增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究
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REEV 动力系统如图 1 所示。 蓄电池作为主动
动力系统设计是增程式电动汽车研发工作的重 要内容之一。目前， 已发表了许多有关混合动力汽 但是专门针对 车动力 系 统 参 数 匹 配 的 研 究 结 果，
以保证车辆 力源直接挂在动力系统的直流母线上，
* 高等学校创新引智计划 （ B08019 ） 和上海市重点学科项目 （ B303 ） 资助。 原稿收到日期为 2011 年 2 月 22 日， 修改稿收到日期为 2011 年 5 月 25 日。
2
2. 1
动力系统部件参数设计
原型车参数及 REEV 动力性能设计指标 以某款纯电动汽车作为原型车， 其基本参数见
表 1 。REEV 动力性能的设计指标见表 2 。 表1
参数 整备质量 m0 / kg 满载质量 m / kg 主减速比 i0 轮胎滚动半径 r / m
原型车基本参数
数值 1 150 1 450 6. 058 0. 301 参数 滚动阻力系数 f 迎风面积 A / m2 风阻系数 C D 传动系效率 η t 数值 0. 015 1. 97 0. 284 0. 92
2011 （ Vol． 33 ） No． 11
周苏， 等： 增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究
· 925 ·
的动力性能、 吸收制动回馈能量和提供一定的蓄电 池纯电动续驶里程； 发动机和电机组成的 RE 系统 与蓄电池并联在直流母线上， 给驱动电机提供辅助 功率和为蓄电池充电， 增加续驶里程； 驱动电机经主 减速器和差速器机构驱动车轮。
关键词：增程式电动汽车；增程器；动力系统；设计；仿真
ห้องสมุดไป่ตู้
A Study on Powertrain Design and Simulation for Range-extended Electric Vehicle
Zhou Su，Niu Jigao，Chen Fengxiang ＆ Pei Fenglai
表2
REEV 动力性能指标
≤14 ≥140 ≥30 ≥65 ≥300
0 ～ 100km / h 加速时间 t a / s 最高车速 v max / （ km·h － 1 ） 最大爬坡度 i max / % 蓄电池纯电动续驶里程 d1 / km 总续驶里程（ d1 + d2 ） / km
驱动电机的特性参数决定车辆的动力性能 。 需要确 定的特性参数主要包括电动机的最高转速和基速、 峰值功率和最大转矩、 额定功率等。 （ 1 ） 最高转速 n max 和基速 n b 采用原型车的主减速器， 由关系式 n max = v max i0 / （ 0. 377 r） 及表 1 和表 2 的相关数据， 可计算得到电
College of Automotive Engineering，Tongji University，Shanghai 201804
［ Abstract］ In view of the problem of short driving range of pure electric vehicles，the structural analysis and key parameters matching for a rangeextended electric vehicle developed are conducted． Based on AVLCruise / Simulink cosimulation platform with an onoff power management strategy adopted，a simulation verification is conducted on the powertrain designed． The results demonstrate that the powertrain designed and parameters matching so the highly efficient operation of range extender can be achieved with the driving range of eare relatively rational， lectric vehicle effectively extended． Keywords： rangeextended electric vehicle； range extender； powertrain； design； simulation REEV 的相关文献不多。 文献［ 3］中采用三步骤设
2. 2 2. 2. 1
驱动电机参数选择 驱动电机特性参数 REEV 通过电驱动系统将电能转换为机械能 ，
图2 最高车速功率曲线和最大爬坡度 功率曲线
· 926 ·
汽
车
工
程
2011 年（ 第 33 卷） 第 11 期
