增程式电动汽车的概念与设计方案

第5期(总第162期)

2010年10月机械工程与自动化

M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.5O ct.

文章编号:1672-6413(2010)05-0209-02

增程式电动汽车的概念与设计方案

吴韶建,陶元芳

(太原科技大学,山西　太原　030024)

摘要:能源与环境问题是当今制约汽车工业发展的两个重要因素。混合动力电动汽车既注重节能环保,又有较高的可行性,而其中的增程式电动汽车是混合动力电动汽车的重要方向之一。讨论了增程式电动汽车的工作模式,并说明其具体设计方案。

关键词:混合动力电动汽车;增程式电动汽车;设计方案中图分类号:U 469.72 文献标识码:A

收稿日期:2010-03-15;修回日期:2010-04-29

作者简介:吴韶建(1985-),男,福建泉州人,在读硕士研究生。

0　引言

汽车为人类社会带来了很大的便利,已成为人类社会日常生活不可或缺的交通工具。但是,在全球汽车工业迅猛发展的同时也带来了两个极其严重的负面效应:一是石油能源危机;二是环境污染加剧。汽车工业的发展受到了能源、环境等因素的严峻考验与挑战。各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向,发展电动汽车是解决能源危机和环境污染两大难题的最佳途径。但是由于目前阶段充电站建设的限制,纯电动汽车受到续驶里程的制约,难以得到市场的认可。国家鼓励发展混合动力电动汽车,而增程式电动汽车是混合动力电动汽车的重要方向之一[1]

。1　增程式电动汽车概述

1.1　增程式电动汽车的定义

混合动力电动汽车(HEV)是指由两种或两种以上的动力源(其中一种是电能)共同提供汽车行驶驱动力的车辆。增程式电动汽车(ER -EVs )是一种特殊的混合动力电动汽车,蓄电池和内燃机作为驱动装置的动力源,分割了用电与用油的时间。电能是驱动增程式电动汽车的主要能源,汽油则是它的备用能源,只有当蓄电池电能不足时,内燃机才开始工作为驱动装置提供驱动力,驱动车辆继续行驶,增加汽车行驶里程,使其能够到达可以充电或加油的地点,不会出现抛锚现象[2],这也是“增程式电动汽车”(ER -EVs )名称的由来。1.2　增程式电动汽车的工作原理

当蓄电池有足够电量时,增程式电动汽车驱动系

统的动力全部来源于蓄电池,在一定的行驶距离范围内,增程式电动汽车的行驶完全依靠蓄电池提供的动力来完成,实现“零油耗、零排放”,相当于使用纯电动汽车。而在超出一定行驶距离、蓄电池的能量耗尽的情况下,内燃机就自动接通为增程式电动汽车驱动组件提供动力,延长它的行驶里程,从而使车辆能够到达充电站或加油站。增程式电动汽车的蓄电池和动力推进系统经过精准的设置,可以使车辆在由蓄电池提供足够的电能的时候,不需要发动机进行工作来产生额外的动力。在由蓄电池驱动车辆时,可以保证车辆顺利实现加速、最高时速以及爬坡等各种性能;当由内燃机提供动力时,增程式电动汽车能够满足基本的车辆行驶要求。

1.3　增程式电动汽车的工作特点

增程式电动汽车主要由蓄电池驱动,具备纯电动汽车的低噪声、零排放、综合利用能源、行驶成本低等特点。

有的电动汽车工作在纯电动模式下,如比亚迪e 6是比亚迪最新自主研发的纯电动汽车,具备环保、节能、安全和良好的动力,续驶里程可以达到400km,为

同类车型之冠[3]

。但是,如果它在行驶途中蓄电池电能突然耗尽,驾驶者将对此束手无策。而增程式电动汽车有汽油作为备用能源,不依赖于专业的充电站,驾驶者可以安心从容地驾驶。

有的混合动力电动汽车以弱混合的模式工作,如奇瑞A 5BSG (Belt Driven Starter Gener ator )是一款具备怠速停机和启动功能(ST OP-START )的弱混

合动力汽车。当汽车遇到红灯或堵车时,发动机暂停工作;当车辆识别到驾驶员有起步意图时,系统通过BSG 系统快速地启动发动机,消除了发动机在怠速工作时的油耗、排放和噪声[4]。可见弱混合动力汽车正常行驶时相当于普通燃油汽车,而增程式电动汽车在蓄电池有足够电能的时候行驶相当于纯电动汽车。相比之下,增程式电动汽车具有更好的环保效果。

