摘 要

增程式电动汽车，是增程器和动力蓄电池共同组成的电动汽车，其中增程器是由发动机和发电机组组成的，而动力蓄电池是作为动力源而存在的。此形式的电动汽车能够很好地解决电动汽车续驶里程短的问题，纵观海内外，增程式电动汽车凭借结构简单、成本低等特点成为了最具有前景的新能源汽车之一。

本论文研究的主要内容包括以下几个方面：增程式电动车的基本介绍，包括成车组成、发展现状、政策形势 、工作原理等；根据设计任务书，在满足增程式电动汽车续驶里程以及整车动力性能指标的要求下，对其动力系统进行设计；然后根据设计内容，于AVL-Cruise平台进行系统建模与仿真研究。

结果表明，该增程式电动汽车的动力系统的设计和参数匹配较为准确，可以实现增程器的有效工作以及延长电动汽车的续驶里程。最后得到的数据表明，该增程式电动汽车纯电动模式行车条件下行驶速度为150 km/h以上，爬坡工况下的爬坡度最高为50%，全负载工况下该增程式电动车经过7.9秒的时间将速度提升到100 km/h，其纯电动续驶里程可以达到112 km，在增程模式下也能很好地行驶，增程器正常工作，为动力电池提供电能，增加续驶里程。

关键词：增程式电动汽车，CRUISE，动力系统，设计，仿真

Abstract

The extended-range electric vehicle is an electric vehicle composed of an extender and a power accumulator, in which the extender is composed of an engine and a generator set, and the power accumulator exists as a power source. This form of electric vehicle can solve the problem of driving mileage of electric vehicle very well. Throughout the world, EPV has become one of the most promising new energy vehicles because of its simple structure and low cost.

The main contents of this paper include the following aspects: the basic introduction of the EPV, including the composition of the vehicle, development status, policy situation, working principle, etc. According to the design task book, the power system of the EPV is designed to meet the requirements of Extended-Range Electric Vehicle driving mileage and vehicle power performance index; and then, according to the design content, the system is carried out on the AVL-Cruise platform. Modeling and simulation research.

The results show that the design and parameter matching of the vehicle power system are reasonable, and the efficient operation of the range enhancer can be realized and the driving range of the electric vehicle can be prolonged effectively. Finally, the data obtained show that the driving speed of the EPV in pure electric mode is over 150 km/h, and the climbing degree is up to 50% under climbing condition. Under full load condition, the EPV will increase its speed to 100 km/h in 7.9 seconds, and its pure electric driving range can reach 112 km. It can also run well in extended range mode. The extender works normally, providing power for power battery and increasing driving range.

Key Words：Extended-Range Electric Vehicle; CRUISE; range extender; design; simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景与意义 1

