简介这是一份关于增程式电动汽车动力系统参数匹配的学术论文PDF适合新能源汽车研发人员、车辆工程专业学生以及关注混合动力技术的研究者阅读。文档以某混合动力汽车为目标车型先介绍增程式电动汽车的组成结构与工作原理说明车辆在纯电动与增程两种行驶模式下如何切换蓄电池SOC值如何影响增程器启停随后围绕电机、发电机、电池组和控制系统开展参数匹配并利用ADVISOR仿真软件建立整车模型在不同循环工况下验证最高车速、加速性能、纯电续航里程和燃油经济性。全文配有整车性能参数表、设计目标表和系统组成框图方便读者对照复现关键计算与仿真流程。资源为单份PDF文档压缩包大小仅934KB目前已有286人学习下载。文中结论明确指出合理匹配动力系统参数对提升动力性和燃油经济性的关键作用可为增程式电动汽车前期选型、控制策略制定以及毕业设计、课题研究提供直接参考资料。 增程式电动汽车这几年在市场上的声量越来越大身边不少做三电系统、整车控制的朋友都在往这个方向靠。我在项目中也完整跟过一轮增程式动力系统的参数匹配与仿真分析从最初的整车需求分解到发动机、发电机、驱动电机、动力电池的选型计算再到CRUISE和Simulink联合仿真验证整个链路走下来踩过不少坑也积累了一些实操经验。这篇内容就围绕“增程式电动汽车动力系统参数匹配仿真与分析”这件事把核心思路和可复现的步骤整理出来。1. 增程式动力系统的整体设计与匹配思路参数匹配这件事表面上看是选几个大件——电机多大功率、电池多少度电、增程器多大排量但真正做起来它是一个从整车性能目标倒推出来的系统工程。任何一个参数的变动都会牵动能耗、动力性、控制策略乃至整车的成本和NVH表现。1.1 先理清增程式动力架构的能量流逻辑增程式电动汽车的动力源由两部分组成一是动力电池驱动电机这是车辆唯一的机械驱动来源二是增程器发动机发电机它的作用是在电池电量不足时发电给驱动电机供电或者给电池充电全程不直接参与机械驱动。这个架构决定了做参数匹配时的一个核心逻辑驱动系统的参数电机功率、电池容量决定了整车的动力性能上限而增程器参数发动机功率、发电机效率决定了整车的续驶里程和亏电状态下的保电能力。能量流可以简化为电池放电 → 电机 → 车轮增程器发电 → 母线 → 电机或电池。这个链条上每一级的效率都会吃掉一部分能量所以在匹配参数的时候不能只看单个部件的性能要站在系统效率的角度去算整车的电耗和油耗。1.2 参数匹配的总体流程从整车需求到部件选型我习惯把增程式参数匹配的流程分成五步走每一步都有明确的输入和输出这样不仅方便自己梳理逻辑跟上下游供应商对接的时候也清晰。第一步是整车基本参数的确定包括整备质量、风阻系数、迎风面积、轮胎滚动半径等这些是后续所有计算的底层输入。第二步是整车性能指标的分解比如最高车速、百公里加速时间、最大爬坡度、纯电续驶里程、亏电油耗等这些指标直接决定了驱动电机和电池的最小需求。第三步是驱动电机参数匹配根据动力性指标计算电机的峰值功率、额定功率、峰值转速和最高转速。第四步是动力电池参数匹配根据纯电续驶里程和电机功率需求确定电池的能量和功率容量。第五步是增程器参数匹配根据亏电状态下的功率平衡和最经济工况点确定发动机排量和发电机功率。整个流程看起来是按顺序走的但实际上每做完一步可能都要回头调整前面的参数因为边界条件是互相约束的。比如电池容量加大整车质量增加电机需要输出的功率就更大续航反而可能达不到预期这是一个反复迭代的过程。1.3 为什么选择增程式而不是纯电或混动系统的自洽性参数匹配之前先要理解增程式这个技术路线本身的定位。它跟纯电动的最大区别是有一个增程器兜底电池不需要做得特别大成本更低同时解决了用户的续航焦虑。跟插电混动相比增程式的发动机不参与机械驱动结构上少了一套变速箱和离合器控制策略简单得多机械传动效率也更高。这一点在参数匹配中的意义在于增程器的匹配自由度更大不需要像混动那样去平衡发动机直驱和电驱动之间的工况切换只需要把发动机稳定在高效区间发电就可以了。