汽车动力发电机驱动电池电量的改进

汽车动力发电机驱动电池电量的改进

近年来，汽车能源问题和污染日益严重。世界汽车工业提出了新能源汽车的蓬勃发展。电动汽车被认为是解决上述两个问题的最佳方式。由于现阶段充电设施尚未普及,纯电动汽车受到续驶里程的制约,而混合动力电动汽车则成为当前切实可行的过渡方案,它能有效减少油耗和降低排放,但传统的混合动力系统结构复杂,造价昂贵,在高速或长距离行驶时内燃机无法始终保持其最佳工作状态。因此,由现代混合动力技术延伸出了一种全新概念的电动汽车——增程式电动汽车。增程式电动汽车动力系统的结构布置、参数设计和驱动模式与传统纯电动汽车、混合动力电动汽车都有所不同,需对其动力系统的部件参数进行合理的匹配设计,以保证其整车动力性和经济性。1电动汽车动态系统的设计1.1增程式电动汽车发电源和燃油增程式电动汽车驱动模式特别,其驱动装置的动力源由蓄电池和内燃机组成,而工作时间各不相同。电能是驱动增程式电动汽车的主要能源,燃油则为其备用能源,只有当蓄电池电能不足时内燃机才开始工作,驱动发电机发电以补充电能,使车辆能继续行驶,增加行驶里程,以便其能够到达可以充电或加油的地点。增程式电动汽车在电池电能充足时行驶,相当于纯电动汽车,环保效果好;而其内燃机功率较小,价格低廉,由于仅用于发电,能够最大限度地保持在最佳工况下运行,其发电功率足够车辆在一定速度范围内稳定行驶。1.2增程式电动汽车动力系统增程式电动汽车在一般工况下采用纯电动驱动模式,而内燃机增程驱动模式仅在电池电量不足时才启动,因此为简化结构、减少整车重量,本文设计的增程式电动汽车取消了变速器,采用一台大功率电动机直接通过主减速器驱动车轮,其动力系统结构如图1所示。该动力系统主要由蓄电池组、驱动电动机、小功率的内燃机与发电机组成,纯电动动力源部分应具有制动再生功能,其电动机拟采用永磁无刷电机,该电机体积小、重量轻、工作效率高;蓄电池组为锂电池;增程动力源部分采用永磁发电机和小型4缸汽油内燃机。1.3可满足基本行驶需求作为城市家用轿车,该增程式电动汽车应能满足城市道路工况需求和中短途行驶的需要,而在增程模式下,该电动车应满足用户基本的行驶需求,以便用户可以到达最近的充电或加油地点。根据上述要求,本文设计的某款增程式电动汽车的整车动力性能指标如表1所示。2电动汽车动力系统参数调整2.1电机最大功率增程式电动汽车以纯电动驱动为主,所选电动机应能满足汽车加速和爬坡所需的输出功率和转矩的需要,因此电动机参数的选择与匹配对动力系统的设计至关重要。驱动电机需要确定的参数有最大功率Pmmax,额定功率Pm和最大输出转矩Tmmax等。电动机参数匹配应由该车设计目标的最高车速、最大爬坡度和加速性能等指标确定,因此电动机最大功率为:其中,Pmmax1为根据最高车速确定的最大功率,Pmmax2为根据最大爬坡度确定的最大功率,Pmmax3为加速过程需求的最大功率。根据汽车理论可得这3种最大功率的计算公式如下:以上3个公式中,m为汽车质量,g为重力加速度,f为滚动阻力系数,Cd为空气阻力系数,A为迎风面积,Vmax为最高车速,Vi为最大爬坡度车速,amax为最大爬坡度,tm为加速时间,Vm为加速末速度,ηt为传动系总效率,δ为传动系旋转质量换算系数。而在爬坡工况下,若已知主减速器传动比i0和轮胎滚动半径r,就可计算此时最大转矩为:由上述动力性指标要求,根据公式(1)、(2)、(3)、(4)可计算并选择电动机最大功率Pmmax=160kW,电动机过载系数λ取2,因此电动机的额定功率Pm=80kW。