淺談增程式動力系統結構及工作原理

伴隨著日趨嚴重的環境問題及不可再生資源的枯竭，電動車由于其所具有的零排放、低能耗、低噪音等特點成為最有潛力的新能源汽車。但現階段純電動車面對續駛里程短、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］。而增程式電動車作為過渡車型，可以在燃油汽車燃料消耗和純電動車續駛里程短的問題上做到較好的平衡，同時可以減小電池電量處理純電動車電池成本高、充電時間長的問題。增程式電動車不同于燃油汽車，其發動機可依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。作為增程式電動車動力系統的另一個緊要組成部分，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緊要。本文基于某款增程式電動車，結合發動機、發電機的工作特性，對其發電系統進行能耗分解，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新增變速系統，設計適宜的速比，使發動機和發電機均工作在高效區域，處理轉速點不匹配問題，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，提升續駛里程，具有較高的使用價值。

1增程式動力系統結構及工作原理

增程式電動車的動力系統緊要由增程器系統、動力鋰離子電池、驅動系統等組成［3］，其結構框圖如圖1所示。增程器系統緊要包括發動機、發電機、GCU（發電機控制器總成，GeneratorControllerUnit，簡稱GCU），增程器啟動時，由動力鋰離子電池給GCU供電，驅動發電機來啟動發動機，發動機啟動后增程器轉入發電模式，給驅動系統供電或者對動力鋰離子電池進行充電。驅動系統緊要包括減速器、驅動電機、MCU（電機控制器總成，MotorControllerUnit，簡稱MCU），驅動系統接收增程器或者動力鋰離子電池的能量來驅動車輛前進或者后退，同時在車輛制動時發電并充入到動力鋰離子電池中。

增程式電動車一般分為純電模式和增程模式兩種駕駛模式［4］，動力鋰離子電池SOC（荷電狀態，StateofCharge，簡稱SOC），值較高時采用純電模式，相當于純電動車。當SOC值低于設定的下限值時，增程器啟動，發電機將發動機出現的能量轉化為電能供應給驅動電機，并將多余的電能儲存在電池中，給動力鋰離子電池充電。另外當整車急加速等工況需求較大的功率，而動力鋰離子電池或增程器單獨工作均無法滿足需求時，由動力鋰離子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解

2.1發動機能耗分解

本文基于某款增程式電動車進行分解，其增程器搭載的是一款四缸1.5L自然吸氣發動機，增程器設計峰值功率50kW，最大扭矩130N·m，最高轉速4500r·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，依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10kW、20kW、30kW、40kW、50kW五個輸出功率，對應的發動機轉速、轉矩、燃油消耗率見表1，均勻燃油消耗率為252g/kW·h，處于發動機的高效區。

2.2發電機能耗分解

依據整車性能需求，其要保證增程器在40kW工況下繼續工作，發電機匹配一款額定功率為40kW的永磁同步電機，發電機的性能參數見表2。依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，其均勻效率為87.4%。因發動機的高效區緊要聚集在中低轉速2000r·min-1~4000r·min-1之間，而發電機的高效區緊要聚集在高轉速4000r·min-1~9000r·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解

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新增變速系統，依據發動機和發電機各自的高效率區對應的轉速區間，設計適宜的速比，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新增一個速比為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2000r·min-1~4000r·min-1放大到3000r·min-1~8000r·min-1。優化后的發電機工作點分布圖見圖4，發電機工作點效率見表4，其均勻效率為90.8%。

3結論

本文對某款增程式電動車發電系統的能耗分解發現，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新增速比為2的變速系統，放大發動機轉速，使發電機工作在高效率區，優化前后發電機各個工作點的效率比較如圖5所示，新增變速系統后，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分明，單工作點最大效率提升4.8%，均勻效率提升3.4%。

通過對增程式電動車發動機和發電機之間新增變速系統，處理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車的能耗水平，提升續駛里程，具有較高的使用價值。

參考文獻：

［1］劉青，貝紹軼，汪偉，等。增程式電動車動力系統參數匹配仿真與分解［J］。現代制造工程，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。采用恒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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