增程式电动车动力总成匹配及测试

王泽兴　伊然　魏跃远　杨良会　罗华利

摘要：本文以增程式电动车整车参数基本要求和动力性指标作为约束条件，对驱动电机、发动机、发电机等动力总成核心部件进行了性能匹配设计，使动力总成匹配满足整车性能要求，并通过整车动力性仿真模型进行仿真验证。最后通过动力总成台架及整车的测试结果验证了仿真模型的正确性，证明了该动力总成性能匹配方法的可行性和准确性。

关键词：增程式电动车；动力系统匹配；仿真；测试验证

为解决电动汽车中存在的电池技术、充电站设施和续驶里程等问题，在纯电动汽车基础上增加一台内燃机和发电机组成的增程器来延长其续驶里程，提高用户感受，这种安装增程器的纯电驱动车辆就称作增程式电动车。增程式电动车在短距离行驶时处于纯电模式；当行驶里程较长时增程器开始工作，增程器通过消耗燃油来发电，补充车辆行驶所需的电能或对动力电池充电。本文仅对纯电驱动模式的整车动力性进行了仿真分析和试验验证。

1增程式电动车动力总成性能匹配

本文基于北汽A级纯电动乘用车平台进行增程式电动汽车开发，完成了动力总成的性能匹配，并配合整车要求实现了动力总成的整车搭载和验证。

在设计过程中，增程式电动车的整车参数如表1和表2所示，是动力总成性能匹配设计的重要依据。

增程式电动车的动力总成在匹配设计中，动力总成性能要满足整车性能的要求，因此，驱动电机、发动机、发电机等动力总成核心部件的匹配设计要以整车性能要求为依据。

1.1驱动电机的性能匹配

1.1.1驱动电机的功率匹配

驱动电机作为增程式电动车的唯一驱动装置，驱动电机技术参数的选择与匹配必须要满足车辆行驶的最高车速、最大爬坡度、最大加速度时所需要的指标，而且电动机的功率越大，其后备功率也就越大，加速性和爬坡性也就越好。所以驱动电机在选型匹配时功率要满足以下三个要求：

（1）最高行驶车速工况

汽车在不低于最高车速V_max的速度下匀速行驶所需求的功率PV_max：

（1）式中，m为整车质量；f滚动阻力系数；g为重力加速度；C_D为空气阻力系数；A为整车迎风面积；η_T为机械传动效率。

（2）最大爬坡度工况

汽车能够以不低于最低要求车速V_s，在最大坡度为α_max的坡面上行驶的功率P_s：

（2）

（3）加速时间：

满足汽车在时间t_a内由0km/h加速到要求车速V_r所需要的电机功率P_a：

（3）

式中，6为汽车旋转质量换算系数，取1.25；P_a为空气密度，取1.293kg/m³；V_b为驱动电机基速所对应的车速。

根据表1整车参数计算，得：

P_vmax=34.56kw；P_s=9.14kw；

P_a=93.12kw。

根据式（1）～（3）在不同行驶工况下计算出的功率需求结果，可知驱动系统的峰值功率P_max应不小于其中的最大值，即

（4）

因此，P_Mmax=100kw取峰值功率。

电机的额定功率为：

式中：λ为过载系数，一般取1.5-2.5。

在本项目中我们按过载系数为2进行匹配，其额定功率P_Me=50kw。

1.1.2驱动电机的转速匹配

在电机额定功率相同的情况下，电机的额定转速越高，体积和质量越小，制造成本也就越低。驱动电机的高效区一般处于额定转速附近，从经济性考虑，电机额定转速一般由车辆的常规车速决定。电机转速与车速的关系为

（6）

式中，n_Mmax为驱动电机最大转速。

考虑到项目第二阶段发动机参与直驱的要求，结合发动机的工作特性，取减速器的一级齿轮的速比i_g=1，计算电机转速n_Mmax≥4119rpm，同样考虑到在发动机参与车辆直驱的工况时，驱动电机转速应与发动机的转速匹配，因此驱动电机最高转速取n_Mmax>6000rpm。

1.1.3驱动电机的转矩匹配

驱动电机最大转矩的匹配要满足汽车的最大爬坡度要求：

（7）

代入表1.1参数计算得：T_Mmax1≥276N·m。

同时，当驱动电机的最大功率确定后，电机的最大转矩还应满足：

（8）

式中，n_Me为电机的额定转速，取2000rpm，计算得：T_Mmax2≥478N·m。

驱动电机的最大转矩应满足：

（9）

因此，这里取驱动电机的最大轉矩T_Mmax=480Nm。

驱动电机的额定扭矩：

（10）

计算得：T_Me=240N·m

通过对驱动电机匹配设计，驱动电机特性参数如表3所示：

1.2增程器匹配

本项目所采用的增程器是由往复活塞式汽油发动机和永磁发电机组成的发电机组。其功用是当动力电池SOC较低或出现故障不能工作时，为驱动电机提供能量，在该车型中，采用了全功率型增程器，其功率需要满足车辆以最高车速130km/h匀速行驶。