所以在匹配发动机时我一般不会按最大功率去选而是按“恒功率发电区间”去匹配让发动机始终在万有特性图上最经济的区域附近工作。2. 核心参数匹配的计算逻辑与实操要点参数计算是整个匹配工作的核心也是很多刚入行的朋友觉得最头疼的部分。这里把电机、电池、增程器三个核心部件的关键算法和实操中的取舍展开讲清楚。2.1 驱动电机参数匹配峰值功率由加速和爬坡决定持续功率由最高车速决定电机功率的匹配要考虑两个维度峰值功率满足极限动力性要求持续功率满足长时间高速巡航的要求。峰值功率的计算最常用的是基于整车动力学方程的功率平衡法。车辆在水平路面加速过程中驱动力需要克服滚动阻力、空气阻力和加速阻力公式可以写成P (Gf Cd·A·ua²/21.15 δ·m·du/dt) × ua / 3600其中G是车重f是滚动阻力系数Cd是风阻系数A是迎风面积ua是车速δ是旋转质量换算系数m是整车质量du/dt是加速度。以一台整备质量2.2吨的增程式SUV为例按0-100km/h加速8秒的指标来算匹配的电机峰值功率基本要在120kW-150kW区间峰值扭矩在300N·m-350N·m区间。持续功率的匹配逻辑相对简单就是按最高车速匀速行驶时的需求功率来算。取整备质量2.2吨、最高车速180km/h、风阻系数0.32、迎风面积2.6m²增程式SUV常见值算下来需求功率大约在70kW-80kW。这里有个关键点如果电机的持续功率标定不够长时间高速行驶会导致电机过热降额整车表现会出现“跑不起来”的情况。实操中还要关注电机的最高转速和基速比。增程式没有变速箱电机要靠自己的调速范围覆盖从起步到最高车速的全过程所以最高转速一般选12000rpm-16000rpm基速比最高转速与额定转速之比控制在2-3之间这样既能保证低速大扭矩又不会让高速区的效率太差。2.2 动力电池参数匹配能量看续驶里程功率看电机需求电池的匹配比电机复杂一点因为要同时满足能量和功率两个约束条件。能量约束很直观纯电续驶里程需要多少能量就带多少电。以150km纯电续驶里程指标为例假设该工况下的百公里电耗是18kWh那么电池可用能量至少需要27kWh。考虑电池的放电深度一般取90%-95%DOD和老化衰减按寿命末期容量保持80%来算电池的标称能量大约是 27 / (0.9 × 0.8) ≈ 37.5kWh实际匹配39-42kWh比较合理。功率约束是很多工程师容易忽略的点。电池的放电倍率必须满足电机峰值功率的需求否则就会出现“电机有劲使不出”的情况。以峰值功率130kW为例如果电池包电压平台是350V左右那峰值电流需要370A以上对应的电池放电倍率至少在2C-3C。如果电池容量做得大能量方面没问题但倍率会很宽松如果电池容量小能量不够同时倍率会吃紧所以这里需要做一轮能量和功率的平衡计算。另外要注意电池的放电深度设计和SOC工作窗口。增程式跟纯电不一样不需要把SOC用尽一般把纯电模式下的SOC窗口设置在20%-100%亏电状态下增程器启动保电。这个窗口设置直接影响电池循环寿命和亏电油耗表现建议在策略设计时留出足够的缓冲区间。2.3 增程器参数匹配发动机选型看发电功率不看排量增程器的匹配是增程式项目里最容易被误解的部分不少人第一反应是“配个1.5T发动机是不是动力更好”实际上增程器的发动机不驱动车轮匹配的逻辑完全不一样。增程器的核心指标是额定发电功率即发动机带动发电机在最高效工况点持续输出的电功率。这个功率要满足两个条件一是亏电状态下能够维持整车在常用车速比如120km/h巡航下的功率需求同时还有余量给电池充电二是发动机要能稳定运行在万有特性图上油耗率最低的区域附近。以刚才那台车为例120km/h巡航的需求功率大约30kW-35kW考虑发电机效率和电池充电功率一般按2-4kW预留增程器的额定发电功率匹配在45kW-55kW就足够了。这个功率用一台1.5L自然吸气发动机就能实现根本不需要上涡轮增压大排量。