该车驱动电动机通过主减速器直接驱动汽车行驶,因此驱动电机应选取高速电动机,根据电动机低速恒转矩,高速恒功率的外特性,结合电动机功率、转矩和转速的函数关系,通过公式(5)可计算和选取电动机最大转矩Tmmax=400N,额定转矩Tm=200N,最大转速nmmax=9000r/min,额定转速nm=5600r/min。2.2电池能量计算动力电池为该增程式电动汽车的主要动力来源,初定电池组在放电深度达65%时启动内燃机发电进入增程模式,因此在参数的匹配选择中主要考虑其最大输出功率和非增程模式下电池所需的能量,以保证整车动力性和续驶能力,相关计算公式如下:式中,Pbmax为电池组最大输出功率,Pas为电动附件平均功率,ηm为电动机效率,ηmc为电池效率,Eb为非增程模式续驶里程所需的电池能量,Fv为行驶阻力,Sv为续驶里程数。由上述公式计算可得电池组最大输出功率为172kW,考虑该车电动附件约消耗整车电池能量的15%,可计算选定单体电池为电压3.5V的锂电池,电池数量为108个一组串联,2组并联,电池组电压为380V,可得电池组容量约为78Ah。2.3发电机匹配参数当电池电量不足时,该车进入增程驱动模式,内燃机启动,驱动发电机发电,选定电池荷电状态SOC值为0.35时对电池进行充电,而当SOC值为0.5时停止充电,使得电池荷电状态在0.35～0.5内变化,因此所匹配的发电机和内燃机需满足电池在此区间充电时所需要的最大发电功率,同时还应弥补电池驱动电动机所需的放电功率,由电机和电池的匹配参数可估算此时所需输入功率为52kW,设发电机效率ηn=0.9,所匹配发电机功率应大于57kW。考虑到此时的电动机供电状态,实际上内燃机输出功率在满足电动机发电,补充电能的同时,也在为电动机供电,而汽车也可能处于加速或高速工况,需要内燃机额外输出功率,且内燃机效率较低,在保证得到良好动力性能的前提下,选取的内燃机应保持在经济工况下运行,因此综合考虑上述因素,提高内燃机功率裕量10%,可选择内燃机功率为65kW,则可选择发电机的额定功率为58kW。2.4总传动比参数该车由电动机通过主减速器直接驱动车轮,因此主减速的传动比即为传动系总传动比,总传动比的计算公式如下:以上3个公式中,it1为最高车速行驶阻力Fvmax和电动机最高转速输出转矩Tvmax确定的传动比;it2为最大爬坡度行驶阻力Famax和电动机最大转矩Tmmax确定的传动比。通过计算,最后选取主减速器传动比为6.23。3注：电动汽车的性能和分析3.1整车仿真参数作为城市家用轿车,该增程式电动汽车可选用ADVIOSR中的新欧洲循环工况CYC＿NEDC,该循环周期为1184s,最大行驶速度120km/h,平均行车速度33km/h,为仿真该车增程模式下电池荷电状态SOC值的变化,SOC的初始值取0.7,整车仿真参数如表2所示。3.2cycnidc工况在ADVIOSR软件中建立整车模型,对上述技术参数和循环工况进行仿真,动力性能结果如表3所示,而循环工况车速和电池SOC值变化如图2和图3所示。由上述仿真结果可知,该增程式电动汽车在整车动力性方面满足设计要求,在CYC＿NEDC工况下的实际车速也完全满足其需求车速;在电池SOC值方面,该车SOC值从初始值逐渐降低,行车制动过程中的能量回收使得SOC值有趋于平缓的波动,当仿真至约880s时,SOC值降至0.35,此时内燃机启动充电,使SOC值有所回升,但随后汽车进入高速工况,电池耗电量增大,电池SOC值回升至0.45后开始下降,当汽车降速后,SOC值又逐渐回升,由此可见,内燃机增程发电使得电池电量得到了有效的补充,在循环末期进入高速工况时,仍然可以满足行车需要,增程效果明显;而内燃机油耗方面,该循环中增程模式的百公里油耗仅4.2L。4模型验证结果本文以适合城市家用轿车的整车性能指标作为该增程式电动汽车设计的目标依据,设计和选择了相关动力系统部件的参数,建立