汽車動力發(fā)電機驅(qū)動電池電量的改進

汽車動力發(fā)電機驅(qū)動電池電量的改進

近年來，汽車能源問題和污染日益嚴(yán)重。世界汽車工業(yè)提出了新能源汽車的蓬勃發(fā)展。電動汽車被認(rèn)為是解決上述兩個問題的最佳方式。由于現(xiàn)階段充電設(shè)施尚未普及,純電動汽車受到續(xù)駛里程的制約,而混合動力電動汽車則成為當(dāng)前切實可行的過渡方案,它能有效減少油耗和降低排放,但傳統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價昂貴,在高速或長距離行駛時內(nèi)燃機無法始終保持其最佳工作狀態(tài)。因此,由現(xiàn)代混合動力技術(shù)延伸出了一種全新概念的電動汽車——增程式電動汽車。增程式電動汽車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置、參數(shù)設(shè)計和驅(qū)動模式與傳統(tǒng)純電動汽車、混合動力電動汽車都有所不同,需對其動力系統(tǒng)的部件參數(shù)進行合理的匹配設(shè)計,以保證其整車動力性和經(jīng)濟性。1電動汽車動態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計1.1增程式電動汽車發(fā)電源和燃油增程式電動汽車驅(qū)動模式特別,其驅(qū)動裝置的動力源由蓄電池和內(nèi)燃機組成,而工作時間各不相同。電能是驅(qū)動增程式電動汽車的主要能源,燃油則為其備用能源,只有當(dāng)蓄電池電能不足時內(nèi)燃機才開始工作,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電以補充電能,使車輛能繼續(xù)行駛,增加行駛里程,以便其能夠到達可以充電或加油的地點。增程式電動汽車在電池電能充足時行駛,相當(dāng)于純電動汽車,環(huán)保效果好;而其內(nèi)燃機功率較小,價格低廉,由于僅用于發(fā)電,能夠最大限度地保持在最佳工況下運行,其發(fā)電功率足夠車輛在一定速度范圍內(nèi)穩(wěn)定行駛。1.2增程式電動汽車動力系統(tǒng)增程式電動汽車在一般工況下采用純電動驅(qū)動模式,而內(nèi)燃機增程驅(qū)動模式僅在電池電量不足時才啟動,因此為簡化結(jié)構(gòu)、減少整車重量,本文設(shè)計的增程式電動汽車取消了變速器,采用一臺大功率電動機直接通過主減速器驅(qū)動車輪,其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該動力系統(tǒng)主要由蓄電池組、驅(qū)動電動機、小功率的內(nèi)燃機與發(fā)電機組成,純電動動力源部分應(yīng)具有制動再生功能,其電動機擬采用永磁無刷電機,該電機體積小、重量輕、工作效率高;蓄電池組為鋰電池;增程動力源部分采用永磁發(fā)電機和小型4缸汽油內(nèi)燃機。1.3可滿足基本行駛需求作為城市家用轎車,該增程式電動汽車應(yīng)能滿足城市道路工況需求和中短途行駛的需要,而在增程模式下,該電動車應(yīng)滿足用戶基本的行駛需求,以便用戶可以到達最近的充電或加油地點。根據(jù)上述要求,本文設(shè)計的某款增程式電動汽車的整車動力性能指標(biāo)如表1所示。2電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整2.1電機最大功率增程式電動汽車以純電動驅(qū)動為主,所選電動機應(yīng)能滿足汽車加速和爬坡所需的輸出功率和轉(zhuǎn)矩的需要,因此電動機參數(shù)的選擇與匹配對動力系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。驅(qū)動電機需要確定的參數(shù)有最大功率Pmmax,額定功率Pm和最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmmax等。電動機參數(shù)匹配應(yīng)由該車設(shè)計目標(biāo)的最高車速、最大爬坡度和加速性能等指標(biāo)確定,因此電動機最大功率為:其中,Pmmax1為根據(jù)最高車速確定的最大功率,Pmmax2為根據(jù)最大爬坡度確定的最大功率,Pmmax3為加速過程需求的最大功率。根據(jù)汽車?yán)碚摽傻眠@3種最大功率的計算公式如下:以上3個公式中,m為汽車質(zhì)量,g為重力加速度,f為滾動阻力系數(shù),Cd為空氣阻力系數(shù),A為迎風(fēng)面積,Vmax為最高車速,Vi為最大爬坡度車速,amax為最大爬坡度,tm為加速時間,Vm為加速末速度,ηt為傳動系總效率,δ為傳動系旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。而在爬坡工況下,若已知主減速器傳動比i0和輪胎滾動半徑r,就可計算此時最大轉(zhuǎn)矩為:由上述動力性指標(biāo)要求,根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)可計算并選擇電動機最大功率Pmmax=160kW,電動機過載系數(shù)λ取2,因此電動機的額定功率Pm=80kW。