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浅谈增程式动力系统结构及工作原理

2020年03月15日 10:46 次阅读

0 引言

伴随着日趋严重的环境问题及不可再生资源的枯 竭,电动汽车由于其所具有的零排放、低能耗、低噪音 等特点成为最有潜力的新能源汽车。但现阶段纯电动汽 车面临续驶里程短、电池成本高、充电时间长等痛点, 还无法完全满足用户的需求[1]。而增程式电动汽车作为 过渡车型,可以在燃油汽车燃料消耗和纯电动汽车续驶 里程短的问题上做到较好的平衡,同时可以减小电池电 量解决纯电动汽车电池成本高、充电时间长的问题。增 程式电动汽车不同于燃油汽车,其发动机可根据整车需 求始终工作在最高效率点[2],使发动机的燃油经济性达 到最高。而驱动部分与纯电动汽车的电驱动系统相同, 保持着电驱动系统的高效特性。作为增程式电动汽车动 力系统的另一个重要组成部分,发电系统的能效转化率 对整车的整体能耗水平就显得尤为重要。 本文基于某款增程式电动汽车,结合发动机、发电 机的工作特性,对其发电系统进行能耗分析,发现发动 机高效工作点的转速与发电机高效工作点的转速存在不匹配问题,通过在发动机和发电机之间增加变速系统, 设计合适的速比,使发动机和发电机均工作在高效区 域,解决转速点不匹配问题,可有效提升发电系统的运 行效率,从而进一步降低整车的能耗水平,提升续驶里 程,具有较高的应用价值。

1 增程式动力系统结构及工作原理

增程式电动汽车的动力系统主要由增程器系统、动 力电池、驱动系统等组成[3],其结构框图如图1所示。 增程器系统主要包括发动机、发电机、GCU(发电机控 制器总成,Generator Controller Unit,简称GCU),增 程器启动时,由动力电池给GCU供电,驱动发电机来 启动发动机,发动机启动后增程器转入发电模式,给驱 动系统供电或者对动力电池进行充电。驱动系统主要包 括减速器、驱动电机、MCU(电机控制器总成,Motor Controller Unit,简称MCU),驱动系统接收增程器或 者动力电池的能量来驱动车辆前进或者后退,同时在车 辆制动时发电并充入到动力电池中。

浅谈增程式动力系统结构及工作原理

增程式电动汽车一般分为纯电模式和增程模式 两种驾驶模式[4],动力电池SOC(荷电状态,State of Charge,简称SOC),值较高时采用纯电模式,相当于 纯电动汽车。当SOC值低于设定的下限值时,增程器启 动,发电机将发动机产生的能量转化为电能供应给驱动 电机,并将多余的电能储存在电池中,给动力电池充 电。另外当整车急加速等工况需求较大的功率,而动力 电池或增程器单独工作均无法满足需求时,由动力电池 和增程器共同为驱动电机供电,以满足整车性能需求。

2 增程发电系统能耗分析

2.1 发动机能耗分析

本文基于某款增程式电动汽车进行分析,其增程器搭 载的是一款四缸1.5 L自然吸气发动机,增程器设计峰值功 率50 kW,最大扭矩130 N·m,最高转速4500 r·min-1。 在增程模式下,为了保证发动机始终工作在最高效率 点,根据发动机的万有特性曲线及整车的功率需求,确 定发动机的工作点如图2所示,五个工作点分别对应10 kW、20 kW、30 kW、40 kW、50 kW五个输出功率,对 应的发动机转速、转矩、燃油消耗率见表1,平均燃油 消耗率为252 g/kW·h,处于发动机的高效区。

浅谈增程式动力系统结构及工作原理

2.2 发电机能耗分析

根据整车性能需求,其需要保证增程器在40 kW工 况下持续工作,发电机匹配一款额定功率为40 kW的永 磁同步电机,发电机的性能参数见表2。根据增程器发 动机的工作点及发电机的效率MAP图,匹配的发电机 工作点如图3所示,发电机五个工作点的效率见表3,其 平均效率为87.4%。因发动机的高效区主要集中在中低 转速2000 r·min-1~4000 r·min-1之间,而发电机的高 效区主要集中在高转速4000 r·min-1~9000 r·min-1区 域,导致发电机与发动机的工作点不匹配,发电机的高 效区无法利用,增程器的系统效率偏低。

浅谈增程式动力系统结构及工作原理

2.3 发电系统能耗优化分析

针对增程器发动机与发电机高效工作点不匹配问 题,在发动机和发电机之间增加变速系统,根据发动 机和发电机各自的高效率区对应的转速区间,设计合 适的速比,使发动机和发电机均工作在高效区域。本 文对原增程器系统发动机和发电机之间增加一个速比 为2的变速箱,对发动机转速进行放大,将发电机工 作的转速区间由2000 r·min-1~4000 r·min-1放大到 3000 r·min-1~8000 r·min-1。优化后的发电机工作点 分布图见图4,发电机工作点效率见表4,其平均效率为 90.8%。

浅谈增程式动力系统结构及工作原理

3 结论

本文对某款增程式电动汽车发电系统的能耗分析发 现,发动机高效率区转速低,发电机高效率区转速高, 两者存在不匹配问题,通过在发动机和发电机之间增加 速比为2的变速系统,放大发动机转速,使发电机工作 在高效率区,优化前后发电机各个工作点的效率对比如 图5所示,增加变速系统后,发电机五个工作点的效率 均有较大提升,特别是在低功率区间效率提升明显,单 工作点最大效率提升4.8%,平均效率提升3.4%。

通过对增程式电动汽车发动机和发电机之间增加变 速系统,解决了发动机和发电机高效工作点转速不匹配 问题,有效的提升了发电机系统效率,从而进一步降低 了增程式电动汽车的能耗水平,提升续驶里程,具有较 高的应用价值。

参考文献:

[1] 刘青,贝绍轶,汪伟,等。 增程式电动汽车动力系统参数匹配仿真 与分析[J]。 现代制造工程, 2017(11):76-80.

[2] 洪木南,周安健,苏岭,等。 增程式混合动力汽车的分段式能量管 理策略研究[J]。 汽车工程学报, 2019,9(2):104-108.

[3] 聂立新,刘同乐,刘涛,等。 增程式电动汽车动力参数选择及控制 策略研究[J]。 客车技术与研究, 2019,(1):16-18.

[4] 张民安,储江伟。 采用恒功率控制策略的增程式汽车动力系统匹 配[J]。 重庆理工大学学报, 2019,33(3):73-79.

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