淺談增程式動力系統結構及工作原理

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淺談增程式動力系統結構及工作原理

姚學松 發表於 2020-03-15 10:46:00

0 引言

伴隨著日趨嚴重的環境問題及不可再生資源的枯 竭，電動汽車由於其所具有的零排放、低能耗、低噪音 等特點成為最有潛力的新能源汽車。但現階段純電動汽 車面臨續駛裡程短、電池成本高、充電時間長等痛點， 還無法完全滿足用戶的需求［1］。而增程式電動汽車作為 過渡車型，可以在燃油汽車燃料消耗和純電動汽車續駛 裡程短的問題上做到較好的平衡，同時可以減小電池電 量解決純電動汽車電池成本高、充電時間長的問題。增 程式電動汽車不同於燃油汽車，其發動機可根據整車需 求始終工作在最高效率點［2］，使發動機的燃油經濟性達 到最高。而驅動部分與純電動汽車的電驅動系統相同， 保持著電驅動系統的高效特性。作為增程式電動汽車動 力系統的另一個重要組成部分，發電系統的能效轉化率 對整車的整體能耗水平就顯得尤為重要。 本文基於某款增程式電動汽車，結合發動機、發電 機的工作特性，對其發電系統進行能耗分析，發現發動 機高效工作點的轉速與發電機高效工作點的轉速存在不匹配問題，通過在發動機和發電機之間增加變速系統， 設計合適的速比，使發動機和發電機均工作在高效區 域，解決轉速點不匹配問題，可有效提升發電系統的運 行效率，從而進一步降低整車的能耗水平，提升續駛裡 程，具有較高的應用價值。

1 增程式動力系統結構及工作原理

增程式電動汽車的動力系統主要由增程器系統、動 力電池、驅動系統等組成［3］，其結構框圖如圖1所示。 增程器系統主要包括發動機、發電機、GCU（發電機控 制器總成，Generator Controller Unit，簡稱GCU），增 程器啟動時，由動力電池給GCU供電，驅動發電機來 啟動發動機，發動機啟動後增程器轉入發電模式，給驅 動系統供電或者對動力電池進行充電。驅動系統主要包 括減速器、驅動電機、MCU（電機控制器總成，Motor Controller Unit，簡稱MCU），驅動系統接收增程器或 者動力電池的能量來驅動車輛前進或者後退，同時在車 輛制動時發電並充入到動力電池中。

增程式電動汽車一般分為純電模式和增程模式 兩種駕駛模式［4］，動力電池SOC（荷電狀態，State of Charge，簡稱SOC），值較高時採用純電模式，相當於 純電動汽車。當SOC值低於設定的下限值時，增程器啟 動，發電機將發動機產生的能量轉化為電能供應給驅動 電機，並將多餘的電能儲存在電池中，給動力電池充 電。另外當整車急加速等工況需求較大的功率，而動力 電池或增程器單獨工作均無法滿足需求時，由動力電池 和增程器共同為驅動電機供電，以滿足整車性能需求。

2 增程發電系統能耗分析

2.1 發動機能耗分析

本文基於某款增程式電動汽車進行分析，其增程器搭 載的是一款四缸1.5 L自然吸氣發動機，增程器設計峰值功 率50 kW，最大扭矩130 N·m，最高轉速4500 r·min-1。 在增程模式下，為了保證發動機始終工作在最高效率 點，根據發動機的萬有特性曲線及整車的功率需求，確 定發動機的工作點如圖2所示，五個工作點分別對應10 kW、20 kW、30 kW、40 kW、50 kW五個輸出功率，對 應的發動機轉速、轉矩、燃油消耗率見表1，平均燃油 消耗率為252 g/kW·h，處於發動機的高效區。

2.2 發電機能耗分析

根據整車性能需求，其需要保證增程器在40 kW工 況下持續工作，發電機匹配一款額定功率為40 kW的永 磁同步電機，發電機的性能參數見表2。根據增程器發 動機的工作點及發電機的效率MAP圖，匹配的發電機 工作點如圖3所示，發電機五個工作點的效率見表3，其 平均效率為87.4%。因發動機的高效區主要集中在中低 轉速2000 r·min-1~4000 r·min-1之間，而發電機的高 效區主要集中在高轉速4000 r·min-1~9000 r·min-1區 域，導致發電機與發動機的工作點不匹配，發電機的高 效區無法利用，增程器的系統效率偏低。

2.3 發電系統能耗優化分析

針對增程器發動機與發電機高效工作點不匹配問 題，在發動機和發電機之間增加變速系統，根據發動 機和發電機各自的高效率區對應的轉速區間，設計合 適的速比，使發動機和發電機均工作在高效區域。本 文對原增程器系統發動機和發電機之間增加一個速比 為2的變速箱，對發動機轉速進行放大，將發電機工 作的轉速區間由2000 r·min-1~4000 r·min-1放大到 3000 r·min-1~8000 r·min-1。優化後的發電機工作點 分布圖見圖4，發電機工作點效率見表4，其平均效率為 90.8%。

3 結論

本文對某款增程式電動汽車發電系統的能耗分析發 現，發動機高效率區轉速低，發電機高效率區轉速高， 兩者存在不匹配問題，通過在發動機和發電機之間增加 速比為2的變速系統，放大發動機轉速，使發電機工作 在高效率區，優化前後發電機各個工作點的效率對比如 圖5所示，增加變速系統後，發電機五個工作點的效率 均有較大提升，特別是在低功率區間效率提升明顯，單 工作點最大效率提升4.8%，平均效率提升3.4%。

通過對增程式電動汽車發動機和發電機之間增加變 速系統，解決了發動機和發電機高效工作點轉速不匹配 問題，有效的提升了發電機系統效率，從而進一步降低 了增程式電動汽車的能耗水平，提升續駛裡程，具有較 高的應用價值。

參考文獻：

［1］ 劉青，貝紹軼，汪偉，等。 增程式電動汽車動力系統參數匹配仿真 與分析［J］。 現代製造工程， 2017（11）：76-80.

［2］ 洪木南，周安健，蘇嶺，等。 增程式混合動力汽車的分段式能量管 理策略研究［J］。 汽車工程學報， 2019，9（2）：104-108.

［3］ 聶立新，劉同樂，劉濤，等。 增程式電動汽車動力參數選擇及控制 策略研究［J］。 客車技術與研究， 2019，（1）：16-18.

［4］ 張民安，儲江偉。 採用恆功率控制策略的增程式汽車動力系統匹 配［J］。 重慶理工大學學報， 2019，33（3）：73-79.

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