浅谈增程式动力系统结构及工作原理

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对续驶里程短、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新增变速系统，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重要由增程器系统、动力锂电池、驱动系统等组成［3］，其结构框图如图1所示。增程器系统重要包括发动机、发电机、GCU（发电机控制器总成，GeneratorControllerUnit，简称GCU），增程器启动时，由动力锂电池给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锂电池进行充电。驱动系统重要包括减速器、驱动电机、MCU（电机控制器总成，MotorControllerUnit，简称MCU），驱动系统接收增程器或者动力锂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锂电池中。

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］，动力锂电池SOC（荷电状态，StateofCharge，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，发电机将发动机出现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，给动力锂电池充电。另外当整车急加速等工况需求较大的功率，而动力锂电池或增程器单独工作均无法满足需求时，由动力锂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1.5L自然吸气发动机，增程器设计峰值功率50kW，最大扭矩130N·m，最高转速4500r·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10kW、20kW、30kW、40kW、50kW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252g/kW·h，处于发动机的高效区。

2.2发电机能耗分析

根据整车性能需求，其要保证增程器在40kW工况下持续工作，发电机匹配一款额定功率为40kW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%。因发动机的高效区重要集中在中低转速2000r·min-1~4000r·min-1之间，而发电机的高效区重要集中在高转速4000r·min-1~9000r·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。

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新增变速系统，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新增一个速比为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2000r·min-1~4000r·min-1放大到3000r·min-1~8000r·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%。

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新增速比为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比较如图5所示，新增变速系统后，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新增变速系统，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.