摘 要

随着科学技术水平的不断提高以及人类社会的日渐进步，化石能源的短缺日益严重，原因在于全球化石能源的高速开发和利用。汽车在出行方面为人类带来了便利，但与此同时它们也在给人类的社会和环境带来了不可否认的污染。作为从传统燃油车到纯电动汽车的过渡产品，增程式电动汽车不仅拥有传统燃料汽车强大的动力性能，而且还同时拥有纯电动汽车低噪音与零排放的优点。因此，在成本增长有限的情况下，燃料消耗和温室气体排放可 以大大减少，能够在一定程度上提高车辆的舒适性，而且还具有良好的动力性和操控感，增程式电动车越来越被全球人民所认可。因此本文选择了一款增程式电动微面物流车，对它的动力系统进行匹配，研究确定其动力系统中各个关键部件的选型及参数，并通过CRUISE软件进行了仿真验证合理性，保证其动力性与经济性。本文的主要内容如下：

首先，对增程式电动汽车进行了详细的叙述，包括其整车结构、工作原理和特点，并简要的介绍了几款增程式电动汽车以及有关的国内外研究现状。同时还简要介绍了微面物流车的相关信息。

其次，根据微面物流车设计性能指标进行动力系统匹配，首先是对驱动电机、电池、发电机、发动机等重要元件进行选型，然后再对它们进行具体的参数设计。

最后，简单介绍软件及控制策略并在AVL-CRUISE 平台上进行整车模型搭建，输入模型中各参数数据后，制定0-50km/h加速时间、最大爬坡度、最高车速及中国典型城市循环工况等计算任务，验证动力系统组成部件参数的合理性。

关键词：增程式电动汽车 微面物流车 动力系统参数匹配 CRUISE仿真

Abstract

With the continuous improvement of the level of science and technology and the progressive progress of human society, the shortage of fossil energy has become increasingly serious due to the rapid development and utilization of global stone energy. Cars have brought convenience to humans in their travels, but at the same time they have brought undeniable pollution to human society and the environment. As a transitional product from traditional fuel vehicles to pure electric vehicles, the extended-range electric vehicles not only have the powerful dynamic performance of traditional fuel vehicles, but also have the advantages of low noise and zero emissions of pure electric vehicles. Therefore, in the case of limited cost increase, fuel consumption and greenhouse gas emissions can be greatly reduced, the vehicle comfort can be improved to a certain extent, and the power and control feeling are also improved, and the extended-range electric vehicle is increasingly being Recognized by people around the world. Therefore, this paper chooses an extended-program electric micro-surface logistics vehicle, matches its power system, studies and determines the selection and parameters of each key component in its power system, and carries out simulation verification and rationality through CRUISE software to ensure its Dynamic and economic. The main contents of this article are as follows:

First of all, the extended-range electric vehicle is described in detail, including its vehicle structure, working principle and characteristics, and briefly introduces several extended-range electric vehicles and related research status at home and abroad. At the same time, it also briefly introduces the relevant information of the micro-surface logistics vehicle.

Secondly, according to the micro-surface logistics vehicle design performance index for power system matching, the first is to select the driving motor, battery, generator, engine and other important components, and then carry out specific parameter design.

Finally, the software and control strategy are briefly introduced and the vehicle model is built on the AVL-CRUISE platform. After inputting the parameters of the model, the 0-50km/h acceleration time, the maximum grade, the maximum speed and the typical Chinese urban cycle are established. Such as the calculation task, verify the rationality of the parameters of the components of the power system.

Key Words: Extended program electric vehicle Minivan of Logistics power system parameter matching CRUISE simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 增程式电动汽车概述 1

1.2.1 增程式汽车的原理 1

1.2.2增程式汽车的结构 2

1.2.3 增程式汽车的特点 3

1.3 增程式电动汽车的国内外发展现状 5

1.4 微面物流车简介 6

1.4.1 面包车基本介绍 6

1.4.2 微面的发展及现状 7

1.5 本章小结 8

第2章 增程式电动微面物流车动力关键系统部件选型 9

2.1 驱动电机选型 9

2.2 动力电池的选型 10

2.3 增程器的选型 11

2.4 本章小结 13

第3章 动力系统参数匹配 14

3.1 动力系统设计指标 14

3.2 驱动电机的参数匹配 14

3.2.1 电机的功率计算 14

3.2.2.电机的转速计算 15

3.2.3 电机的转矩计算 16

3.3 动力电池的参数匹配 16

3.4 增程器的参数匹配 18

3.5 参数匹配结果 18

3.6 本章小结 19

第4章 整车建模及仿真分析 20

4.1 CRUISE软件介绍 20

4.1.1 软件简介 20

4.1.2 CRUISE建模的步骤 21

4.1.3 整车模型的搭建 21

4.2 控制策略 22

4.3 整车性能仿真结果分析 23

4.4 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

随着科学技术水平的不断提高以及人类社会的日渐进步，化石能源的短缺日益严重，原因在于全球化石能源的高速开发和利用。最近这些年来，全球的人均汽车拥有量高速增加。即便汽车在出行方面为人类带来了便利，但与此同时它们的燃料燃烧，废气排放以及车辆噪音也在给人类的社会和环境带来不可否认的严重污染。

