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带有辅助动力装置的串联式混合动力电动汽车的设计
M Khairul Bashar1，P M Ilius2，P M Rakibul3
1.电气与电子工程，拉杰沙希工程技术大学，拉杰沙希，孟加拉国，2.电气与电子工程，拉杰沙希工程技术大学，拉杰沙希，孟加拉国，3.国内技术员，博格拉，孟加拉国。
邮箱1.mdkhairul05@gmail.com,2.pmilius2501@gmail.com,3.pmrakibul@gmail.com
摘要：本文介绍了以发电机为辅助动力装置（APU）的串联式混合动力汽车模型的开发。使用该模型进行模拟有助于理解能量的流动和相互作用。此外，考虑到减少对化石燃料的依赖同时减少排放，电能在APU和电力存储系统（ESS）之间共享可以看做是交通运输部门未来有望发展方向。这样可以用来驱动的能量可以完全或部分转变成电力，从而降低排放率。这种情况下，考虑使用一些标准方程。
关键词：串联式混合动力汽车，辅助动力装置，模拟，能量共享，存储系统，排放
介绍
运输是世界各地能源消耗和空气污染物的主要根源。在一个新的千禧年到来之际，用来决定消费品的主要参数不仅是商业指标，还有一些更重要的因素例如环境污染，可持续性等。然而维持人类可持续存在所需要的和谐环境却受到巨大的威胁，人们正不断努力用更环保的技术取代所有的消费品和旧技术。被广泛使用的内燃机是不环保的，它被以各种形式应用于数百万辆的汽车上。这些汽车正不断破坏地球环境，并且，作为燃料的汽油也是不可再生的。
数百万辆汽车在高速公路上消耗的能源占全球石油使用量的绝大部分，并且在此过程中每年都有数百万吨的空气污染物被排入大气。为了应对环境恶化的担忧，世界著名环境保护协会提出了规定，要求逐步增加零排放汽车的数量。在此之后混合动力电动汽车成为焦点。
电动汽车是一项有前途的技术，可实现能源利用率提高和减少大气排放的长期目标。精心设计的电动机可以产生接近90%的效率，并且因为电动车上的车载系统由电池和发电机/发动机组提供动力，所以部分工况能实现零排放，有毒物质排放较少。一些人认为电动汽车既不会提高效率也不会减少有毒物质的排放。它只是将能源生产和污染从城市中心转移到电力生产的地区。与传统车辆相比，由发电设施尺寸的增加而获得的效率和配电系统的高效使电动汽车可以更好的利用自然资源。
根据几份报告显示，电动汽车的广泛使用不仅可以减少城市地区的污染，还可以减少全国其他地区的污染，因为电力公司可以更加清洁和有效地燃烧化石燃料。发电厂可以很容易地监测排放，因为他们是大型固定设施，其位置是已知的，在那里汽车排放是生产监控和间歇状态检查。此外，由无污染能源例如水力，核能，太阳能和风能产生的电力占越来越大的比例，和电能有关的污染正在降低。
尽管电动汽车有很多有益方面，但许多技术上和社会上的障碍依然存在。电动汽车最薄弱的方面是其有限的续航里程和配套基础设施无法用现有技术生产。在电池电量耗尽之前，电动汽车只能达到200-250公里的里程，尽管对于日常使用来说已足够，但这样不允许使用车辆进行长途旅行。在开发出能够提供足够范围能量和具有快速充电性能的电力存储装置之前，电动汽车作为运载工具和通勤方式方面的作用是有限的。
与传统汽车相比，混合动力汽车提供了更高的效率并且可以减少排放，但他们还可以被设计来克服纯电动汽车固有的里程限制。混合动力汽车采用两种不同的能量源，通常是一个发电机和一个发动机来为车辆系统提供动力。发电机用来提高能效和控制车辆排放，而发动机则提供增程性能。尽管电动汽车的广泛使用需要对新的基础设施进行巨大投资，但目前的设备可以容纳混合动力汽车，因为发动机工作靠汽油，柴油或者压缩天然气（CNG），他们可以被快速补充，并且使用广泛。在回馈制动期间用于给电动机供电的电池可以被发动机或者发电机充电。混合动力汽车在继续研发先进能量存储的同时为现有汽车设计提供了可替代的选择。
