一種增程式電動汽車動力系統能耗分析

作者：姚學松時間：2020-03-03 來源：電子產品世界

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姚學松（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽?蕪湖?241002）

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202003/410497.htm

摘? 要：通過對某款增程式電動汽車動力系統的能耗進行分析，發現其增程器發電系統存在發動機與發電機高效工作點轉速不匹配問題，發動機高效率區分布在低轉速區域，發電機高效率區分布在高轉速區域，導致發電機的高效率區域不能充分的利用。為了解決此問題，本文提出了一種優化方案，通過在發動機和發電機之間增加變速系統，對發動機轉速進行放大。分析結果顯示，增加變速系統后發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電系統的效率，進一步降低了增程式電動汽車的能耗水平，提升了整車的續駛里程。

關鍵詞：增程式電動汽車；能耗；發電機；變速系統

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。但現階段純電動汽車面臨續駛里程短、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里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于燃油汽車，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。本文基于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，提升續駛里程，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，發動機啟動后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后退，同時在車輛制動時發電并充入到動力電池中。

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），值較高時采用純電模式，相當于純電動汽車。當SOC值低于設定的下限值時，增程器啟動，發電機將發動機產生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

本文基于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，處于發動機的高效區。

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，優化前后發電機各個工作點的效率對比如圖5所示，增加變速系統后，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明顯，單工作點最大效率提升4.8%，平均效率提升3.4%。