作为从传统燃油车到纯电动汽车的过渡产品，增程式电动汽车主要由驱动电机，动力电池，增程器（内燃机和发电机）以及车辆控制系统构成。增程式电动汽车不仅拥有传统燃料汽车强大的动力性能，而且还同时拥有纯电动汽车低噪音与零排放的优点。因此，在成本增长有限的情况下，燃料消耗和温室气体排放可 以大大减少，能够在一定程度上提高车辆的舒适性，而且还具有良好的动力性和操控感，增程式电动车越来越被全球人民所认可。虽然动态耦合的减少在一定程度上减少了能量损失，但频繁的动力-电力转换也降低了效率。那么，目前我们需 要解决的一个重要问题是选择合适的功率部件类型，配置各个动力部件的相应参数，使增程式电动汽车在保证动力性能的条件下具有良好的经济性能。

本文选取微面物流车，参考获取整车动力参数后设计其电机、电池及增程器规格，并进行仿真验证和调整，最终得到最佳匹配数据，以保证在动力性能达标的情况下有较好的经济性。

1.2 增程式电动汽车概述

1.2.1 增程式汽车的原理

在动力系统的结构方面，增程式电动汽车和串联式混合动力汽车存在许多的相似之处，但同时，也存在它们各自的特点。对于串联式混合动力汽车而言，动力电池只在车辆低速行驶以及发动机启动时有一定的作用，因此容量较增程式发动机要小了许多，只是有辅助发动机的作用。但是增程式电动汽车却与之有所区别，它同时包含了串联式混合动力汽车以及纯电动汽车两者的特点，就像是两者的合成体，同时具有纯电动行驶模式以及串联式发电驱动模式，但是它只有电机驱动这一种驱动方式。它相比纯电动汽车多出了增程器来增加行驶里程，而相对串联式混合动力汽车则是缺少发动机联合驱动的模式，因此控制策略相对简单。一般增程式汽车都是在纯电动汽车的基础上设计的，而又多了增程器这一装置，不但大大的增加了纯电动汽车的行驶里程，还解决了纯电动汽车在电量耗尽是只能停车充电这一问题。此外，在动力电池功率不足时，增程器可以辅助调节使电池能够始终工作在低放电倍率下，有效提高了其电池寿命。

增程式电动汽车存在着许多种不一样的工作模式，最常用的第一种工作模式就是纯电动模式，在这种模式下工作原理同纯电动汽车完全一样，全部能量都是由动力电池来提供的，增程器在这个模式下不工作，能够降低用车成本，并且与纯电动汽车一样在名义上实现了零排放。而它不同于纯电动的则是其相对的纯电续航里程较小。

而第二种就是超出纯电续驶里程时启动的增程模式了，在VCU检测到动力电池剩余电量不足时，为了保护动力电池不受损一般都会留下二到三成电量。此时，增程器便会自动打开，VCU能够根据驾驶员的驾驶意图控制发动机运行在与各工况相对应的高效工作点，同时发电机产生的电能同时供给驱动电机来驱动车辆行驶以及为动力电池充电。选择不同的发动机时，就可以制定出不同控制策略，为了使车辆有更好的动力与经济性能。

急加速模式是第三种工作模式是，在车辆控制单元检测到驾驶室中加速信号到达一定设定值时，无论动力电池剩余电量多少，增程器都会启动来和动力电池组同时提供功率给驱动电机。因此， 急加速模式在动力性能上要远高于纯电动模式。而同时，有增程器帮助动力电池输出功率也意味着，降低了电池的要求，既能降低电池成本，有提高了电池寿命。

制动能量回收模式也是增程式电动汽车的模式之一，在驾驶员踩下制动踏板且驱动电机不在输出功率的状态时，车辆控制单元会对制动时的能量进行回收，将车辆行驶中的动能转化为电能存入动力电池，在此同时对车辆产生一定的阻力来达到减速效果。这个模式将使用的能量重新会受到动力电池，能量的损失相对便降低了许多，也意味着提高了利用率，更加节能。

停车充电是增程式电动汽车的最后一个模式，当车辆不处于行驶状态时便可以对车辆进行充电，作为主要以动力电池为能量源的车型，充电是必不可少的。此外，在夜间谷电期间充电，不但价格低，还能减小电网压力。

1.2.2增程式汽车的结构

由驱动电机、动力电池、增程器等组成了增程式电动汽车的动力系统。动力电池直接给驱动电机提供能量来驱动车辆前进行驶，增程器中包含了发动机以及发电机，其中发动机不直接提供动力驱使车辆前进。而是将燃料的化学能转化为动能，再由发电机将其转化为电能，然后根据剩余电量与行驶状况将电能输送到电池或驱动电机。在发电机启动时，会有以下几种状况：

(1)在增程式电动汽车当前运行工况功率需求过大，而动力电池无法满足时，配电装置会将发电机生成的电量直接传输到驱动电机来直接驱动，而不经过动力电池，所以此时由增程器和电驱动系统里的电池直接输出电能，共同驱动电动机。