匹配发电机时发电机额定功率要略大于发动机在目标工作点的输出功率并且发电机的峰值效率区间要和发动机经济工况区间对齐。效率匹配的逻辑也很简单发动机输出功率P_eng发电机效率η_gen那发电功率P_gen P_eng × η_gen如果发动机在220g/kWh的比油耗点输出50kW发电机效率在96%那发电功率就是48kW这48kW再去供给驱动电机和电池。还有一个实际工程中的经验增程器启动后不建议让发动机功率跟随整车需求动态波动最好工作在固定功率点附近靠电池去削峰填谷。比如设定一个35kW的恒功率发电点整车需求低于35kW时多余的电充到电池里高于35kW时电池补充放电。这样控制逻辑简单发动机也一直工作在高效区。3. 仿真建模与联合仿真分析的完整实操参数初选完成后就要通过仿真来验证匹配的合理性。这一部分如果在台架上做成本和周期都太高用仿真软件在项目前期把参数边界摸清楚到了台架阶段就有的放矢了。行业内常用的软件组合是AVL CRUISE做整车纵向动力学和经济性仿真MATLAB/Simulink做控制策略建模两者可以通过接口联合仿真。3.1 整车仿真模型的搭建部件参数输入与精度把控CRUISE建模的过程其实就是把前面匹配好的部件参数填进对应的模块里。整车模块输入整备质量、风阻系数、迎风面积、滚动阻力系数、轴距、质心高度等基本参数发动机模块输入外特性曲线、万有特性MAP、怠速转速、转动惯量等电机模块输入外特性曲线、效率MAP、峰值功率持续时间等电池模块输入容量、SOC-OCV曲线、内阻MAP、温度特性等。所有输入里面效率MAP的准确性对仿真结果影响最大尤其是电机的效率MAP和发动机的万有特性MAP建议用供应商提供的实测数据不要用经验估算值。这里分享一个实操细节CRUISE里的电池模块一般用等效内阻模型输入的是不同SOC和温度下的内阻MAP。内阻数据如果精度不够仿真的电耗结果会跟实测差很多。我一般会让电池供应商提供-20°C、0°C、25°C、40°C四个温度点下的内阻数据然后再对中间温度做插值能在不显著增加工作量的情况下把精度提上来。3.2 工况循环与经济性仿真CLTC和高速工况都要看经济性仿真要跑多种工况不能只跑一个循环就下结论。国内目前主流的测试工况是CLTC这个工况低速和中速段占比大平均车速低对增程式来说纯电行驶比例会很高电耗结果相对乐观。但实际用户跑高速的场景不能忽略所以我会额外叠加一个120km/h等速工况和一个WLTC高速段工况来验证亏电油耗和增程器保电能力。经济性仿真里的关键输出有三个纯电续航里程、亏电油耗、电量维持能力。纯电续航看电池能量和电耗的匹配关系亏电油耗看增程器的工作点效率和能量管理策略电量维持能力看增程器发电功率和整车需求的平衡。如果仿真结果显示SOC持续下降无法维持说明增程器额定功率偏小需要回炉重选。具体跑仿真的流程是先在CRUISE里搭建好整车模型和控制逻辑或通过接口导入Simulink的控制模型设置好工况循环运行仿真后查看SOC变化曲线、瞬时电耗、油耗累积、电机和发动机工作点分布等结果。工作点分布图特别有用能直观看出发动机是否长时间运行在经济区间驱动电机是否频繁工作在低效区。这是参数匹配是否合理的直接证据。3.3 控制策略对仿真结果的影响不能忽视的变量参数匹配离不开控制策略尤其是增程式的能量管理策略。同一套硬件参数不同的控制策略可能跑出完全不同的经济性结果。我建议在参数匹配阶段就把控制策略的框架定下来哪怕先做简化版也好否则仿真的结果不具备可参考性。增程式的能量管理策略常用的有以下几种电量消耗型即SOC高时纯电行驶增程器不启动电量维持型即SOC低于阈值后增程器启动并按固定功率发电维持电量还有基于规则的优化型和基于动态规划的全局最优型。工程上用得最多的是电量消耗型电量维持型组合也就是常说的CD-CS模式。CD-CS模式的控制逻辑简单可靠在实车标定阶段也容易调优我做的几个项目都是按这个框架来走。