串联式混合动力传动系的概念是从电动汽车传动系演变而来的。如前一章所述，电动汽车受困于一些严重的缺陷，主要是由于以电池形式的车载能源的存储有限而导致的驾驶里程受限，由于电池的重量和尺寸而导致的有效载荷和容量有限以及电池充电时间过长。在串联式混合动力系统中，发动机/发电机系统被增加到电动汽车传动系中，用来给车载电池充电，因此提高了续航里程。
2.设计相关方程
牵引电动机的特性如图1所示，电动机有一段定转矩区域，当基本速度超过该区域就是恒定功率区域。电动机最高转速与其额定转速之比称为因子“X”。如图2所示，随着“X”值的增加，相同功率下电机的最大转矩也会增加，从而提高加速度和爬坡度（更高的加速度-更高的转矩，更大的爬坡度-更高的转矩），并且还简化了传动。
图1：牵引电动机速度转矩特性图
图2: 60马力电机速度转矩特性，X=2,4,6
电动机额定功率：串联式混合动力汽车电动机的额定功率完全取决于车辆加速要求，电机特性和传动特性。电动机能量可能来源于峰值电源或者动力源；它总是等于牵引力。牵引力可以被定义为在任何时刻输送到车轮的动力。牵引电机的功率如下表示
其中：
=牵引电机功率 单位：w
=整车质量 单位：kg
=预期加速时间 单位：s
=加速的车辆最终速度 单位：m/s
=车辆额定速度 单位m/s
=重力加速度 单位m/s2
=轮胎滚动阻力系数
=空气密度 1.202kg/m3
=空气阻力系数
=汽车正投影面积
3.发动机/发电机
串联式混合动力传动系中的发动机/发电机被用于提供稳定的电力，以防止峰值电源完全放电。当计算发动机/发电机的功率时，应考虑两种情况，一是以恒定速度行驶很长时间，例如在城市之间的高速公路上行驶，另一个是以频繁的停车起动模式驾驶，例如在城市里行驶。在长距离驾驶模式中，传动系不应依靠峰值电能来支撑以使在某一高速状态下运行，例如130km/h或者80mph。
发动机/发电机应能在高速下提供足够动力。停起模式下，发动机/发电机需要提供充足的动力来使峰值电源的能量存储保持在一定的水平，这样，足够的功率才能被抽取出来支持车辆加速。在恒定速度和平坦的道路两种情况下，来自电源的功率输出可如下计算得出：
其中，分别是变速器和电动机的效率
当车辆以停止起动模式在城市里行驶时，发动机/发电机产生的功率应该等于或略大于平均负载功率，以便保证PPS能量存储平衡。负载可由如下计算得出：
其中，T是总驾驶周期时间。
在设计停起类型的系统时，功率应大于支持车辆以恒定速度行驶所需的功率以及在城市区域行驶的平均功率（图3）。任何混合动力汽车，由于电池的限制，将永远无法吸收所有的再生能量。这是因为该能量在很短的时间内以高电流的形式存在。电池在给定的时间内只能吸收一定的能量。类似地，能量的摄入也受限于牵引电机的动力电子器件。因此图3展示了完全再生制动和部分再生制动的平均功率；部分再生制动的平均功率介于完全再生制动平均功率和无再生制动平均功率之间。这是发动机必须提供的动力。
在这篇文章中，我们把发动机和发电机看为一体，是传动系能量的来源。
图三：平均和瞬时牵引力与时间的关系
3.1峰值电源
峰值电源和发动机/发电机同时为牵引电机供能，即最终是为车轮提供动力。因此，发动机/发电机和峰值电源的总能应大于或至少在理论上等于电动机的功率。如果牵引电机的额定功率是Pm，max，Pe/g是发动机/发电机的功率，而是电机的效率，则PPS（峰值电源）的额定功率可如下计算得出：
峰值电源的能量变化可表示为：
其中Ppps 是峰值电源的瞬时功率，这可能是正的也可能是0和负数（峰值电源充电） 。