吸收制动回馈能量和提供一定的蓄电池纯 力性能、 电动续驶里程。 （ 1 ） 功率要求 蓄电池作为 REEV 主动力源， 要保证车辆的动 力性， 其 最 大 放 电 功 率 P bat_max = kC p U m /1 000 须 满足： P bat_max ≥
图3 0 ～ 100km / h 加速时间功率曲线
P max η mc
+ PA
（ 6）
或
REEV 满足 0 ～ 100km / h 的加速时间不大于 14s， 驱 动电机峰值功率须满足 P max3 ≥72. 5kW （ C 点 ） 。 因 P max 取值 75kW。 此， （ 3 ） 额定功率 P rated 峰值功率取 75kW 时， 按过载系数 2. 5 进行匹 配， 则其额定功率为 30kW， 能够满足 REEV 整车动 在电机选型时， 力性指标中最高车速的要求。另外， 应考虑选用额定功率点附近高效率的电机 。 根据关 系式： 电机峰值（ 额定） 功率 = 电机峰值 （ 额定 ） 转矩 × 电机基速 /9 500 ， 可计算得到驱动电机的峰值转 矩和额定转矩分别为 240 和 95N·m。 2. 2. 2 参数修正 或 驱动电机参数初步确定之后， 还须验证是否满 足一定车速下的最大爬坡度和汽车行驶最高车速的 即 要求， i0 0. 377n max C D Av2 mg p fcosαmax + sinαmax + ≤ ≤ r vmax 21. 15mg η t Tmax （ 5） 如不满足， 则要修正驱动电机参数或调整动力 性能的设计指标， 或考虑其它原型车。 将相关数据代入式 （ 5 ） ， 动力性能的设计指标、 原型车的相关参数和选择的驱动电机参数应满足 5. 908 ≤i0 ≤6. 079 。原型车的主减速比 i0 为 6. 058 ， 因此， 选择的驱动电机参数满足设计要求。 综上分 析， 可得表 3 的驱动电机特性参数。 表3
图1 REEV 动力系统
REEV 有短途（ 如在城市内） 和长途两种行驶模 式， 分别 对 应 于 动 力 系 统 的 纯 蓄 电 池 供 电 模 式 和 RE / 蓄电池并行供电模式。REEV 计划短途行驶时， RE 不工作。 这种 动力系统可设定只由蓄电池供电 ， 工作模式能够在零油耗和零排放情况下行驶数十千 米， 满足日常工况需要。 REEV 计划长途行驶时， 动 力系统可设定为 RE / 蓄电池并行供电模式， 当蓄电 池的荷电状态 SOC 降低到设定的某一下限值 SOC RE 时， 启动 RE 工作， 即发动机带动电机恒功率发电， 与蓄电池共同或者单独给驱动电机供电， 或者给蓄 电池充电。第二种工作模式使用能量密度高的燃油 以供增程器发电， 延长车辆的续驶里程， 同时可以设 计专用发动机使其恒功率工作在高效低排放的最佳 ［5 ］ 工况区内 。
机的最高转速 n max = 7 474r / min； 基速比通常取值为 2 ～ 4， 由关系式 n b = n max / β， β 取值 2. 5 ， 可得到对应 取最高转速和基速 的基速 n b = 2 990r / min。 因此， 分别为 7 500r / min 和 3 000r / min。 （ 2 ） 峰值功率 P max 0 ～ 100km / h 加速时间 与最高车速、 爬坡性能、 P max2 和 P max3 分别为［6］ 对应的电机功率需求 P max1 、 P max1 = P max2 = P max3 = mgv max 3 600 η t mgv p 3 600 η t
2011 年（ 第 33 卷） 第 11 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2011 （ Vol． 33 ） No． 11
2011189
增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究
周 苏， 牛继高， 陈凤祥， 裴冯来
（ 同济大学汽车学院， 上海 201804 ）
*
［ 摘要］ 针对电动汽车续驶里程短的问题 ， 为开发的增程式电动汽车动力系统进行了结构分析和主要参数匹 Cruise / Simulink 联合仿真平台， 配。基于 AVL采用定点能量管理策略 ， 对设计的动力系统进行了仿真验证 。结果表 整车动力系统的设计和参数匹配比较合理 ， 能实现增程器的高效工作和有效延长电动汽车的续驶里程 。 明，
［1 ］
计法对燃料电池汽车动力总成进行了结构配置和参 4］ 中针对油电混合车辆提出了工程 数匹配。文献［ 分析和仿真校验相结合的参数匹配方法 。 从工程实际出发， 合理地选择动力系统的参数， 才能充分保证 REEV 的整车动力性和续驶里程的要 求。文中首先介绍了 REEV 动力系统的结构配置和 工作模式； 然后以 REEV 整车动力性能指标和续驶 对 REEV 动力系统的参数进 里程要求为约束条件， Cruise 和 Mat行了匹配设计； 最后， 在搭建的 AVLlab / Simulink 联合仿真平台上进行了仿真验证 。