因此，增程器输出功率：

（11）

计算得：P_RE=34.56kW。

发动机输出功率：

（12）

式中，η_G为发电机的工作效率，通过发电机效率测试数据查得该工况下电机效率为0.9。

计算得：P_E≥38.4kW。

巡航车速为80km/h时，需求增程续航里程为400km，则油箱容积为：

（13）

式中，V是油箱容积，S_RE是增程续航里程，P₈₀是80km/h车速时对应的发动机功率，b_e取250g/kwh，ρ是汽油密度取0.752kg/L，v是巡航车速取80km/h。

计算得：V=23L

1.3减速器匹配设计

本项目研究的增程式电动车，根据驱动电机的特性，选用的是单档速比的变速器器，简称减速器。在满足整车动力性能的同时使得结构更加简单，传动效率更高，操作也更简单。

减速器参数选择要满足以下两个要求：

（1）驱动电机最高转速下满足整车的最高车速设计要求：

（14）

式中，i₁为满足最高车速的减速器的减速比，r为车轮半径，n_Mmax为驱动电机的最大转速，V_max为车辆纯电驱动时的最高车速。

计算得：i₁≤5.2026

（2）在驅动电机最大转矩下满足整车的最大爬坡度设计要求：

（15）式中，α_max是最大爬坡度，T_Mmax是驱动电机的最大扭矩。

计算得：i₂≥0.000128

通过以上参数匹配计算，具体减速器参数如表4所示：

1.4动力电池匹配设计

动力电池组主要由电池单体通过串、并联组合构成，动力电池作为主电源总容量要满足车辆纯电动续驶里程的设计要求，且功率要覆盖驱动电机的功率需求，因此要对电池单体的数量、动力电池组的总容量以及动力电池组的功率进行匹配。

动力电池组完成一次充、放电，需要的额定总能量为：

（16）

式中，W是额定总能量；S是车辆的纯电续驶里程，取60km；SOC₁、SOC₂分别是动力电池组SOC的初始值和末值，初值取100%，末值取10%；η_c是驱动电机控制器效率，取0.98；P_V是以匀速V行驶的功率，V取100km/h。

由以上参数计算得所需动力电池总能量为W=12.96kWh，动力电池组的额定容量：

（17）式中，Q_B是额定容量；U是动力电池组额定电压，与驱动电机额定电压一致，取350.4V。

计算得额定容量为Q_B≥36.99Ah，取Q_B=37Ah。

电池单体的连接方式决定了动力电池组的特性。并联电池单体的数量主要增加电池组的容量，来满足车辆纯电动续驶里程的要求：

（18）

式中，C_r是电池单体容量，本项目中电池选取三元锂电池，单体容量37Ah，计算得：η_p=1。

串联电池单体数目既要保证电池组电压与电机电压匹配，又要保证电池组功率满足电机峰值功率需求，同时要有短时大电流放电的能力。串联电池单体的数量：

（19）

式中，P_Mmax是电机峰值功率；P_bMax是电池单体允许最大放电功率。

计算得：n_s=96，动力电池参数如表5：

2整车动力性仿真验证

本文通过应用软件对匹配的插电式混合动力汽车进行加速度和爬坡度后向仿真，仿真结果如图1和图2所示，0-100km/h加速时间为10.66s，最高车速200km/h，10km/h爬坡度27.44%，符合整车设计目标。

3增程式动力总成的测试验证

项目中通过动力总成测试台架，验证了动力总成各部件的性能，并通过整车的道路测试，对整车的动力性进行了验证。

3.1动力总成台架验证

动力总成各核心部件试制完成后，在试验室搭建了增程式动力总成台架如图3，并通过AVL台架测功机对混合动力总成进行测试，可以验证各动力部件是否满足设计要求。

3.1.1发动机台架测试

通过发动机台架测试，发动机试验结果如表6：

3.1.2发电机台架测试

通过发电机台架测试，350V电压等级下发电机试验结果如表7：

3.1.3驱动电机台架测试

通过驱动电机台架测试，350V电压等级下驱动电机试验结果如表8：

3.2整车动力性试验

本项目在交通部试验场对试制样车进行了整车的加速性、最高车速、最大爬坡度等动力性指标进行了测试，结果如表9：

3.3试验结果

增程式动力总成各部件台架测试结果表明，发动机、发电机、驱动电机各项参数指标均达到了匹配设计要求。整车的动力性测试结果0-100km/h加速时间为11.74s，最高车速160km/h，最大爬坡度为25%，与整车动力性仿真结果0-100km/h加速时间为10.66s，最高车速200km/h，最大爬坡度大于27%，除最高车速因动力电池放电功率造成一定偏差外，其余基本吻合。试验结果证明了本项目中动力总成匹配设计的准确性和整车动力性仿真模型仿真结果的有效性。

4结语

本论文以增程式电动车整车基本参数要求和动力性指标为约束条件，针对增程式电动车动力总成的匹配设计，给出了一套增程式动力总成及驱动电机、发动机、发电机等核心部件的性能匹配设计方法。通过仿真软件根据动力总成匹配参数搭建了整车动力性模型，进行了仿真分析。并通过动力总成零部件和整车的测试验证了该匹配设计方法的可行性和准确性，以及仿真结果的有效性，为今后增程式电动车开发项目中进行动力总成的匹配设计积累了经验和理论依据。