增程式电动房车可以解决电池大电量､电能补给的问题｡本文研究车型基于某款整备质量(GVW)为4.5t的N2类底盘车｡技术人员将该车型改制成增程式电动房车,并对其核心零部件进行了选型和匹配｡通过AVL-Cruise建立仿真模型,技术人员研究了该增程式电动房车的动力性､经济性,以及电能均衡性等问题｡增程式电动房车一般由内燃机与发电机总成(APU)､动力电池､主驱电机三大主要部件总成组成｡主驱电机用于驱动汽车车轮,动力电池为电动机供电,APU总成用于车辆发电,提供额外的动力,延长行驶里程｡增程式电动房车的种类有很多种,按照驱动方式的不同,可分为串联式､并联式,以及串并联混合式电动房车｡本文主要研究串联式电动房车,这是最简单的1种增程方式｡该车型的系统架构如图1所示｡其中,动力电池通过驱动电机控制器(MCU)和增程器发电机控制器(GCU)进行管理｡
在这种模式下,APU总成仅提供电力来源,并且将电能储存在电池中,而车辆前进所需要的能量来自于动力电池｡串联式增程电动房车的能量方向如图2所示｡
(1)纯电动模式运行｡在该模式下,发动机不起动,车辆前进所需要的动力来源于动力电池｡(2)纯内燃机模式｡在该模式下,发动机全程起动,车辆前进所需要的动力来源,以及电池充电所需要的能量,全部来自于发动机｡(3)混动模式｡在该模式下,车辆前进所需要的动力一部分来自于内燃机,一部分来自于动力电池｡整车控制器会根据系统能耗最优的策略,向内燃机或者动力电池提出动力分配需求｡在该模式下,相对纯内燃机系统,该车型的平均节油率约为20%~30%｡增程式电动房车可以根据不同的使用场景,在以上3种模式之间进行切换,从而达到系统能耗最优的目的｡目前,市场主流的增程式电动房车的动力电池匹配一般集中在2个区间:(1)电池电量大约在13~20kW·h之间,采用功率型电池,电池放电倍率较高｡该方案的主要使用场景以混动为主｡(2)电池电量大约在40~50kW·h左右,采用能量型电池,电池的放电倍率相对较低｡该方案的主要使用场景以纯电为主､混动为辅｡随着智能房车领域的发展,房车对电能的需求越来越高｡典型的房车上配备有部分功率需求,约为3kW左右｡然而,现代房车一般需要向用户提供7~8h左右的生活用电,能量需求约为24kW·h左右｡因此,对于传统内燃机而言,无论是用电功率､还是电池电量,远远无法满足车型需求｡加上动力性需求,此时底盘车能量需求至少为40kW·h以上｡如此大的电量需求,再结合上述增程式电动房车特点,可以看出,基于增程式架构的电动房车是最理想的选择｡考虑到房车载质量的需求,本文以某款GVW为4.5t的N2类增程式底盘匹配房车,其基本性能指标要求如表1所示｡如上所述,增程式电动汽车方案最核心的零部件是APU､动力电池和主驱电机｡基于上述增程式车辆性能指标要求和增程式电动房车对于电量的需求,技术人员对核心零部件进行了综合选取｡对于串联式增程器来说,车辆前进所需要的轮边功率､车辆基本用电负荷､驾驶舱成员所需要制冷与制热功率,以及房车内部用电需求等,全部来自于APU总成,即来自于内燃机与发电机､电机控制器总成｡合理选择APU,直接决定了整个增程式车辆的能耗,是整个系统中最重要的部分｡针对本文研究的GVW为4.5t的N2类车辆改制的增程式房车,技术人员经过测算,从车轮边到电机侧的机械效率η轮边为0.95,电机效率η电机为0.90,底盘车基本的灯光､娱乐系统等负荷约为3kW,房车内部功率需求约为3kW,底盘车与房车内所需要的制冷､制热功率约为4kW,合计附件功率约为10kW｡技术人员通过AVLCruise搭建仿真模型,计算得出各个车速下所需要的发动机功率如图3所示｡在实际车辆运行中,通常房车的运行车速点为80~100km/h,基于车辆阻力､零部件效率､系统功率需求等因素,并且考虑到常见工况点下的能耗最优原则,在高效区间段,APU总成至少需要满足50kW左右,并且APU的输出功率范围应不小于81kW｡表2为常见的增程式房车APU功率需求｡对于主驱电机的选择,首先需要考虑的是扭矩和功率特性,即车辆在低速时的扭矩特性､高速时的功率特性｡车辆在起步或者低速爬坡时,主要考验的是主驱电机的低速扭矩特性,而高速功率特性则决定了车辆能达到的最高车速｡两者基本上是主驱电机选型时候,技术人员首先需要考虑的最主要因素｡针对本文中研究的增程式电动房车,技术人员通过计算在不同工况下的行驶阻力性能,确定主驱电机的最大功率､扭矩,以及驱动桥速比等核心参数,同时还需要考虑电机最高转速限制｡电机最高转速nmax与车速之间的关系见式1｡其中,vmax为车辆最高车速,单位km/h;ig为主减速比,i0为各档位速比｡通过AVLCruise搭建仿真模型,技术人员计算得出各个后桥主减速比下所需要的电机最高转速､电机最大扭矩如图4所示｡综合车辆性能需求,车辆在12%和30%爬坡坡度状态下所需要的电机性能如表3所示｡增程式电动房车的动力电池为驱动车辆前进的动力源｡如表4所示,N2类车辆在当前法规条件下,需要满足中国重型商用车辆瞬态车辆循环(C-WTVC)工况和等速40km/h时的稳速纯电续航的要求｡结合本车型的风阻曲线和百公里电耗情况,技术人员通过AVLCruise搭建仿真模型,计算得出本车型所需要电池电量至少应该满足27kW·h以上｡同时,该动力电池还需要承担房车上的部分用电需求｡如上所述,电量需求至少为40kW·h以上｡综合以上两者需求,本文研究的增程式电动房车最终选择了40kW·h的磷酸铁锂电池作为该房车的动力方案｡根据上述原则,技术人员确定了增程式房车APU､主驱电机､动力电池等核心零部件,确定了与底盘车相关的基本参数,并利用AVL-Cruise仿真软件搭建了增程式电动房车仿真模型｡不仅如此,技术人员还确定了动力源的能量分配控制策略,设置了电池均衡荷电状态(SOC)为50%,电池放电深度(DOD)区间为5%~95%,并搭建了仿真模型,仿真结果如表5所示｡可以预见,在未来几年,新能源汽车会得到充分的发展,新能源汽车及配套充电桩将逐渐增多,这为房车的研发提供了更多的可选方案｡目前,部分具有整车厂背景的房车制造商开始研究基于增程式电动汽车的新能源房车｡该车型既可以利用越来越广泛的新能源配套体系,又可以利用增程式电池容量大､发电快的特点,彻底满足去营地化的客户需求｡这将是未来几年房车市场发展的重要方向之一｡
文章来源:上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心
