一種增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統能耗分析

姚學(xué)松 （奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽?蕪湖?241002）

摘? 要：通過(guò)對某款增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統的能耗進(jìn)行分析，發(fā)現其增程器發(fā)電系統存在發(fā)動(dòng)機與發(fā)電機高 效工作點(diǎn)轉速不匹配問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機高效率區分布在低轉速區域，發(fā)電機高效率區分布在高轉速區域，導致發(fā)電 機的高效率區域不能充分的利用。為了解決此問(wèn)題，本文提出了一種優(yōu)化方案，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增 加變速系統，對發(fā)動(dòng)機轉速進(jìn)行放大。分析結果顯示，增加變速系統后發(fā)電機的高效率區域得到充分的利用， 有效的提升了增程器發(fā)電系統的效率，進(jìn)一步降低了增程式電動(dòng)汽車(chē)的能耗水平，提升了整車(chē)的續駛里程。 

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車(chē)；能耗；發(fā)電機；變速系統

0  引言 

伴隨著(zhù)日趨嚴重的環(huán)境問(wèn)題及不可再生資源的枯 竭，電動(dòng)汽車(chē)由于其所具有的零排放、低能耗、低噪音 等特點(diǎn)成為最有潛力的新能源汽車(chē)。但現階段純電動(dòng)汽 車(chē)面臨續駛里程短、電池成本高、充電時(shí)間長(cháng)等痛點(diǎn)， 還無(wú)法完全滿(mǎn)足用戶(hù)的需求^[1]。而增程式電動(dòng)汽車(chē)作為 過(guò)渡車(chē)型，可以在燃油汽車(chē)燃料消耗和純電動(dòng)汽車(chē)續駛 里程短的問(wèn)題上做到較好的平衡，同時(shí)可以減小電池電 量解決純電動(dòng)汽車(chē)電池成本高、充電時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題。增 程式電動(dòng)汽車(chē)不同于燃油汽車(chē)，其發(fā)動(dòng)機可根據整車(chē)需 求始終工作在最高效率點(diǎn)^[2]，使發(fā)動(dòng)機的燃油經(jīng)濟性達 到最高。而驅動(dòng)部分與純電動(dòng)汽車(chē)的電驅動(dòng)系統相同， 保持著(zhù)電驅動(dòng)系統的高效特性。作為增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng) 力系統的另一個(gè)重要組成部分，發(fā)電系統的能效轉化率 對整車(chē)的整體能耗水平就顯得尤為重要。 本文基于某款增程式電動(dòng)汽車(chē)，結合發(fā)動(dòng)機、發(fā)電 機的工作特性，對其發(fā)電系統進(jìn)行能耗分析，發(fā)現發(fā)動(dòng) 機高效工作點(diǎn)的轉速與發(fā)電機高效工作點(diǎn)的轉速存在不匹配問(wèn)題，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加變速系統， 設計合適的速比，使發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機均工作在高效區 域，解決轉速點(diǎn)不匹配問(wèn)題，可有效提升發(fā)電系統的運 行效率，從而進(jìn)一步降低整車(chē)的能耗水平，提升續駛里 程，具有較高的應用價(jià)值。

1  增程式動(dòng)力系統結構及工作原理 

增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統主要由增程器系統、動(dòng) 力電池、驅動(dòng)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(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、GCU（發(fā)電機控 制器總成，Generator Controller Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)GCU），增 程器啟動(dòng)時(shí)，由動(dòng)力電池給GCU供電，驅動(dòng)發(fā)電機來(lái) 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)后增程器轉入發(fā)電模式，給驅 動(dòng)系統供電或者對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。驅動(dòng)系統主要包 括減速器、驅動(dòng)電機、MCU（電機控制器總成，Motor Controller Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MCU），驅動(dòng)系統接收增程器或 者動(dòng)力電池的能量來(lái)驅動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)或者后退，同時(shí)在車(chē) 輛制動(dòng)時(shí)發(fā)電并充入到動(dòng)力電池中。