1.2增程式电动汽车的结构、原理与特点 2

1.2.1 增程式电动汽车的结构 2

1.2.2 增程式电动汽车的原理 2

1.2.3 增程式电动汽车的特点 3

1.3增程式电动汽车的国内外发展现状 4

1.3.1 增程式电动汽车国外的发展现状 4

1.3.2增程式电动汽车国内的发展现状 5

1.4研究主要内容 6

第2章 增程式电动汽车动力系统参数匹配 7

2.1关键零部件选型 7

2.1.1驱动电机的选型 7

2.1.2 动力电池的选型 7

2.1.3 增程器的选型 7

2.2动力系统参数匹配 7

2.2.1原型车参数以及REEV动力性能指标 7

2.2.2驱动电机参数选择 9

2.2.3蓄电池参数选择 12

2.2.4 RE系统参数设计 13

2.3 本章小结 14

第3章 增程式电动汽车的仿真验证与结果分析 15

3.1 AVL CRUISE仿真平台介绍 15

3.1.1 软件简介 15

3.1.2 软件特点 16

3.1.3 Cruise软件建模步骤 16

3.2 动力性能仿真结果 17

3.4 续驶里程仿真结果 19

3.5 仿真结果汇总 20

3.6本章小结 21

第4章 总结与展望 22

4.1工作总结 22

4.2工作展望 22

参考文献 23

致谢 25

附录1：驱动电机模块转速转矩数据 26

附录2：蓄电池模块充放电时电量电压数据 28

附录3：爬坡工况数据 29

附录4：全负载工况数据 34

第1章 绪论

1.1研究的背景与意义

近些年，地球环境出现了严峻的问题，我国环境也日渐严重。随着人们环保意识的增加、环保技术的进步以及国家政策提倡，当今汽车市场中逐渐涌现出了很多节能环保的电动汽车^[1]。增程式电动汽车就是其中一种，和其他类型的电动车进行比较，增程式电动车对电池性能的要求比较低，节省了成本，这也是增程器电动车可以广泛应用的契机。

增程式电动汽车顾名思义就是一款能够增加行驶里程解决纯电动车里程焦虑的电动车，其只靠电机来驱动车轮，增程式电动汽车并不是由增程器直接驱动的，实际上增程器只间接参与驱动，直接驱动车轮的是蓄电池提供电能的电机。通过增程器可以给动力电池充电，从而补充电池电量，令车辆可以继续行驶。增程器可以是各种类型的发动机，例如普通的燃油发动机，也能是生物燃料发动机，以天然气、醇等为燃料。增程器发出的电力能传送给汽车的电池储存起来，也能提供给电动机用于驱动车轮^[2]。

增程式电动车的优点如下：

1. 发动机不需要大排量的，保证了汽车发动机的低油耗、小体积。
2. 当车辆的动力电池SOC值到指定值时，増程器工作为其补充电量，保证汽车的续航有保障。
3. 因为增程器发动机的排量一般不大，所以其在工作时发出的噪音基本可以忽略，给予人们一个舒适的驾驶体验。
4. 由于增程式电动汽车上的增程器只为动力电池提供能量，并不参与驱动，所以整个增程式电动汽车技术难度相对来说较低，而且也不用考虑运行模式切换。
5. 增程式电动汽车也可以纯电动模式运行，装配的电池容量不用太高，这种车型结构就会很大地降低成本，更好的扩大使用范围。
6. 该动力电池寿命长，可以外接充电，而且是不用建设大型充电设施的，因为其充电功率较小，这也大大降低了增程式普及的难度，夜间低价低谷充电也十分的人性化。

21世纪以来科学技术不断发展与进步，人们的生活水平也不断提高，人口素质得到极大提升，自然也就愈发看重生活质量，更加注重新能源汽车的性能，所以我国国策也大力扶持增程式电动汽车的整车研究与性能仿真开发。增程式电动汽车比传统的电动汽车续驶里程远而且操作也更加简单方便，性能优良，方便了人们的日常出行。首先对增程式电动汽车进行最初的设计，然后通过cruise软件进行仿真分析，得到该电动车的优点与缺陷，最后优化其动力性能与经济性指标。使得增程式电动车可以广泛地在生产生活中发挥作用。

1.2增程式电动汽车的结构、原理与特点

1.2.1 增程式电动汽车的结构

增程式动力电池的动力系统如图1-1所示，其动力系统由电驱动系统、发动机/发电机系统、功率分配装置、动力电池构成^[3]。

电力控制系统由电动机控制装置和推进装置组成，电动机和驱动电动机之间没有机械连接，首先，燃料的化学能量转化为电器的三相交流电力，然后将交流电力转换为直流电。通过驱动控制器的直流电力发生器和电力分配通过驱动控制器的控制装置来实现，该控制装置根据工作条件运行。电动车辆的动力传输可分为三种类型：

1.在第一种情况下，如果汽车行驶对功率的需求比较大，功率分配装置将不经过电池管理系统，直接把电能传给驱动控制装置来驱动车辆行驶^[4]。

2.在第二种情况下，汽车打开增程模式，其将提供电能给动力电池，此时，动力电池起着平衡系统充放电的作用，同时能够使系统电压稳定，从而汽车可以更加稳定安全地行驶，人们的驾驶体验也将更为舒适。