(2)在增程模式下，驱动电机所需功率不高，而动力电池中仍旧有剩余电量时，发动机联合发电机产生的电量会在提供给驱动电机的同时为电池充电，因此，此时动力电池会处于充放电同时进行的状态。

(3)在车辆停放时，增程器也能够直接给动力电池供电，此时驱动电机不在工作状态，但是动力电池仍旧需要提供电力给车辆上的辅助电器，比如空调、电灯等。

增程器是用来延长增程式电动汽车的行驶里程的。增程式电动汽车与其他混动车辆最本质上的区别，便是其发动机不作为驱动系统的一部分，只是给与其有机械连接的发动机提供动能发电，然后直接将电能用于行驶车辆的驱动，避免了经过动力电池时能量的流失，而在动力电池能量不足时也会同时给动力电池充电。而当动力电池的电量充足时，则不工作，可以作为纯电动车辆行驶，也就意味着达到了零排放的标准。由于增程式控制策略的存在，可以保持动力电池的电量，防止损坏，同时保证驱动电机、动力电池以及增程器之间能够有高效持续的匹配关系，最终实现动力性能与经济性能间的协调与优化。

增程器是增程式电动汽车（E-REV，Extended—Range Electric Vehicle）中最关键的零部件之一，它分别由发电机、发动机以及发电机控制系统三个模块组成，它的参数直接影响到总续驶里程、车辆使用及制造成本、整车性能以及污染物排放等方面。发动机不能直接将动力传送到车轮，因为它们之间没有物理机械连接， 结果便是发动机可以在任意工况下运行而不会影响到车辆的行驶状况，这也就同时意味着可以将发动机稳定运行在最高效率的工况，令其经济性能达到最优，并相对传统燃油车大大减小其污染物排放量。但同时增程器也与增程式电动汽车的行驶模式密切相关，其需要由控制策略来制定开启和关闭时间。

CAN（Controller Area Network）总线传递各个系统中的消息来完成对各个控制单元间的信息传输以及及命令执行。VCU（Vehicle Control Unit）通过CAN 总线接受来自驾驶室中驾驶员对加速以及制动踏板的控制信号，经过VCU的关联车辆各方面信息的一系列计算后，确定了增程式电动汽车的运行模式后，再由CAN总线将结果也就是控制命令输送到各个系统中，最终实现了车辆的加减速以及能量回收功能。

1.2.3 增程式汽车的特点

增程式电动汽车在与纯电动汽车相比时，它的优点是因为有增程器的存在其续航里程大大的提高了。纯电动汽车在续航这一方面完全受到动力电池的约束，在电量降至下限时，就无法再正常使用，只能停车充电，如果遇到意外无法充电就将完全停止工作，并且还会使电池过度放电，影响电池寿命，极大地影响驾驶员的使用体验，同时阻碍了纯电动汽车的发展。而增程式电动汽车就不存在没电的状况，在动力电池电量降低到下限时，增程器启动并提供电能，既避免了电池过度放电，又增加了汽车的行驶里程。此外，相对纯电动汽车，增程式电动汽车的电池容量要求较低，意味着其成本较低，且对充电的需求低，延长电池寿命。

增程式电动汽车在短距离行驶的时候，增程器不工作，与传统燃油汽车相比可以说在一定程度上实现了车辆的零排放，此外电动机相比于发电机，其噪音污染要小得多，明显有更好的驾乘舒适性。而当增程器工作时，发动机能够始终在高效范围中运行，然而传统燃油车由于道路工况复杂，不可能始终在高效范围运行，因此增程式电动汽车极大地提高了燃油经济性。

增程式电动汽车较普通的混合动力汽车动力电池容量较高，略微提高了车辆的成本。但是短距离内拥有纯电动行驶的能力，完全可以满足现代人们的短途代步需求，耗电明显也比耗油成本低，在夜间充谷电价格又更便宜，这样又降低了使用成本，提高了能源的利用效率。同时增程式电动汽车的控制策略和机械传动结构较为简单，简化开发难度的同时也降低了整车成本。

增程式电动汽车的动力电池容量较插电式混合动力汽车大很多，且动力系统有较大的区别。在增程式汽车电量充足时，增程器不启动，由动力电池提供电力，驱动电机产生足够的动力，因此驱动电机以及动力电池的参数应该要达到整车设计的要求，包括动力性能和经济性能。相对来说增程式电动汽车的发动机功率较低，不用直接提供动力，只需要保证电能的持续供应即可。

增程式电动汽车的电池成本较燃料电池要低许多，制造与生产技术也相对要成熟许多。燃料电池因为其较为复杂的技术以及昂贵的成本，另它的实际生产及应用有较高的难度，使得多数汽车生产制造公司不愿意研发制造。

总而言之，增程式电动汽车是一种能够自己增加行驶里程的电动汽车，它不但能够节省一定的使用和生产成本，还能够满足汽车驾用者的驾驶需要，是目前发展新能源汽车的优秀过渡车型。

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