有的混合动力电动汽车以强混合的模式工作,如丰田普锐斯在怠速时自动停止内燃机,减少能量浪费;在需要最大功率输出时内燃机和电动机同时出力,一方面满足了最大功率输出,另一方面避免了内燃机进入高转速、高污染、低效率的区间工作;在需要较小功率输出时,内燃机可以给蓄电池充电;在平缓制动时,通过控制系统也可以给蓄电池充电[4,5]。总之这种混合动力工作模式能使内燃机始终工作在高效区,使1.5L 的发动机达到2.0L 发动机的动力特性,而能耗和污染很低,当然这是以高昂的成本为代价的。

与上述强混合模式的混合动力电动汽车相比,增程式电动汽车结构简单,主要由蓄电池驱动,加上一个小型内燃机,其造价要低得多。2　增程式电动汽车的结构模式

增程式电动汽车由电动机、车载电池和内燃机3大主要部件总成组成。电动机用来驱动汽车车轮,车载电池为电动机供电,而内燃机则是用来为车辆提供额外的动力,延长行驶里程。图1为增程式电动汽车

的结构模型。

图1　增程式电动汽车的结构模型

3　增程式电动汽车的设计方案

该车为轻小型汽车,使用蓄电池作为它的主要能源,内燃发电机组作为它的备用能源,自重1300kg 左右,5人乘坐,适合于在市内使用。当蓄电池提供电能作为驱动力时,可以保证车辆顺利实现加速、最高时速以及爬坡等各种性能;当蓄电池电能耗尽时,开关自动切换,增程式内燃发电机组开始发电,为车辆提供驱动力,继续行驶,使其能够到达充电站或者加油站。下面对该方案所需的电机功率进行简单计算。平路满载运行时所需的电机功率是选择电机的基础,满载运行额定功率P t (kW)为:

P t =((G +Q )f v max 3600+C D A v 3max

76140)/ 0。(1)

………其中:G 为该车自重,此处取13000N;Q 为该车载重量,此处取4000N ;f 为道路阻力系数,由于该车主要用于市内行驶,多为沥青或水泥路面,取0.02;v max 为汽车最高行驶速度,此处取80km /h;C D 为空气阻力系数,取0.3;A 为小车迎风面积,此处取1.7m 2

; 0为传动效率,取0.85。

将取值代入式(1),可得P t =12.93kW 。由此可知13kW 功率的电机可以满足该车的功率需求。此处选用额定功率P e 为13kW 、额定电流为68.7A 、额定电压222V 、额定转速n 为3000r /min 的Z2-52直流他励电动机,力矩倍数 为2.16,则最大扭矩M e max (N ・m)为:

M e max =9549 P e

n

。(2)…………………………将取值代入式(2),可得M e max =89.4N ・m 。由此可知,该电动机最大扭矩M e max 为89.4N ・m 。

根据选定的电机扭矩可以对其最大爬坡度 max 进行简单计算:

max =

M e max i 0i g 1

t (G +Q )r

-f 。(3)

……………………其中:r 为驱动车轮滚动半径,此处取0.25m ;i 0为主传动速比,因减速器与变速箱采用的是夏利2000车型上所配备的减速器与变速箱,故此处取值为4.266;i g 1为头档速比,该设计取3.181; t 为传动效率,取0.85。

将取值代入式(3),可得 max =0.223。由此可知,该增程式电动汽车可以满足20%的爬坡度。

因此,选择容量为90Ah 的电池可以满足最高时速80km /h 连续行驶超过100km ,且可以满足20%的爬坡度。

当电池耗尽,内燃发电机提供驱动力时,该增程式电动汽车最高时速为60km /h ,同样以平路满载运行时所需的电动机功率作为选择发电机组电动机额定

功率的基础。以60km/h 满载运行时电机驱动功率为:

P n =((G +Q )f V max 3600+C D AV 3max

76140)/

0。(4)……其中:V max 为内燃机提供动力时汽车的最高行驶速度,此处取60km /h 。

将取值代入式(4),可得P n =8.5kW 。设发电机的效率为0.9,则汽油发动机的额定功率为:

P q =P n /0.9=8.5/0.9=9.4kW 。

因此,选择额定功率为10kW 的汽油发动机驱动发电机发电可以达到最高时速60km /h 。

采用上述内燃发电机组的增程驱动模式,可以省去内燃机直接驱动时的动力切换装置,但也带来了增加一台发电机及其效率损失的缺点。

(下转第213页)

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