带增程器的纯电动汽车动力系统设计

带增程器的纯电动汽车动力系统设计 前言 众所周知，我国在传统内燃机汽车方面一直落后于发达国家，有很多关键技术依赖于发达国家的汽车企业，常常被别人牵着鼻子走，这也造成了我国汽车行业长期处在一种低水准、高成本的模式下运作，非常不利于我国汽车行业的正常发展。 目前全球汽车行业正处于转型阶段，由于石油资源的短缺和环境的日益恶化，使得人们不得不考虑从传统内燃机汽车向新能源电动汽车转型，这也给我国汽车行业带来了发展契机，大力发展新能源电动汽车，掌握其关键技术，就能让我国汽车企业在未来的全球竞争中占得先机，在汽车行业占据领先地位。 1电动汽车及Range - Extender简介 电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势。目前电动汽车技术的研发已成为各国政府和汽车行业的热点。电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。它包括燃料电池电动汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)和纯电动汽车(BEV)3种类型。其中纯电动汽车(Battery Electric Vehicle)发展时间最长，曾被全球汽车企业广泛看好，从20世 纪70年代至今，可以说比其他类型电动汽车的发展时间都长，经验也丰富，开发成本也较低。 但由于目前蓄电池储能有限，纯电动汽车存在一次充电后续驶里程短的问题。考虑采用在纯电动汽车上加装一个增程器(Range-Extender)的方法来增加纯电动汽车的续驶里程。 增程器(Range-Extender)是为了增加纯电动汽车行驶里程而加装在纯电动汽车上的一个附加储能部件。通常用户可以在出行时根据行驶里程需求自行选择安装或者不安装(降低车重，可以减少能量消耗)。增程器的形式通常有:小型发电机、蓄电池和燃料电池等。而由于增程器的工作特点，通常对其性能有如下要求: (1)要求系统可靠，长时间待机后可以立刻进入工作状态; (2)由于工况单一，要求对工作点进行较好的优化以降低系统成本，提高效率。 相比纯电动汽车，带Range-Extender的电动汽车在行驶里程方面有很大的优势，相比传统油电混合动力汽车，带Range-Extender的电动汽车在排放方面优点十分突出，而相比新型电电混合动力汽车，带Range-Extender的电动汽车以蓄电池驱动为主，更偏向于纯电动驱动，因此也可视其为从混合动力驱动向纯电动驱动的一种过渡方法。 2动力系统总体规划 带有Range-Extender的纯电动汽车动力系统结构大致如图1所示。 设计车辆的动力系统往往要先确定车辆的整车性能指标。车辆的整车性能中与动力系统相关的指标主要包括:动力性、经济性、排放等，对于电动汽车还要确定其一次充电后的行驶里程。车辆的动力性能通常采用最高车速、最大爬坡度和加速性能来衡量。经济性是通过车辆的百公里油(能)耗来衡量。排放则是通过百公里排放的污染物来衡量。 首先根据开发目的和国家法规标准来确定待开发车辆的动力性能指标，其中加速性能用汽车从静止加速到某一速度所需的时间来确定，通常使用0~100km/h的加速时间来汽车的加速性能。 在确定了待开发车辆的动力性能要求之后，根据上述3个动力性能指标来确定驱动系统的参数，对于电动汽车即确定驱动电机的参数。 根据行驶里程的要求可以确定车辆储能部件的参数，对于电动汽车即确定蓄电池的电量。 纯电动工况下为零排放，故只需考虑Range-Extender的排放问题。 3选择驱动电机 理想车用电机的特性可以用图2示。转折转速n以下以T恒转bmax矩运行，以上以W恒功率运行。电机输出特性与车辆行驶时车速范b 围宽、低速转矩大的要求相一致。根据上述，需要确定的电机性能参数包括:最大功率、最高转速、转折转速、额定功率等。下面通过分析车辆在不同工况下的受力情况和能量转换设计电机参数。 3 . 1确定电机最大功率 (1)最高车速工况 整车力平衡方程: F = F + F (1) tfw 汽车驱动力:F ; t 滚动阻力:F = m?g?f; f 2空气阻力:F w = CAV/ 21.15， d 风阻系数:C ， d 汽车车速:V， 迎风面积:A， 滚动阻力系数:f。 