参数 最高转速 / （ r·min － 1 ） 峰值功率 / kW 额定功率 / kW
1 000 P max CP ≥ + PA kU m η mc
(
)
（ 7）
这里考虑了车辆附件（ 主要包括电动空调、 转向 系统、 助力系统、 冷却风扇等电器 ） 的功率需求 P A 。 为了吸收制动回馈能量， 蓄电池还必须具备一定的 充电功率。 （ 2 ） 能量要求 蓄电池还要保证 REEV 以 v a 匀速行驶时的蓄 电池纯电动续驶里程 d1 ， 其能量 E B = U m C E /1 000 须 满足： EB ≥ × d1 3 600 × DODη t η mc η b （ 1 － η a ） mgf + C D Av2 a /21. 15 mgf + C D Av2 a /21. 15 （ 8）
。
extended electric vehicle， 增 程 式 电 动 汽 车 （ rangeREEV） 是一种以蓄电池为主动力的电动汽车， 只是 在车上 装 了 另 一 个 较 小 功 率 的 车 载 发 电 机 （ 增 程 器） 并配置合适大小的油箱， 以增加续驶里程
［2 ］
。
1
REEV 动力系统及工作模式
前言
电动汽车 （ electric vehicle，EV ） 因目前的动力 蓄电池能量密度较低， 其一次充电可实现的续驶里 程还达不到燃油汽车一次加油的续驶里程 。 为了延 将燃油发动机和电机组成的发 长 EV 的续驶里程， 电机组作为增程器 （ range extender，RE ） ， 与动力蓄 电池一起构成动力源， 是一种可供选择的方案
( (
f+
C D Av2 max 21. 15 mg
)
（ 1） C D Av2 p 21. 15 mg
fcosα max + sinα max +
)
（ 2）
2 1 1 σm 2 （ v f + v2 mgfv f + ρ a C D Av3 b） + f 3 5 1 000 2 t a
[
]
（ 3）
式中的符号说明见附录 1 ， 下同。 因此， 驱动电机峰 值功率取三者的最大值， 即 P max ≥max［ P max1 ， P max2 ， P max3 ］ （ 4） 代入表 1 和表 2 的相关参数， 可得到图 2 所示 的最高车速功率曲线和最大爬坡度功率曲线以及 图 3 所示的 0 ～ 100km / h 加速时间功率曲线。 由图 2 可见， 要满足最高车速和最大爬坡度的要求， 所对 应的驱动 电 机 峰 值 功 率 分 别 为 P max1 ≥ 30. 9kW （ A 点） 和 P max2 ≥ 39. 1kW （ B 点 ） 。 由 图 3 可 见， 要使
动力系统设计是增程式电动汽车研发工作的重 要内容之一。目前， 已发表了许多有关混合动力汽 但是专门针对 车动力 系 统 参 数 匹 配 的 研 究 结 果，
以保证车辆 力源直接挂在动力系统的直流母线上，
* 高等学校创新引智计划 （ B08019 ） 和上海市重点学科项目 （ B303 ） 资助。 原稿收到日期为 2011 年 2 月 22 日， 修改稿收到日期为 2011 年 5 月 25 日。
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2. 1
动力系统部件参数设计
原型车参数及 REEV 动力性能设计指标 以某款纯电动汽车作为原型车， 其基本参数见
表 1 。REEV 动力性能的设计指标见表 2 。 表1
参数 整备质量 m0 / kg 满载质量 m / kg 主减速比 i0 轮胎滚动半径 r / m
原型车基本参数
数值 1 150 1 450 6. 058 0. 301 参数 滚动阻力系数 f 迎风面积 A / m2 风阻系数 C D 传动系效率 η t 数值 0. 015 1. 97 0. 284 0. 92
2011 （ Vol． 33 ） No． 11
周苏， 等： 增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究
· 925 ·
的动力性能、 吸收制动回馈能量和提供一定的蓄电 池纯电动续驶里程； 发动机和电机组成的 RE 系统 与蓄电池并联在直流母线上， 给驱动电机提供辅助 功率和为蓄电池充电， 增加续驶里程； 驱动电机经主 减速器和差速器机构驱动车轮。
关键词：增程式电动汽车；增程器；动力系统；设计；仿真
ห้องสมุดไป่ตู้
A Study on Powertrain Design and Simulation for Range-extended Electric Vehicle
Zhou Su，Niu Jigao，Chen Fengxiang ＆ Pei Fenglai
表2
REEV 动力性能指标
≤14 ≥140 ≥30 ≥65 ≥300
0 ～ 100km / h 加速时间 t a / s 最高车速 v max / （ km·h － 1 ） 最大爬坡度 i max / % 蓄电池纯电动续驶里程 d1 / km 总续驶里程（ d1 + d2 ） / km