該車驅(qū)動電動機通過主減速器直接驅(qū)動汽車行駛,因此驅(qū)動電機應(yīng)選取高速電動機,根據(jù)電動機低速恒轉(zhuǎn)矩,高速恒功率的外特性,結(jié)合電動機功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系,通過公式(5)可計算和選取電動機最大轉(zhuǎn)矩Tmmax=400N,額定轉(zhuǎn)矩Tm=200N,最大轉(zhuǎn)速nmmax=9000r/min,額定轉(zhuǎn)速nm=5600r/min。2.2電池能量計算動力電池為該增程式電動汽車的主要動力來源,初定電池組在放電深度達65%時啟動內(nèi)燃機發(fā)電進入增程模式,因此在參數(shù)的匹配選擇中主要考慮其最大輸出功率和非增程模式下電池所需的能量,以保證整車動力性和續(xù)駛能力,相關(guān)計算公式如下:式中,Pbmax為電池組最大輸出功率,Pas為電動附件平均功率,ηm為電動機效率,ηmc為電池效率,Eb為非增程模式續(xù)駛里程所需的電池能量,Fv為行駛阻力,Sv為續(xù)駛里程數(shù)。由上述公式計算可得電池組最大輸出功率為172kW,考慮該車電動附件約消耗整車電池能量的15%,可計算選定單體電池為電壓3.5V的鋰電池,電池數(shù)量為108個一組串聯(lián),2組并聯(lián),電池組電壓為380V,可得電池組容量約為78Ah。2.3發(fā)電機匹配參數(shù)當(dāng)電池電量不足時,該車進入增程驅(qū)動模式,內(nèi)燃機啟動,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,選定電池荷電狀態(tài)SOC值為0.35時對電池進行充電,而當(dāng)SOC值為0.5時停止充電,使得電池荷電狀態(tài)在0.35～0.5內(nèi)變化,因此所匹配的發(fā)電機和內(nèi)燃機需滿足電池在此區(qū)間充電時所需要的最大發(fā)電功率,同時還應(yīng)彌補電池驅(qū)動電動機所需的放電功率,由電機和電池的匹配參數(shù)可估算此時所需輸入功率為52kW,設(shè)發(fā)電機效率ηn=0.9,所匹配發(fā)電機功率應(yīng)大于57kW。考慮到此時的電動機供電狀態(tài),實際上內(nèi)燃機輸出功率在滿足電動機發(fā)電,補充電能的同時,也在為電動機供電,而汽車也可能處于加速或高速工況,需要內(nèi)燃機額外輸出功率,且內(nèi)燃機效率較低,在保證得到良好動力性能的前提下,選取的內(nèi)燃機應(yīng)保持在經(jīng)濟工況下運行,因此綜合考慮上述因素,提高內(nèi)燃機功率裕量10%,可選擇內(nèi)燃機功率為65kW,則可選擇發(fā)電機的額定功率為58kW。2.4總傳動比參數(shù)該車由電動機通過主減速器直接驅(qū)動車輪,因此主減速的傳動比即為傳動系總傳動比,總傳動比的計算公式如下:以上3個公式中,it1為最高車速行駛阻力Fvmax和電動機最高轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩Tvmax確定的傳動比;it2為最大爬坡度行駛阻力Famax和電動機最大轉(zhuǎn)矩Tmmax確定的傳動比。通過計算,最后選取主減速器傳動比為6.23。3注：電動汽車的性能和分析3.1整車仿真參數(shù)作為城市家用轎車,該增程式電動汽車可選用ADVIOSR中的新歐洲循環(huán)工況CYC＿NEDC,該循環(huán)周期為1184s,最大行駛速度120km/h,平均行車速度33km/h,為仿真該車增程模式下電池荷電狀態(tài)SOC值的變化,SOC的初始值取0.7,整車仿真參數(shù)如表2所示。3.2cycnidc工況在ADVIOSR軟件中建立整車模型,對上述技術(shù)參數(shù)和循環(huán)工況進行仿真,動力性能結(jié)果如表3所示,而循環(huán)工況車速和電池SOC值變化如圖2和圖3所示。由上述仿真結(jié)果可知,該增程式電動汽車在整車動力性方面滿足設(shè)計要求,在CYC＿NEDC工況下的實際車速也完全滿足其需求車速;在電池SOC值方面,該車SOC值從初始值逐漸降低,行車制動過程中的能量回收使得SOC值有趨于平緩的波動,當(dāng)仿真至約880s時,SOC值降至0.35,此時內(nèi)燃機啟動充電,使SOC值有所回升,但隨后汽車進入高速工況,電池耗電量增大,電池SOC值回升至0.45后開始下降,當(dāng)汽車降速后,SOC值又逐漸回升,由此可見,內(nèi)燃機增程發(fā)電使得電池電量得到了有效的補充,在循環(huán)末期進入高速工況時,仍然可以滿足行車需要,增程效果明顯;而內(nèi)燃機油耗方面,該循環(huán)中增程模式的百公里油耗僅4.2L。4模型驗證結(jié)果本文以適合城市家用轎車的整車性能指標(biāo)作為該增程式電動汽車設(shè)計的目標(biāo)依據(jù),設(shè)計和選擇了相關(guān)動力系統(tǒng)部件的參數(shù),建立