3.2行驶周期
行驶周期代表特定时间范围内的典型交通环境。行驶周期是速度与时间的关系。同一时间的不同城市和同一城市的不同时间，行驶周期都是不同的。一些典型的行驶周期如下图所示。图4显示了第一个行驶周期，其特征为缓慢减速和重复急加速。这研究了过度电流负载对电机温度的影响。在每次缓慢减速之后是一个短暂的间隔，以使在再次加速之前均衡产生的热量。
图4：行驶周期1（急加速）
其中：A=加速到最大速度所需的时间
B=从最大速度减速的时间
C=允许热量传导到电机外壳的时间
图5显示了第二个驱动循环，其特征在于具有缓慢加速和快速减速。这将研究电机被用于使车辆减速时产生的热量，同时捕获加速中消耗的一些能量。缓慢加速对使不减速时产生的热量最小化是很必要的。每次急减速后的再次短暂间隔使产生的热量通过电机壳体消散。
图5：驱动循环2（急减速）
其中：A=加速到最大速度所需时间
B=从最大速度开始减速的时间
C=热量通过电机壳体传导的时间
图6显示了第三个驱动循环，包括一个缓慢加速到预定的速度，然后是恒定的速度输出。当通过电动机输出的能量等于其他两个驱动循环的能量时，该驱动循环结束。
图6：驱动循环3（恒定速度）
其中：A=加速到最大速度所需时间
B=车辆以最大速度行驶时间
3.3传动
当串联式混合动力完全来自于牵引电机时，动力将传递到车轮。电动机的速度转矩特性在理想情况下和牵引力相适。电动机的速度转矩特性具有两个区域（图2），恒定转矩区域和恒定功率区域。恒定功率区域显示，在低速时转矩大，高速时转矩小。由于电机的转矩速度特性理想情况下与牵引要求相匹配，因此与发动机相比，电动机更适合于牵引。发动机的速度转矩特性不适合直接用于牵引，因此必须使用一个变速器，变速器可以在不同速度下使得转矩符合要求，适合牵引。在串联式混合动力的情况下，牵引电机和车轮间可以通过单齿轮传动，因为它使用电动机来牵引。
由电动机产生的机械转矩通过齿轮转换为车轮处的转矩。车轮上的转矩可以表示为车轮在地面上施加的力（也称为牵引力）和轮胎半径（图7）的乘积。图8显示了牵引力与速度的关系图。
图7：车轮转矩和牵引力（Ft）
牵引力可由以下公式得出：
其中：Ft=牵引力
=传动效率
r=轮胎半径
gi=齿轮比
齿轮比是设计来使汽车最大速度与电动机最大速度相对应的。
其中：
nm,max=电动机最大转速 单位：r/s
r=轮胎半径 单位：m
Vmax=车辆最大速度 单位：m/s
图8：牵引电机的牵引力与速度的关系
牵引力是设计车辆爬坡度的重要参数。
4.设计
设计混合动力电动汽车，我们需要考虑车辆的最大质量，正投影面积，最大速度，加速时间，传动效率，牵引电机效率，发电机效率，空气阻力系数，滚动阻力系数，轮胎半径和空气密度。对于车载四人的车辆，通常最大质量为1200-1500kg。
当车辆行驶时，空气会产生阻力。这种阻挡车速的阻力与正投影面积，空气阻力系数，空气密度和速度成比例。为了克服这种阻力，牵引电机必须消耗一定量的功率。
表1某些乘用车的阻力系数
|
车辆（类型） |
CD |
CDtimes;Af（m2） |
|
大众波罗（A类） |
0.37 |
0.636 |
|
福特福睿斯（B类） |
0.36 |
0.662 |
|
欧宝威达（C类） |
0.29 |
0.547 |
|
宝马520i（D类） |
0.31 |
0.649 |
|
奔驰300SE（E类） |
0.36 |
0.785 |
从这张表我们可以认为我们的车辆正投影面积为2m2，因此阻力系数约为0.3.
表2：各种温度下的空气密度
|
T（℃） |
kg/m3 |
T（℃） |
kg/m3 |
|
-25 |
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