用来将纯电动汽车改装成增程式电动汽车的增程器参数
摘要：本文介绍了一种能够增加现有电动汽车行驶里程的增程器的建模、仿真、实现的方案。其目标是改装现有使用锂离子电池组的电动卡车，使其行驶里程从最初的67英里增加到100英里。增程器已经和一个紧凑且容错的电池充电器合并，以增加行驶里程。考虑到发动机-发电机组、燃料电池、光伏板等不同能源的性能，选择发动机-发电机组作为增程器。对不同的充电方案进行仿真以此提高电动卡车的行驶里程，在实验中有一种特殊地充电方式已经成功地提高了行驶里程。本文展示了已开发出的增程器为电池组充电的方案的仿真及实验结果，同时也展示了增程式电动卡车的整车仿真实验结果。本文给出了一种最优的发动机-发电机组的定义，即在给定的输出功率下，将燃油消耗率降到最低。油耗结果与传统的最优操作线相比较而言更低。
关键词：增程式电动汽车；电池；动力系统；参数匹配；仿真
文章编号：978-1-4799-0336-8/13/$31.00 copy;2013 IEEE
- 引言
随着传统内燃机汽车工业的迅速发展，专家预测到2057年，地球上的石油资源很有可能将会枯竭。使用内燃机的传统汽车向大气层排放大量污染物，因此也是空气污染的重要来源之一。由于电动汽车具有零排放的优点，使得它比燃油汽车更具吸引力。但是，即使是在电池组充满电的状况下，纯电动汽车续驶里程仍然有限。目前，很多为了增加电动汽车续航里程的研究工作正在进行。
目前存在多种增加电动汽车行驶里程的可行方案，提高电化学能源储存装置的容量是其中的一种方法。除此之外，提高蓄电池或燃料电池的能源密度也是一种可行方案。在某种需要高功率输出的运行模式下，发动机-发电机组增程器可以用来增加电动汽车行驶里程。与其它类型相比，这种增程模式并不复杂，增程器的输出功率并不是直接取决于汽车行驶所要求的功率。发动机-发电机组能够以恒定功率运行在它的燃油经济区。因此，发动机-发电机组增程器可以降低汽车燃油消耗率和减少污染物排放。
本文研究了使用发动机-发电机组将LiFePO4电池电动卡车改装成增程式电动卡车的方法，基于已有的电动卡车的参数，来选择发动机-发电机组作为增程器并仿真、设计、建模，以此提高电动卡车的续驶里程。另外，给出一种最优的发动机-发电机组的定义，即在给定的输出功率下，将燃油消耗率降到最低。油耗结果与传统的最优操作线相比较而言更低。
- 发动机-发电机组参数
增程式电动汽车的发动机-发电机组的参数选择是关键设计步骤，目的是为了在尽可能减小附加重量的前提下优化性能。选择增程器参数时，考虑了一种能够使改装后的增程式电动卡车在高速公路上定速巡航100km的特定驱动循环，以此为现有电动卡车选择合适的发动机-发电机组参数。根据汽车行驶方程式，可求出维持汽车定速巡航工况下所需功率。汽车行驶方程式如下：
方程中的Ftr是增程式电动汽车驱动力，FRL是行驶阻力。在定速巡航工况时，驱动轮驱动力等于行驶阻力FRL，它是作用在汽车上的各种阻力之和，包括空气阻力、滚动阻力、重力的分力FgxT。它们的计算公式如下所示：
FAD=sign(Vvehicle)*(rho;CADAF(Vvehicle V0)2)
Froll=sign(Vvehicle)*mgcosbeta;*(C0 C1Vvehicle2)
FgxT=mgsinbeta;
FRL=FAD Froll FgxT
Ptra=FRL*Vvehicle
表一 电动卡车和增程器参数
|
仿真参数名称 |
参数值 |
|
整车整备质量 发动机-发电机组质量 |
1360kg 600kg |
|
滚动阻力系数Co |
0.0015 |
|
空气阻力系数Ca |
0.44 |
|
迎风面积m2 |
2.88m2 |
|
道路坡度beta; |
0 |
|
风速Vo |
0m/s |
|
车轮半径r |
0.38m |
|
驱动功率 |
24kW |
|
电池组 |
锂离子，100Ah,180kg,额定电压140V |
根据本文所研究的电动卡车参数以及汽车行驶方程，以65mile/h的车速行驶时所要求的功率是22.6kW.本文所设计的额定功率必须是增加了发动机-发电机组增程器的重量后仍然满足的汽车行驶功率。根据不同额定功率和不同等级电池组的荷电状态SOC做了各种仿真分析。仿真结果如表二：