如果你需要写高端论文可以在CD-CS的基础上引入等效燃油消耗最小策略ECMS来优化增程器工作点这部分做仿真的逻辑会复杂一些但经济性提升大约能到3%-5%。所以参数匹配仿真不是一个纯参数计算的过程它与控制策略是强耦合的。做参数选型时就要想清楚策略怎么走而不是参数都定了才回头补策略。4. 常见问题与排查技巧实录参数匹配与仿真分析的实操过程几乎不可能一遍过迭代修改是常态。这里把几个高频率出现的问题整理出来都是我对接过多个项目后的真实经验。4.1 动力性仿真结果跟手算差距大先核对整车输入参数我见过最多的情况是功率手算明明够了但CRUISE里跑百公里加速就是达不到指标。排查了电机外特性、传动效率都没问题最后发现是整车模块里输入的迎风面积或风阻系数跟手算时不一致或者轮胎滚动半径设置错误。这类问题的核心在于手算时用的是简化公式仿真时用的是整车动力学方程两边的输入参数只要差了10%以上结果就会有明显偏差。所以做匹配计算时手算和仿真尽量用同一套输入参数表避免在不同环节各算各的。4.2 亏电油耗仿真值偏高看发动机工作点而不是单纯看排量亏损油耗偏高的原因通常有两个一是发动机功率匹配过大导致即使在最低功率点工作也偏离高效区发动机负荷率低比油耗高二是控制策略里增程器启动和关闭的滞回区间设置不合理导致增程器频繁启停每次启动都有一个高油耗的暖机过程整体油耗就上去了。排查方法是查看发动机工作点在万有特性图上的分布如果大量工作点落在低负荷高油耗区就要考虑要么减小发动机功率要么调整控制策略让发动机稳定在更经济的功率点。我在一个项目里把增程器额定功率从60kW调到45kW后亏电油耗从8.2L/100km降到了7.1L/100km效果非常明显。4.3 纯电续航仿真与实测差异大区分测试工况和空调负载的影响纯电续航仿真用的是标准工况跟用户实际使用的差异主要来自两个方面一是实际工况的平均车速和加减速特性与标准工况不同二是车上空调、暖风、音响等附件负载会消耗额外能量。仿真的结果只能代表一个相对理想的基准值所以如果实测续航比仿真低10%-15%这是正常的不用慌。但有一个问题要警惕如果仿真初期续航达标但后期衰减明显大概率是电池可用能量或SOC窗口设置出了问题。有些项目为了延长电池寿命把SOC窗口收得很窄可用能量一缩续航自然就掉下来了这部分需要在电池寿命和续航之间做取舍而不是单纯看某一项指标。4.4 增程器NVH问题参数匹配阶段就要留余量这个问题在仿真阶段不容易发现但在实车阶段非常头疼。增程器在某些功率点运行时发动机转速落在整车共振区间或者发电机带来明显的电磁噪音都会让座舱内的NVH表现变差。如果在参数匹配阶段就能预判到这一点后续会省去很多NVH调校的周折。我在匹配增程器工作点时会刻意避开几个共振转速区间并且把发电功率点设计成可以在一定范围内微调的结构这两个做法能让后续的NVH调校轻松很多。不要等样车出来发现方向盘抖得厉害才去想办法那时候能动的参数极其有限。4.5 仿真和台架测试对标出现偏差优先检查效率MAP仿真结果和台架实测对不上的情况同样经常遇到尤其是电耗和油耗的绝对值差异。效率MAP基本都是供应商提供的实验室数据台架实测用的零部件样件跟实验室样件之间本身就存在个体差异另外仿真时温度和SOC工况往往理想化台架测试却有温升和SOC动态波动这些都是偏差来源。这时候先检查电机的效率MAP和电池的内阻数据是否更新到了最新版本再检查台架测试的初始SOC和温度条件是否跟仿真设定一致这两个地方是偏差的主要来源。5. 一点个人体会增程式动力系统的参数匹配仿真说到底是一个“平衡”的艺术——电机、电池、增程器三个核心部件之间互相牵制任何单独一项拉到最优都可能让另外两项付出代价。我个人的体会是做这类项目不要迷信某一次仿真的绝对数字而是要看参数变化的趋势和零部件之间的耦合关系。把匹配的逻辑吃透把仿真的边界条件搞明白比追求某个软件的高阶操作更有价值。如果这篇文章能帮你少走几步弯路那就算没白写。以后如果有空我再把能量管理策略的详细建模过程单独写一篇。本文还有配套的精品资源点击获取
