淺談增程式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

0 引言

伴隨著日趨嚴(yán)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(xiàn)階段純電動(dòng)汽 車(chē)面臨續(xù)駛里程短、電池成本高、充電時(shí)間長(zhǎng)等痛點(diǎn)， 還無(wú)法完全滿足用戶的需求［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)?yán)m(xù)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(zhǎng)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(jī)可根據(jù)整車(chē)需 求始終工作在最高效率點(diǎn)［2］，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá) 到最高。而驅(qū)動(dòng)部分與純電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相同， 保持著電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效特性。作為增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng) 力系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分，發(fā)電系統(tǒng)的能效轉(zhuǎn)化率 對(duì)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(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電 機(jī)的工作特性，對(duì)其發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng) 機(jī)高效工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)高效工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速存在不匹配問(wèn)題，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加變速系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)合適的速比，使發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均工作在高效區(qū) 域，解決轉(zhuǎn)速點(diǎn)不匹配問(wèn)題，可有效提升發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn) 行效率，從而進(jìn)一步降低整車(chē)的能耗水平，提升續(xù)駛里 程，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 增程式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由增程器系統(tǒng)、動(dòng) 力電池、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成［3］，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 增程器系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、GCU（發(fā)電機(jī)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(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái) 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后增程器轉(zhuǎn)入發(fā)電模式，給驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)供電或者對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包 括減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、MCU（電機(jī)控制器總成，Motor Controller Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MCU），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收增程器或 者動(dòng)力電池的能量來(lái)驅(qū)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(dāng)于 純電動(dòng)汽車(chē)。當(dāng)SOC值低于設(shè)定的下限值時(shí)，增程器啟 動(dòng)，發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)給驅(qū)動(dòng) 電機(jī)，并將多余的電能儲(chǔ)存在電池中，給動(dòng)力電池充 電。另外當(dāng)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(dú)工作均無(wú)法滿足需求時(shí)，由動(dòng)力電池 和增程器共同為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，以滿足整車(chē)性能需求。

2 增程發(fā)電系統(tǒng)能耗分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，增程器設(shè)計(jì)峰值功 率50 kW，最大扭矩130 N·m，最高轉(zhuǎn)速4500 r·min-1。 在增程模式下，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最高效率 點(diǎn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線及整車(chē)的功率需求，確 定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)如圖2所示，五個(gè)工作點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)10 kW、20 kW、30 kW、40 kW、50 kW五個(gè)輸出功率，對(duì) 應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(jī)的高效區(qū)。

2.2 發(fā)電機(jī)能耗分析

根據(jù)整車(chē)性能需求，其需要保證增程器在40 kW工 況下持續(xù)工作，發(fā)電機(jī)匹配一款額定功率為40 kW的永 磁同步電機(jī)，發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)增程器發(fā) 動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)及發(fā)電機(jī)的效率MAP圖，匹配的發(fā)電機(jī) 工作點(diǎn)如圖3所示，發(fā)電機(jī)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(jī)的高效區(qū)主要集中在中低 轉(zhuǎn)速2000 r·min-1~4000 r·min-1之間，而發(fā)電機(jī)的高 效區(qū)主要集中在高轉(zhuǎn)速4000 r·min-1~9000 r·min-1區(qū) 域，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)不匹配，發(fā)電機(jī)的高 效區(qū)無(wú)法利用，增程器的系統(tǒng)效率偏低。

2.3 發(fā)電系統(tǒng)能耗優(yōu)化分析

針對(duì)增程器發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)高效工作點(diǎn)不匹配問(wèn) 題，在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加變速系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng) 機(jī)和發(fā)電機(jī)各自的高效率區(qū)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間，設(shè)計(jì)合 適的速比，使發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均工作在高效區(qū)域。本 文對(duì)原增程器系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加一個(gè)速比 為2的變速箱，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行放大，將發(fā)電機(jī)工 作的轉(zhuǎn)速區(qū)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(jī)工作點(diǎn) 分布圖見(jiàn)圖4，發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)效率見(jiàn)表4，其平均效率為 90.8%。

3 結(jié)論

本文對(duì)某款增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)電系統(tǒng)的能耗分析發(fā) 現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)高效率區(qū)轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機(jī)高效率區(qū)轉(zhuǎn)速高， 兩者存在不匹配問(wèn)題，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加 速比為2的變速系統(tǒng)，放大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)工作 在高效率區(qū)，優(yōu)化前后發(fā)電機(jī)各個(gè)工作點(diǎn)的效率對(duì)比如 圖5所示，增加變速系統(tǒng)后，發(fā)電機(jī)五個(gè)工作點(diǎn)的效率 均有較大提升，特別是在低功率區(qū)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(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加變 速系統(tǒng)，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)高效工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速不匹配 問(wèn)題，有效的提升了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)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(xù)駛里程，具有較 高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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