增程式電動(dòng)汽車(chē)一般分為純電模式和增程模式 兩種駕駛模式^[4]，動(dòng)力電池SOC（荷電狀態(tài)，State of Charge，簡(jiǎn)稱(chēng)SOC），值較高時(shí)采用純電模式，相當于 純電動(dòng)汽車(chē)。當SOC值低于設定的下限值時(shí)，增程器啟 動(dòng)，發(fā)電機將發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的能量轉化為電能供應給驅動(dòng) 電機，并將多余的電能儲存在電池中，給動(dòng)力電池充 電。另外當整車(chē)急加速等工況需求較大的功率，而動(dòng)力 電池或增程器單獨工作均無(wú)法滿(mǎn)足需求時(shí)，由動(dòng)力電池 和增程器共同為驅動(dòng)電機供電，以滿(mǎn)足整車(chē)性能需求。

2  增程發(fā)電系統能耗分析 

2.1 發(fā)動(dòng)機能耗分析 

本文基于某款增程式電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行分析，其增程器搭 載的是一款四缸1.5 L自然吸氣發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機始終工作在最高效率 點(diǎn)，根據發(fā)動(dòng)機的萬(wàn)有特性曲線(xiàn)及整車(chē)的功率需求，確 定發(fā)動(dòng)機的工作點(diǎn)如圖2所示，五個(gè)工作點(diǎn)分別對應10 kW、20 kW、30 kW、40 kW、50 kW五個(gè)輸出功率，對 應的發(fā)動(dòng)機轉速、轉矩、燃油消耗率見(jiàn)表1，平均燃油 消耗率為252 g/kW·h，處于發(fā)動(dòng)機的高效區。

2.2 發(fā)電機能耗分析 

根據整車(chē)性能需求，其需要保證增程器在40 kW工 況下持續工作，發(fā)電機匹配一款額定功率為40 kW的永 磁同步電機，發(fā)電機的性能參數見(jiàn)表2。根據增程器發(fā) 動(dòng)機的工作點(diǎn)及發(fā)電機的效率MAP圖，匹配的發(fā)電機 工作點(diǎn)如圖3所示，發(fā)電機五個(gè)工作點(diǎn)的效率見(jiàn)表3，其 平均效率為87.4%。因發(fā)動(dòng)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(fā)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(fā)電機與發(fā)動(dòng)機的工作點(diǎn)不匹配，發(fā)電機的高 效區無(wú)法利用，增程器的系統效率偏低。

2.3 發(fā)電系統能耗優(yōu)化分析 

針對增程器發(fā)動(dòng)機與發(fā)電機高效工作點(diǎn)不匹配問(wèn) 題，在發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加變速系統，根據發(fā)動(dòng) 機和發(fā)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(fā)動(dòng)機和發(fā)電機均工作在高效區域。本 文對原增程器系統發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加一個(gè)速比 為2的變速箱，對發(fā)動(dòng)機轉速進(jìn)行放大，將發(fā)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(yōu)化后的發(fā)電機工作點(diǎn) 分布圖見(jiàn)圖4，發(fā)電機工作點(diǎn)效率見(jiàn)表4，其平均效率為 90.8%。

3  結論 

本文對某款增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)電系統的能耗分析發(fā) 現，發(fā)動(dòng)機高效率區轉速低，發(fā)電機高效率區轉速高， 兩者存在不匹配問(wèn)題，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加 速比為2的變速系統，放大發(fā)動(dòng)機轉速，使發(fā)電機工作 在高效率區，優(yōu)化前后發(fā)電機各個(gè)工作點(diǎn)的效率對比如 圖5所示，增加變速系統后，發(fā)電機五個(gè)工作點(diǎn)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(diǎn)最大效率提升4.8%，平均效率提升3.4%。

通過(guò)對增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機之間增加變 速系統，解決了發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機高效工作點(diǎn)轉速不匹配 問(wèn)題，有效的提升了發(fā)電機系統效率，從而進(jìn)一步降低 了增程式電動(dòng)汽車(chē)的能耗水平，提升續駛里程，具有較 高的應用價(jià)值。

參考文獻： 

[1] 劉青,貝紹軼,汪偉,等. 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統參數匹配仿真 與分析[J]. 現代制造工程, 2017(11):76-80. 

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[3] 聶立新,劉同樂(lè ),劉濤,等. 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力參數選擇及控制 策略研究[J]. 客車(chē)技術(shù)與研究, 2019,(1):16-18. 

[4] 張民安,儲江偉. 采用恒功率控制策略的增程式汽車(chē)動(dòng)力系統匹 配[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報, 2019,33(3):73-79.

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第82頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。