3.在第三种情况下，汽车停止行驶时，动力电池可以通过外接充电装置来达到充电的目的。此外，动力系统提供的电能也要支持散热器空调等附件的正常使用。

通过CAN总线可以把各个系统串联起来，这样就可以进行数据之间的传输，其他系统就可以执行控制单元的信息命令了。

1.2.2 增程式电动汽车的原理

增程式电动汽车（Extended-Range Electric Vehicle，E-REV），是以电能为主要驱动能源、发动机为辅助动力源的一种兼有外接电源充电和车载自供电功能的电动汽车。E-REV是在纯电动车的基础上追加了增程器，增程器作为车在供电系统，进一步提升车辆的续驶里程，使其能够尽量避免频繁的停车充电^[5]。

E-REV是一种主要以纯电动驱动行驶的混合动力汽车，它有两种动力源，主要动力源是动力电池，次要动力源是增程器，增程器是不直接参与动力驱动的，而是通过给动力电池充电的方式间接参加。

E-REV与纯电动汽车的结构和动力性能都比较相似，因为发动机开启后可以在最佳燃油经济区输出功率和转矩，所以增程式电动汽车的燃油经济性得到了很大提升。E-REV在开始时先依靠自身的动力电池行驶，此时发动机是不启动的；随着汽车的不间断行驶，电池的电量也随之下降，当电池电量降低到一定程度时，发动机才会启动并驱动发电机发电，其产生的电量将直接用于汽车的驱动。如果产生的电量大于驱动汽车所需的电能，那么多余的电能将为动力电池进行充电，保证能量的利用率^[6]。

图1-1 增程式电动汽车动力系统结构

注：粗线为机械连接，细线为电气连接，虚线为CAN总线连接

1.2.3 增程式电动汽车的特点

1. 与纯电动汽车比，增程式电动汽车可以缩小动力电池的容量，降低成本，同时也增大了续驶里程。

2. 与传统的混合动力汽车比较，E-REV最大的特点是可以外接充电，通过利用晚间低谷电或者午间驾乘人员的休整间隙充电，进一步提高了能源利用率；E-REV采用的是结构简单的驱动电机，不使用变速器和离合器；还能采用电池扩容的方式增加纯电动工作模式的行驶距离^[7]。

3. 与插电式混合动力汽车相比，E-REV最大的特点是由于动力电池容量的增大以及驱动系统设计的不同，在蓄电池电量充足的情况下行驶时，发动机不参与工作。也就是说，E-REV必须在所有的工作模式下都维持纯电驱动模式，因此，这种类型的车辆不需要像PHEV那样对其工作模式进行说明，结构也更为简单。在增程器设计方面，E-REV允许将发动机的功率显著降低，发动机所提供的动力不需要达到车辆动力性能所需的峰值功率，仅满足车辆的持续动力需求即可^[8]。

1.3增程式电动汽车的国内外发展现状

在全球范围内，能源过度开发导致能源稀缺，同时能源开采与使用也二次造成了环境污染，所以环保问题一直被各个国家所重视，主要的汽车生产国更是如此，均积极研究新能源汽车，实现新能源汽车对传统燃油汽车的全面替换，此不失为全球范围内的一次深化变革。在2016年，新能源汽车保持着高速的增长模式，相应的对此项的科研投入与政策倾斜也逐渐深化。目前，新能源汽车的研发与改革已经在各大车厂进行得如火如荼，而增程式电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分，已经得到了各国政府和企业的高度重视，以迅猛的姿态急速发展。

