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

1、帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言眾所周知，我國(guó)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)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(lài)于發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)企業(yè)，常常被別人牽著鼻子走，這也造成了我國(guó)汽車(chē)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(chē)行業(yè)的正常發(fā)展。目前全球汽車(chē)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(chē)向新能源電動(dòng)汽生轉(zhuǎn)型，這也給我國(guó)汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展契機(jī)，大力發(fā)展新能源生效汽車(chē),掌握其關(guān)鍵技術(shù)，就能讓我國(guó)汽車(chē)企業(yè)在未來(lái)的全球競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)，在汽車(chē)行業(yè)占據(jù)領(lǐng)先地位。1電動(dòng)汽車(chē)及Range-Extender簡(jiǎn)介電動(dòng)汽車(chē)具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等

2、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(chē)技術(shù)的研發(fā)已成為各國(guó)政府和汽車(chē)行業(yè)的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)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(chē)。它包括燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)和純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)3種類(lèi)型。其中純電動(dòng)汽車(chē)(BatteryElectricVehicle)發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，曾被全球汽車(chē)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(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)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(chē)存在一次充電后續(xù)駛里程短的問(wèn)題?？紤]采用在純電動(dòng)汽車(chē)上加裝一個(gè)增程器(Range-Extender)的方法來(lái)增加純電動(dòng)汽車(chē)

3、的續(xù)駛里程。增程器(Range-Extender是為了增加純電動(dòng)汽車(chē)行駛里程而加裝在純電動(dòng)汽車(chē)上的一個(gè)附加儲(chǔ)能部件。通常用戶(hù)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(chē)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(chē)，帶Range-Extender的電動(dòng)汽車(chē)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(chē)，帶Range-Extender的電動(dòng)汽車(chē)在排放方面優(yōu)點(diǎn)十分

4、突出，而相比新型電電混合動(dòng)力汽車(chē)，帶Range-Extender的電動(dòng)汽車(chē)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-Extender的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示圖動(dòng)力系統(tǒng)短感聲.德綁甄小£后期陶設(shè)計(jì)車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)往往要先確定車(chē)輛的整車(chē)性能指標(biāo)。車(chē)輛的整車(chē)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(chē)還要確定其一次充電后的行駛里程。車(chē)輛的動(dòng)力性能通常采用最高車(chē)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(chē)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

5、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(chē)輛的動(dòng)力性能指標(biāo)，其中加速性能用汽車(chē)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(chē)的加速性能。在確定了待開(kāi)發(fā)車(chē)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(chē)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(chē)輛儲(chǔ)能部件的參數(shù)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)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(chē)用電機(jī)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(chē)輛行駛時(shí)車(chē)速范圍寬、低速轉(zhuǎn)矩大

6、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(chē)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)。AM恒轉(zhuǎn)短區(qū)恒功率區(qū)轉(zhuǎn)速3.1確定電機(jī)最大功率(1)最高車(chē)速工況整車(chē)力平衡方程：Ft=Ff+Fw(1)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力：Ft;滾動(dòng)阻力：Ff=mg-f;空氣阻力：Fw=GAV2/21.15,風(fēng)阻系數(shù)：Cd,汽車(chē)車(chē)速：V,迎風(fēng)面積：A,滾動(dòng)阻力系數(shù)：f。汽車(chē)以最高車(chē)速行駛所需要的電機(jī)功率：Pt=Ft,Vmax(2)(2)最大爬坡工況整車(chē)力平衡方程：Ft=Ff+Fw+Fp(3)坡道阻力：Fp=m2gsin%P2=FtVb(4)3.2確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)

7、速需要先選擇傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比：ionmax=VI/(0.377Xr)(5)車(chē)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(chē)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(chē)驅(qū)動(dòng)力：Fti=Tmax/Vb轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速時(shí)的車(chē)速：Vb恒功率階段整車(chē)驅(qū)動(dòng)力：Ft2=Wb/V因此整車(chē)加速時(shí)間：4選擇儲(chǔ)能電池通常按照以巡航車(chē)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(chē)動(dòng)力電池的常見(jiàn)類(lèi)型為鉛酸電池、銀鎘電池和銀氫電池、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

8、一半，但是其安全性高，循環(huán)次數(shù)能達(dá)到200歐，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(chē)的動(dòng)力電池。5選擇Range-Extender通?？蛇x擇的增程器類(lèi)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(chē)輛行駛里程的要求可以確定Range-Extender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(chē)，整車(chē)參數(shù)如表1。表1整車(chē)參數(shù)（新能源汽車(chē)聚焦網(wǎng)制表）參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值續(xù)航里程（km）純電動(dòng)續(xù)航里程60ExtendedRange60總續(xù)航里程120空載質(zhì)量（m"kg）4

9、95滿(mǎn)載質(zhì)量（m2/kg）570車(chē)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)如下最高車(chē)速：Vmax=40km/h;爬坡能力：以Vb=10km/h車(chē)速爬15%勺坡道；加速能力：0-30km/h用時(shí)小于5s巡航車(chē)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(chē)速工況的功率，按式（2）代入巡航車(chē)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n

10、max=480（1/min）。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速即為最大爬坡車(chē)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(mǎn)足性能要求。6. 2計(jì)算動(dòng)力電池參數(shù)E=乃=360。甲公(明歐十X3工JU口二(5x(570父9£xO.015+。35江96笨x30x23(500x0.55x052115二1上上H宓以巡航車(chē)速30km/h,行駛60km所需能量:例必如服軟喈6。殳爸®赧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SOC0.20.9;校核電池能量：E=60X80X(0.9-0.2)=3.36(kW)(8)滿(mǎn)足需求。6.3選擇Range-Extende參數(shù)要求Range-Extender提供可供t車(chē)行駛60km的能量，考慮蓄電池充電效率，Range-Extender!勺儲(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