焦網(wǎng)制表）參數(shù)名稱數(shù)值續(xù)航里程（km）純電動(dòng)續(xù)航里程60Exte nded Range60總續(xù)航里程120空載質(zhì)量(mkg)495滿載質(zhì)量（m/kg）570車輪半徑/mm222.4風(fēng)阻系數(shù)0.35迎風(fēng)面積（m2）1.96滾動(dòng)阻力系數(shù)0.015傳動(dòng)效率（nt）0.95根據(jù)其使用目的和常用工況可以選擇動(dòng)力性能指標(biāo)如下。最咼車速：Vmax = 40km/h; 爬坡能力：以Vb = 10km/h車速爬15%的坡道； 加速能力：0-30km/h用時(shí)小于5s;巡航車

10、速：Vn = 30km/h。6 . 1計(jì)算電機(jī)參數(shù)根據(jù)式（2）和式（4）確定其最大功率為其最大爬坡工況，計(jì)算 出最大功率為2.68kW。電機(jī)額定功率通常是巡航車速工況的功率，按式（2）代入巡航車 速可得額定功率為0.99kW。選擇的驅(qū)動(dòng)形式為四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此傳動(dòng)比為1，根據(jù)式（5）得出 nmax=480 （1/min ）。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速即為最大爬坡車速時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)式（5 ）得出：nb=120 （1/min ）。根據(jù)式（6）得出加速時(shí)間為3.464s,滿足性能要求。6. 2計(jì)算動(dòng)力電池參數(shù)以巡航車速30km/h，行駛60km所需能量：=X （570 *9 生 xO.OB 4-035x1

11、 96Xjt?J X3QX23（500x0.35x0.521 15=2上冊(cè)站 倔諛誠(chéng)龐E涼05蟲(chóng)倉(cāng)佩磷酸鐵鋰電池放電電壓在2.5V3.5V之間， 故可選用20個(gè)放電電壓為3V的磷酸鐵鋰電池 串聯(lián)?？紤]安全系數(shù)可選擇電池參數(shù)如下： 電池電壓為60V,容量為80Ah;希望 SOC 0.20.9;校核電池能量：E = 60X 80X( 0.9 - 0.2) = 3.36 (kW)( 8)滿足需求。6.3選擇 Range - Extende參數(shù)要求Range-Extender提供可供該車行駛60km的能量，考慮蓄電池 充電效率，Range-Extender的儲(chǔ)電量應(yīng)比蓄電池的4.8kW h略大，可 取5kWh。磷酸鐵鋰電池充電