表二 不同荷电值和发动机额定功率的仿真结果
|
最小荷电值（%） |
最大荷电值（%） |
原始荷电值（%） |
最终荷电值（%） |
发动机额定功率（kW） |
行驶里程（miles） |
车速（mile/h） |
|
60 |
80 |
100 |
20 |
15 |
65 |
45 |
|
60 |
80 |
100 |
20 |
15 |
46 |
65 |
|
60 |
80 |
100 |
20 |
17.5 |
69 |
45 |
|
60 |
80 |
100 |
20 |
17.5 |
50 |
65 |
|
35 |
95 |
100 |
20 |
17.5 |
40 |
65 |
|
35 |
95 |
100 |
20 |
30 |
79 |
65 |
|
60 |
80 |
100 |
20 |
30 |
79 |
65 |
基于表二所示的仿真结果，发动机-发电机组增程器的额定功率应在30KW左右。另外必须考虑发动机-发电机组的尺寸，例如是否适应于汽车的空间大小。本文也研究了在预定的电动输出功率下使燃油消耗率最低的增程器工作路线。我们使用一台40hp Kohler型发动机CH-1000-2002和丰田普锐斯上的一台电机作为增程器。丰田普锐斯上有两台电机MG1和MG2。MG1是一台额定功率为30kW的永磁同步电机，它作为起动机和发电机为蓄电池充电。MG2作为电动汽车的驱动电机，同时也为蓄电池充电。实物图如图1所示，混动系统总体框图如图2
图1. Kohler CH-1000-2002发动机和丰田普锐斯电机
图2. 混动系统总体框图
- 功率转换器的设计
设计功率转换器的目的是将发电机产生的三相交流电转换，以此为蓄电池充电。功率转换器由三相二极管整流器和三脚电子转换器组成，采用三相二极管整流器对永磁同步电机产生的电压进行整流。整流器的直流输出用三脚交叉的电子转换器转换为受控的DC。电池充电原理图如图3所示。选择三相交流增压器，将脉动电流降低后存储到电容器中。选择的拓扑结构使我们能够减少所需电容器的容量，从而提高系统的可靠性。考虑到增程器部分功率被用于为蓄电池充电，本文所研究的增程器的额定功率设计为30kW.设计功率转换器时必须考虑发动机-发电机组的规格，转换器和增程器的匹配参数如表三和表四所示：
图3.电池充电器结构图
表三 DC/DC转换器规格
|
输入电压 |
400V |
|
输入电流 |
60A |
|
输出电压 |
160V-180V |
|
输出电流 |
140A |
|
转换频率 |
20 kHz |
表四 发动机-发电机组规格
|
发动机规格 |
|
|
发动机型号 |
CH-1000-2002 |
|
最大功率 |
40hp（29.8kW）3600rpm |
|
最大转矩 |
61.5（83.4N·m） |
|
曲轴方向/冷却方式/燃料类型/汽缸 |
水平/空冷/汽油/直列两缸 |
|
发电机规格 |
|
|
发电机型号 |
内嵌永磁体同步发电机 |
|
反电动势常数 |
126.675VPeak LL/krpm |
|
电极数 |
8 |
|
额定功率 |
30kW |
|
最大转速 |
10000rpm |
|
LiFePo4电池组规格 |
|
|
电池组总电压 |
3.2*50=160V |
|
电池组额定电量 |
100AH |
|
最大充电电流 |
300A |
发电机的反电动势在系统仿真中测得。图3展示的是发电机转速为1000rpm时的无载荷终端电压。发电机反电动势常数测得为126.675V/krpm。在Matlab/Simulink中将发电机仿真模型应用到整车仿真模型中。发电机模型通过充电系统与电池模型连接。如图4所示
图4 发电机转速为1000rpm时的反电动势
- 增程器的充电算法
永磁同步发电机产生的电压经由充电器处理，转换器传递的电流大小可由下式得：
Pvehicle是汽车以65mile/h行驶时所要求的功率，Pcharging是增程器输送给电池的功率，Pgen是增程器
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