新能源汽车技术第5章

规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第1页第5章增程式电动汽车5.1概述5.2增程式电动汽车动力传动系统参数匹配5.3增程式电动汽车控制策略5.4增程式电动汽车动力系统建模与仿真规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第2页5.1概述5.1.1增程式电动汽车结构图5.1为设计的一款增程式电动汽车动力传动系统结构图，其中粗线表示机械连接，细线表示电气连接，虚线为CAN总线连接。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第3页5.1概述增程式电动汽车动力传动系统由电驱动系统、发动机/发电动机系统、功率分配装置、动力电池等组成。电驱动系统是由驱动电动机及牵引力驱动控制装置组成，发动机到驱动电动机之间没有机械连接，而是首先通过发电装置，将燃油的化学能转化成三相交流电，然后发电动机驱动控制器将交流电流转化成直流，并通过发电动机驱动控制装置到达功率分配装置，根据工况需要做出牵引力驱动控制的功率分配。发动机作为主要动力源时的动力传输为：（1）在需求功率比较大的时候，功率分配装置会直接将电能传递给驱动力控制装置，驱动车辆行驶。（2）在增程模式下如果增程模块提供的电能有剩余，则多余的电能将为蓄电池充电，蓄电池在增程模式下，起到平衡系统的充电和放电作用，稳定系统电压。（3）停车时，可以通过外接充电装置为蓄电池充电。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第4页5.1概述各个系统之间的数据传输可由CAN总线完成，实现控制单元之间的信息传递和命令执行，根据驾驶员施加给加速踏板或者制动踏板的位置指令，获取需求功率信息，传递给主控制器，主控制器根据目前行驶状况和车辆的状态进行判断，确定当前E-REV的运行模式，将控制指令传递给部件控制器，如牵引力驱动控制器、电池管理系统、发动机驱动控制器等。发动机、发电动机和发电动机驱动控制装置共同组成了一个增程器系统，增程器是增程式电动汽车驱动系统的关键组件，发动机/发电动机系统与驱动车轮在机械上是分离的，发动机的转速和转矩与车速和牵引转矩的需求无关，因此可控制发动机运行在其转速—转矩平面上的任意点。通常应控制发动机使其运行在最佳工况区，此时发动机的油耗和排放降到最低程度，由于发动机和驱动车轮没有机械连接，因此最佳的发动机运行状态是可以实现的，与电驱动系统的运行模式和控制策略密切相关。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第5页5.1概述增程器只提供电能，电能用来驱动电动机或者为动力电池充电，增加电动汽车的行驶里程，发动机到驱动电动机之间的动力传动路线没有机械连接，可以将电能用于驱动车辆，不经过蓄电池的充放电过程，降低了从增程系统到动力蓄电池的能量传递损失。增程式电动汽车的控制策略目的是在动力电池电能充足的情况下，保持在纯电动工作模式，将有害物质排放降到最低。这种模式下的控制策略与纯电动汽车类似，增程模式下的控制策略要保证增程器和动力电池得到最佳的匹配，获得最优的整车系统效率。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第6页5.1.2增程器的分类1．按布置位置分类根据增程器与汽车的安装关系，分为挂车式、插拔式和车载式三种。（1）挂车式增程器。这种形式实用性不高，更多的是应用于室内场馆车。（2）插拔式增程器。将增程器设置为可插拔的模块，考虑到短途行驶时，不需要携带增程器行驶，提出了这种方案。该种形式增程器对设计要求较高，并需要与动力部件及传动系统合理的匹配。（3）车载式增程器。与纯电动汽车的动力系统固定在一起，结构形式简单，动力系统可以方便的实现结构布置，提高了整车的空间利用率，与插拔式增程器相比，不需要在出行前对出行距离进行预估，也不需要频繁的对增程器进行拆卸和安装，是目前应用最多的增程器系统。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第7页5.1.2增程器的分类2．按结构组成分类（1）大容量蓄电池增程器。优点是便于统一标准和规格，研发周期短，成本低，容易实现量产。但是由于这种增程器是基于传统的蓄电池，所以不可避免的存在能量密度较低、体积偏大、成本高等缺点。短距离行驶时的优势明显不足。（2）燃料电池增程器。为了达到尽量避免使用燃油，实现零排放的目标，燃料电池增程器成为一种新的选择。可以采用功率为5-10kW的小型燃料电池作为增程器，与车载主动力电池协同工作，延长电动汽车的续驶里程，燃料电池增程器的结构如图5.2所示。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第8页5.1.2增程器的分类（3）发动机/发电动机组增程器。发动机/发电动机组增程器可以采用多种发动机与发电动机进行组合成为增程式系统，可供选择的发动机有传统的火花点火式发动机、转子发动机、小型燃气轮机等。