汽车以最高车速行驶所需要的电机功率: P = F?V (2) ttmax (2)最大爬坡工况 整车力平衡方程: F = F + F + F (3) tfwp 坡道阻力:F = m ?g?sinα p2 P = F?V (4) 2tb 3.2确定电机最高转速 需要先选择传动系统总传动比:i。 n max = V?I /(0.377× r)(5) 车轮半径:r。 3. 3确定电机转折转速 转折转速对应电机恒转矩工况向恒功率工况转换时的车速，即对应 于恒转矩工况时的最大转速。 3. 4校核加速时间 加速过程通常分为恒转矩和恒功率两个阶段。 恒转矩阶段整车驱动力:F = T/ V t1maxb 转折转速时的车速:V b 恒功率阶段整车驱动力:F= W/ V t2b 因此整车加速时间: 4选择储能电池 通常按照以巡航车速完成所要求行驶里程所需要的能量来确定储能电池电量。 作为纯电动汽车动力电池的常见类型为铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池、锂电池、磷酸铁锂电池等。其中磷酸铁锂电池也是一种锂电池，其比能量不到钴酸锂电池的一半，但是其安全性高，循环次数能达到2000次，放电稳定，价格便宜，因此通常选择磷酸铁锂电池作为电动汽车的动力电池。 5选择Range – Extender 通常可选择的增程器类型为小型发电机或者燃料电池。基于尽量避免使用燃油和争取实现零排放的初衷，建议选用蓄电池或燃料电池作为Range-Extender。 根据动力电池的充电电压和车辆行驶里程的要求可以确定 Range-Extender的输出电压和储电量。 6实例分析 假设开发一辆场馆车，整车参数如表1。 表1整车参数(新能源汽车聚焦网制表) 参数名称 数值 60 纯电动续航里程 Extended Range 60 续航里程(km) 120 总续航里程 495 空载质量(m/kg) 1 570 满载质量(m/kg) 2 222.4 车轮半径/mm 0.35 风阻系数 21.96 迎风面积(m) 0.015 滚动阻力系数 0.95 传动效率(n) t 根据其使用目的和常用工况可以选择动力性能指标如下。 最高车速:V = 40km/h; max 爬坡能力:以V = 10km/h车速爬15%的坡道; b 加速能力:0-30km/h用时小于5s; 巡航车速:V = 30km/h。 n 6 . 1计算电机参数 根据式(2)和式(4)确定其最大功率为其最大爬坡工况，计算出最大功率为2.68kW。 电机额定功率通常是巡航车速工况的功率，按式(2)代入巡航车速可得额定功率为0.99kW。 选择的驱动形式为四轮轮毂电机驱动，因此传动比为1，根据式(5)得出n=480(1/min)。 max 转折转速即为最大爬坡车速时对应的电机转速，根据式(5)得出:n=120(1/min)。 b 根据式(6)得出加速时间为3.464s，满足性能要求。 6. 2计算动力电池参数 以巡航车速30km/h，行驶60km所需能量: 磷酸铁锂电池放电电压在2.5V~3.5V之间， 故可选用20个放电电压为3V的磷酸铁锂电池 串联。考虑安全系数可选择电池参数如下: 电池电压为60V，容量为80Ah; 希望SOC:0.2~0.9; 校核电池能量: E = 60×80×(0.9 - 0.2)= 3.36(kW)(8) 满足需求。 6 . 3选择Range - Extender参数 要求Range-Extender提供可供该车行驶60km的能量，考虑蓄电池充电效率，Range-Extender的储电量应比蓄电池的4.8kW?h略大，可取5kW?h。磷酸铁锂电池充电电压在3.5V~4V之间，故选择增程器输出电压为80V。为实现零排放的初衷，在此选择小型燃料电池作为Range-Extender。 7总结 文中介绍了Range-Extender这个在国内比较新颖的概念，并详细说明带Range-Extender的纯电动汽车动力系统设计过程，最后辅以实例。希望能在电动汽车动力系统设计方面起到抛砖引玉的作用。