驱动电机的特性参数决定车辆的动力性能 。 需要确 定的特性参数主要包括电动机的最高转速和基速、 峰值功率和最大转矩、 额定功率等。 （ 1 ） 最高转速 n max 和基速 n b 采用原型车的主减速器， 由关系式 n max = v max i0 / （ 0. 377 r） 及表 1 和表 2 的相关数据， 可计算得到电
College of Automotive Engineering，Tongji University，Shanghai 201804
［ Abstract］ In view of the problem of short driving range of pure electric vehicles，the structural analysis and key parameters matching for a rangeextended electric vehicle developed are conducted． Based on AVLCruise / Simulink cosimulation platform with an onoff power management strategy adopted，a simulation verification is conducted on the powertrain designed． The results demonstrate that the powertrain designed and parameters matching so the highly efficient operation of range extender can be achieved with the driving range of eare relatively rational， lectric vehicle effectively extended． Keywords： rangeextended electric vehicle； range extender； powertrain； design； simulation REEV 的相关文献不多。 文献［ 3］中采用三步骤设
2. 2 2. 2. 1
驱动电机参数选择 驱动电机特性参数 REEV 通过电驱动系统将电能转换为机械能 ，
图2 最高车速功率曲线和最大爬坡度 功率曲线
· 926 ·
汽
车
工
程
2011 年（ 第 33 卷） 第 11 期
吸收制动回馈能量和提供一定的蓄电池纯 力性能、 电动续驶里程。 （ 1 ） 功率要求 蓄电池作为 REEV 主动力源， 要保证车辆的动 力性， 其 最 大 放 电 功 率 P bat_max = kC p U m /1 000 须 满足： P bat_max ≥
图3 0 ～ 100km / h 加速时间功率曲线
P max η mc
+ PA
（ 6）
或
REEV 满足 0 ～ 100km / h 的加速时间不大于 14s， 驱 动电机峰值功率须满足 P max3 ≥72. 5kW （ C 点 ） 。 因 P max 取值 75kW。 此， （ 3 ） 额定功率 P rated 峰值功率取 75kW 时， 按过载系数 2. 5 进行匹 配， 则其额定功率为 30kW， 能够满足 REEV 整车动 在电机选型时， 力性指标中最高车速的要求。另外， 应考虑选用额定功率点附近高效率的电机 。 根据关 系式： 电机峰值（ 额定） 功率 = 电机峰值 （ 额定 ） 转矩 × 电机基速 /9 500 ， 可计算得到驱动电机的峰值转 矩和额定转矩分别为 240 和 95N·m。 2. 2. 2 参数修正 或 驱动电机参数初步确定之后， 还须验证是否满 足一定车速下的最大爬坡度和汽车行驶最高车速的 即 要求， i0 0. 377n max C D Av2 mg p fcosαmax + sinαmax + ≤ ≤ r vmax 21. 15mg η t Tmax （ 5） 如不满足， 则要修正驱动电机参数或调整动力 性能的设计指标， 或考虑其它原型车。 将相关数据代入式 （ 5 ） ， 动力性能的设计指标、 原型车的相关参数和选择的驱动电机参数应满足 5. 908 ≤i0 ≤6. 079 。原型车的主减速比 i0 为 6. 058 ， 因此， 选择的驱动电机参数满足设计要求。 综上分 析， 可得表 3 的驱动电机特性参数。 表3
图1 REEV 动力系统
REEV 有短途（ 如在城市内） 和长途两种行驶模 式， 分别 对 应 于 动 力 系 统 的 纯 蓄 电 池 供 电 模 式 和 RE / 蓄电池并行供电模式。REEV 计划短途行驶时， RE 不工作。 这种 动力系统可设定只由蓄电池供电 ， 工作模式能够在零油耗和零排放情况下行驶数十千 米， 满足日常工况需要。 REEV 计划长途行驶时， 动 力系统可设定为 RE / 蓄电池并行供电模式， 当蓄电 池的荷电状态 SOC 降低到设定的某一下限值 SOC RE 时， 启动 RE 工作， 即发动机带动电机恒功率发电， 与蓄电池共同或者单独给驱动电机供电， 或者给蓄 电池充电。第二种工作模式使用能量密度高的燃油 以供增程器发电， 延长车辆的续驶里程， 同时可以设 计专用发动机使其恒功率工作在高效低排放的最佳 ［5 ］ 工况区内 。