1.3.1 增程式电动汽车国外的发展现状

美国通用汽车公司是全球第一个量产增程式电动车的公司，其在2007年率先发布了增程式电动汽车的概念车计划，并于2010年正式推出量产的第一代雪佛兰Volt增程式电动车，Volt所用的磷酸铁锂离子动力电池是由A123系统公司生产的，该动力电池的能量是16 KW∙h，电池的质量为181.4 kg，由于使用电池容量为16 KW∙h的锂离子电池，所以充满电就能行驶64 km的续驶要求，而且可以保证其SOC不会降到30%。Volt主要由以下几部分构成：锂离子动力电池、发动机/发电机组以及驱动电机，这三部分是相互串联而成的。在纯电动模式下，Volt是不燃烧汽油的，当然也就不会产生汽车尾气排放。在这种情况下，Volt通过储存在其锂离子电池内部的电力进行驱动，能够行使64km的路程。此后，随着电池电量的下降，增程式汽油发动机开始加入到汽车的行驶中，从而为汽车提供足够的能量，并继续驱动汽车行驶最高达490 km的里程。Volt车的电动系统的输出功率可以达到110 kW、而它的输出扭矩为370 N∙m，汽车行驶时的最高车速能够达到161 km/h。Volt具有增程、节能、减排的特点，动力性能指标以及经济性能指标均为优秀，具有伟大的开创意义。在此之后，通用公司在2013年对该套动力系统进行小幅升级，打造出了凯迪拉克ELR车型，并持续推出2015款Volt和2017款Volt。现在的2017款Volt的纯电动续驶里程和总的续驶里程分别能达到85.33 km和676.2 km，极大地提升了增程式电动车的市场竞争力。

与此同时，宝马公司也不甘落后。宝马（BMW）i3用前瞻性的设计，定义了未来的车辆，i3车载电源系统采用的是高压锂离子动力电池，电池容量为19 kW∙h，此款电池是专门研发来给驱动电池供电的，与同类电池相比，高压动力电池的寿命更长，其保用期为8年或者100000 km，通过随车提供的充点电缆给动力电池充电，在8 h之内就可以完全充满。宝马i3选配了一个0.647 L的直列双缸汽油发动机，最大输出功率达到了20 kW、峰值转矩达到了56 N∙m，可以将纯电动汽车的续驶里程130-160 km提高到240-300 km，如果使用特别节能的方式行驶，其续驶里程甚至可以达到340 km。它的增程式发动机是一个运行非常平稳、安静的小型汽油机，该发动机可以给高压动力电池充电从而达到增程的目的，宝马i3还搭配了一个带有固定传动比的单机自动变速器，最高行驶速度通过程序被限制在150 km/h。

在日本，马自达公司也在增程式电动汽车方面有所建树，他们建立并推出了推出ExtenderEV增程式电动车，简而言之就是在普通版马自达2的基础上搭配了一款马自达自行开发的0.33 L小排量单转子发动机-发电机系统。该车的动力系统搭载的驱动电机的峰值功率是75 kW，锂离子动力电池的容量为20 kW∙h，从而提供200 km的纯电动续驶里程，在增程模式下，该车的续驶里程可达到380 km^[9]。

此外，国外的其他汽车公司也在不断的推出增程式电动车产品，如奥迪公司在2011年生产的奥迪A1etron、福特汽车公司推出的增程式MPV福特C-Max。

1.3.2增程式电动汽车国内的发展现状

在国外如火如荼研究增程式电动汽车的大环境下，我国也颁布了这方面相关的法律法规与政策方针，于是我国的汽车企业也相继加入到了研究增程式电动汽车的行列中，纷纷推出自己公司的产品。其中具有代表性的是奇瑞汽车公司自己研发的增程式电动车瑞麒M1REEV以及广汽乘用车公司推出的自主研发的量产车型——广汽传祺GA5增程版。瑞麒M1REEVAPU的输出功率是1.5 kW，总的续驶里程最高是350 km；广汽传祺GA5增程版的动力系统搭载了动力强劲的水磁同步电机，输出最大功率可以达到94 kW，最高车速为160 km/h它的APU是1.0 L排量的发动机和31 kW的发电机组成，良好的动力为该车提供了80 km的纯电动续驶里程，并且总的续驶里程高达600 km。GA5增程版有两种驾驶模式，一为ECO驾驶模式，另一为普通驾驶模式，两种模式的起始充电值是不同的，在ECO驾驶模式下，电量低于20%时APU开始充电，而普通模式下，电量低于50% APU就开始充电。

除了在乘用车领域，我国车企在商用车领域也进行了增程式汽车的研发，例如安凯公司的增程式电动客车、上汽商用车的增程式电动宽体轻客V80Hybrid，这些增程式电动商用汽车同样在增程式领域中占据着不可忽视的重要地位，充分显示改革开放以来我国车企的自主创新能力，在增程式开发领域已经有了一定的技术积累。

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