一種增程式電動汽車動力系統(tǒng)能耗分析

姚學(xué)松 （奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽?蕪湖?241002）

摘? 要：通過對某款增程式電動汽車動力系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其增程器發(fā)電系統(tǒng)存在發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)高 效工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速不匹配問題，發(fā)動機(jī)高效率區(qū)分布在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)電機(jī)高效率區(qū)分布在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，導(dǎo)致發(fā)電 機(jī)的高效率區(qū)域不能充分的利用。為了解決此問題，本文提出了一種優(yōu)化方案，通過在發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增 加變速系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行放大。分析結(jié)果顯示，增加變速系統(tǒng)后發(fā)電機(jī)的高效率區(qū)域得到充分的利用， 有效的提升了增程器發(fā)電系統(tǒng)的效率，進(jìn)一步降低了增程式電動汽車的能耗水平，提升了整車的續(xù)駛里程。 

關(guān)鍵詞：增程式電動汽車；能耗；發(fā)電機(jī)；變速系統(tǒng)

0  引言 

伴隨著日趨嚴(yán)重的環(huán)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(diǎn)成為最有潛力的新能源汽車。但現(xiàn)階段純電動汽 車面臨續(xù)駛里程短、電池成本高、充電時間長等痛點(diǎn)， 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?yán)m(xù)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(fā)動機(jī)可根據(jù)整車需 求始終工作在最高效率點(diǎn)^[2]，使發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá) 到最高。而驅(qū)動部分與純電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)相同， 保持著電驅(qū)動系統(tǒng)的高效特性。作為增程式電動汽車動 力系統(tǒng)的另一個重要組成部分，發(fā)電系統(tǒng)的能效轉(zhuǎn)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(jié)合發(fā)動機(jī)、發(fā)電 機(jī)的工作特性，對其發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動 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)速存在不匹配問題，通過在發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加變速系統(tǒng)， 設(shè)計合適的速比，使發(fā)動機(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)一步降低整車的能耗水平，提升續(xù)駛里 程，具有較高的應(yīng)用價值。

1  增程式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 

增程式電動汽車的動力系統(tǒng)主要由增程器系統(tǒng)、動 力電池、驅(qū)動系統(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)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、GCU（發(fā)電機(jī)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(qū)動發(fā)電機(jī)來 啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)啟動后增程器轉(zhuǎn)入發(fā)電模式，給驅(qū) 動系統(tǒng)供電或者對動力電池進(jìn)行充電。驅(qū)動系統(tǒng)主要包 括減速器、驅(qū)動電機(jī)、MCU（電機(jī)控制器總成，Motor Controller Unit，簡稱MCU），驅(qū)動系統(tǒng)接收增程器或 者動力電池的能量來驅(qū)動車輛前進(jìn)或者后退，同時在車 輛制動時發(fā)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(tài)，State of Charge，簡稱SOC），值較高時采用純電模式，相當(dāng)于 純電動汽車。當(dāng)SOC值低于設(shè)定的下限值時，增程器啟 動，發(fā)電機(jī)將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)給驅(qū)動 電機(jī)，并將多余的電能儲存在電池中，給動力電池充 電。另外當(dāng)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(dú)工作均無法滿足需求時，由動力電池 和增程器共同為驅(qū)動電機(jī)供電，以滿足整車性能需求。

2  增程發(fā)電系統(tǒng)能耗分析 

2.1 發(fā)動機(jī)能耗分析 

本文基于某款增程式電動汽車進(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)動機(jī)，增程器設(shè)計峰值功 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)動機(jī)始終工作在最高效率 點(diǎn)，根據(jù)發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線及整車的功率需求，確 定發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)如圖2所示，五個工作點(diǎn)分別對應(yīng)10 kW、20 kW、30 kW、40 kW、50 kW五個輸出功率，對 應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率見表1，平均燃油 消耗率為252 g/kW·h，處于發(fā)動機(jī)的高效區(qū)。

2.2 發(fā)電機(jī)能耗分析 

根據(jù)整車性能需求，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)見表2。根據(jù)增程器發(fā) 動機(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)五個工作點(diǎn)的效率見表3，其 平均效率為87.4%。因發(fā)動機(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)動機(jī)的工作點(diǎn)不匹配，發(fā)電機(jī)的高 效區(qū)無法利用，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 

針對增程器發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)高效工作點(diǎn)不匹配問 題，在發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加變速系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動 機(jī)和發(fā)電機(jī)各自的高效率區(qū)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間，設(shè)計合 適的速比，使發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)均工作在高效區(qū)域。本 文對原增程器系統(tǒng)發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加一個速比 為2的變速箱，對發(fā)動機(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) 分布圖見圖4，發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)效率見表4，其平均效率為 90.8%。

3  結(jié)論 

本文對某款增程式電動汽車發(fā)電系統(tǒng)的能耗分析發(fā) 現(xiàn)，發(fā)動機(jī)高效率區(qū)轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機(jī)高效率區(qū)轉(zhuǎn)速高， 兩者存在不匹配問題，通過在發(fā)動機(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)各個工作點(diǎn)的效率對比如 圖5所示，增加變速系統(tǒng)后，發(fā)電機(jī)五個工作點(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%。

通過對增程式電動汽車發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間增加變 速系統(tǒng)，解決了發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)高效工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速不匹配 問題，有效的提升了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)效率，從而進(jìn)一步降低 了增程式電動汽車的能耗水平，提升續(xù)駛里程，具有較 高的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)： 

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第82頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。