机的最高转速 n max = 7 474r / min； 基速比通常取值为 2 ～ 4， 由关系式 n b = n max / β， β 取值 2. 5 ， 可得到对应 取最高转速和基速 的基速 n b = 2 990r / min。 因此， 分别为 7 500r / min 和 3 000r / min。 （ 2 ） 峰值功率 P max 0 ～ 100km / h 加速时间 与最高车速、 爬坡性能、 P max2 和 P max3 分别为［6］ 对应的电机功率需求 P max1 、 P max1 = P max2 = P max3 = mgv max 3 600 η t mgv p 3 600 η t
2011 年（ 第 33 卷） 第 11 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2011 （ Vol． 33 ） No． 11
2011189
增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究
周 苏， 牛继高， 陈凤祥， 裴冯来
（ 同济大学汽车学院， 上海 201804 ）
*
［ 摘要］ 针对电动汽车续驶里程短的问题 ， 为开发的增程式电动汽车动力系统进行了结构分析和主要参数匹 Cruise / Simulink 联合仿真平台， 配。基于 AVL采用定点能量管理策略 ， 对设计的动力系统进行了仿真验证 。结果表 整车动力系统的设计和参数匹配比较合理 ， 能实现增程器的高效工作和有效延长电动汽车的续驶里程 。 明，
［1 ］
计法对燃料电池汽车动力总成进行了结构配置和参 4］ 中针对油电混合车辆提出了工程 数匹配。文献［ 分析和仿真校验相结合的参数匹配方法 。 从工程实际出发， 合理地选择动力系统的参数， 才能充分保证 REEV 的整车动力性和续驶里程的要 求。文中首先介绍了 REEV 动力系统的结构配置和 工作模式； 然后以 REEV 整车动力性能指标和续驶 对 REEV 动力系统的参数进 里程要求为约束条件， Cruise 和 Mat行了匹配设计； 最后， 在搭建的 AVLlab / Simulink 联合仿真平台上进行了仿真验证 。
参数 最高转速 / （ r·min － 1 ） 峰值功率 / kW 额定功率 / kW
1 000 P max CP ≥ + PA kU m η mc
(
)
（ 7）
这里考虑了车辆附件（ 主要包括电动空调、 转向 系统、 助力系统、 冷却风扇等电器 ） 的功率需求 P A 。 为了吸收制动回馈能量， 蓄电池还必须具备一定的 充电功率。 （ 2 ） 能量要求 蓄电池还要保证 REEV 以 v a 匀速行驶时的蓄 电池纯电动续驶里程 d1 ， 其能量 E B = U m C E /1 000 须 满足： EB ≥ × d1 3 600 × DODη t η mc η b （ 1 － η a ） mgf + C D Av2 a /21. 15 mgf + C D Av2 a /21. 15 （ 8）
。
extended electric vehicle， 增 程 式 电 动 汽 车 （ rangeREEV） 是一种以蓄电池为主动力的电动汽车， 只是 在车上 装 了 另 一 个 较 小 功 率 的 车 载 发 电 机 （ 增 程 器） 并配置合适大小的油箱， 以增加续驶里程
［2 ］
。
1
REEV 动力系统及工作模式
前言
电动汽车 （ electric vehicle，EV ） 因目前的动力 蓄电池能量密度较低， 其一次充电可实现的续驶里 程还达不到燃油汽车一次加油的续驶里程 。 为了延 将燃油发动机和电机组成的发 长 EV 的续驶里程， 电机组作为增程器 （ range extender，RE ） ， 与动力蓄 电池一起构成动力源， 是一种可供选择的方案
( (
f+
C D Av2 max 21. 15 mg
)
（ 1） C D Av2 p 21. 15 mg
fcosα max + sinα max +
)
（ 2）
2 1 1 σm 2 （ v f + v2 mgfv f + ρ a C D Av3 b） + f 3 5 1 000 2 t a
[
]
（ 3）
式中的符号说明见附录 1 ， 下同。 因此， 驱动电机峰 值功率取三者的最大值， 即 P max ≥max［ P max1 ， P max2 ， P max3 ］ （ 4） 代入表 1 和表 2 的相关参数， 可得到图 2 所示 的最高车速功率曲线和最大爬坡度功率曲线以及 图 3 所示的 0 ～ 100km / h 加速时间功率曲线。 由图 2 可见， 要满足最高车速和最大爬坡度的要求， 所对 应的驱动 电 机 峰 值 功 率 分 别 为 P max1 ≥ 30. 9kW （ A 点） 和 P max2 ≥ 39. 1kW （ B 点 ） 。 由 图 3 可 见， 要使