由于这种增程系统的电能由发动机提供，经历了发动机—发电动机的能量转换过程，因此发电动机功率要大于增程系统功率，发动机到发电动机之间存在能量损失，要求发动机功率大于发电动机功率，在满足以上结构和配置的基础上，保证发动机和发电动机都工作在转矩/转速高效率区内。发动机/发电动机组的增程系统是目前应用最多和技术最成熟的增程系统。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第9页5.1.3增程式电动汽车原理第一种工作模式为纯电动模式，如图5.4所示的能量传递路线，与发动机和发电动机无关，电池是唯一的动力源，这种工作模式与纯电动汽车一样，相当于一辆纯电动汽车。不同之处是，增程式的纯电动行驶里程可以设置的相对较小，不必装备大量的蓄电池组，电池的电量能够满足车辆起步、加速、爬坡、怠速，以及驱动汽车空调等附件。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第10页5.1.3增程式电动汽车原理第二种工作模式为增程模式，能量传递路线如图5.5所示。在电池的电达到预设的SOC最低值时，增程器系统启动，发动机运行在最佳的状况，使发电动机发电，一部分用于驱动车辆行驶，多余的电量为蓄电池充电。增程模式的发动机可以有多种工作方式，根据控制策略的不同，可以选择发动机恒功率模式、功率跟随模式、恒功率与功率跟随模式结合，此外有智能控制策略和优化算法控制策略等复杂控制策模式。当车辆停止的时候，可以利用市电为蓄电池充电。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第11页5.1.4增程式电动汽车的特点增程式电动汽车是一种可增加续驶里程的纯电动汽车，兼有混合动力汽车和纯电动汽车的特征。增程式纯电动汽车的特点如下：（1）在电量消耗模式下，发动机不起动，由动力电池驱动整车行驶，这样可减少整车对石油的依赖，缓解石油危机；（2）在电池电量不足时，为了保证车辆性能和电池组的安全性，进入电量保持模式，由动力电池和发动机联合驱动整车行驶；（3）整车纯电动续驶里程满足大部分人员每天行驶里程要求，动力电池可利用晚间低谷电力充电，缓解供电压力；（4）整车大部分情况下在电量消耗模式下行驶，能达到零排放和低噪音的效果；（5）发动机与机械系统不直接相连，发动机可工作于最佳效率点，大大提高整车燃油效率。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第12页5.1.4增程式电动汽车的特点鉴于增程器工作条件的特殊性，对电动汽车的增程系统提出了以下的要求：（1）增程系统要稳定可靠，可以立刻启动并进入正常工作状态。当长时间不用的时候要定期开启发动机运转，以使得各个部件得到良好的润滑和维护。（2）由于工况复杂，为了实现高效率和低排放的要求，要求系统处在最优工作点工作，因此控制器非常关键，通过控制策略和优化措施，在保证整车动力性前提下提高经济性和效率。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第13页5.1.5增程式电动汽车主要技术指标规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第14页5.2增程式电动汽车动力传动系统参数匹配增程式电动汽车参数匹配的原则是根据整车动力总成结构特点和整车设计指标（动力性、经济性、续驶里程等），对整车动力总成的参数进行匹配。这里主要对驱动电动机的参数、动力电池的参数和增程器的参数进行匹配。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第15页5.2.1驱动电动机的参数匹配驱动电动机的转矩（功率）——转速特性如图5.6所示。需要确定的特性参数主要包括电动机的最高转速和额定转速、峰值功率和额定功率等。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第16页5.2.1驱动电动机的参数匹配1．最高转速和额定转速电动汽车最高行驶车速与电动机最高转速之间的关系为电动机的最高转速与额定转速之比称为扩大恒功率区系数。其值越大，转速越低，转矩增高，有利于提高车辆的加速和爬坡性能，稳定运行性能越好，但同时功率变换器尺寸也会增大，因此其值不宜过高，通常取值为2~4。riun377.00maxmax规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第17页5.2.1驱动电动机的参数匹配2．功率匹配驱动电动机的功率对整车的动力性具有直接影响，电动机功率越大，整车运行时的后备功率也越大，加速以及爬坡能力越强，但同时也会增加电动机本身的体积和重量，进而影响整车的质量。驱动电动机的额定功率一般由最高车速确定，峰值功率由整车的设计目标来确定，峰值功率应该达到最高车速、加速时间以及爬坡性能分别对应的最大功率需求。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院新能源汽车技术第18页5.2.1驱动电动机的参数匹配（1）根据最高车速确定电动机功率（2）根据最大爬坡度确定电动机功率（3）根据加速时间确定电动机功率15.2136002maxmax1AuCmg