一種增程式電動汽車動力系統(tǒng)能耗分析

姚學(xué)松

摘要：通過對某款增程式電動汽車動力系統(tǒng)的能耗進行分析，發(fā)現(xiàn)其增程器發(fā)電系統(tǒng)存在發(fā)動機與發(fā)電機高效工作點轉(zhuǎn)速不匹配問題，發(fā)動機高效率區(qū)分布在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)電機高效率區(qū)分布在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，導(dǎo)致發(fā)電機的高效率區(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)動機和發(fā)電機之間增加變速系統(tǒng)，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行放大。分析結(jié)果顯示，增加變速系統(tǒng)后發(fā)電機的高效率區(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;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，還無法完全滿足用戶的需求。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)動機可根據(jù)整車需求始終工作在最高效率點，使發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性達到最高。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、發(fā)電機的工作特性，對其發(fā)電系統(tǒng)進行能耗分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機高效工作點的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機高效工作點的轉(zhuǎn)速存在不匹配問題，通過在發(fā)動機和發(fā)電機之間增加變速系統(tǒng)，設(shè)計合適的速比，使發(fā)動機和發(fā)電機均工作在高效區(qū)域，解決轉(zhuǎn)速點不匹配問題，可有效提升發(fā)電系統(tǒng)的運行效率，從而進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，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、發(fā)電機、GCU（發(fā)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(qū)動發(fā)電機來啟動發(fā)動機，發(fā)動機啟動后增程器轉(zhuǎn)入發(fā)電模式，給驅(qū)動系統(tǒng)供電或者對動力電池進行充電。驅(qū)動系統(tǒng)主要包括減速器、驅(qū)動電機、MCU（電機控制器總成，MotorController 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，動力電池SOC（荷電狀態(tài)，State 0fCharge，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)電機將發(fā)動機產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)給驅(qū)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(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1.5L自然吸氣發(fā)動機，增程器設(shè)計峰值功率50kW，最大扭矩130N·m，最高轉(zhuǎn)速4500r·min-1。在增程模式下，為了保證發(fā)動機始終工作在最高效率點，根據(jù)發(fā)動機的萬有特性曲線及整車的功率需求，確定發(fā)動機的工作點如圖2所示，五個工作點分別對應(yīng)10kW、20kW、30kW、40kW、50kw五個輸出功率，對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率見表1，平均燃油消耗率為252g/kW_h，處于發(fā)動機的高效區(qū)。

2.2發(fā)電機能耗分析

根據(jù)整車性能需求，其需要保證增程器在40kWT況下持續(xù)工作，發(fā)電機匹配一款額定功率為40kW的永磁同步電機，發(fā)電機的性能參數(shù)見表2。根據(jù)增程器發(fā)動機的工作點及發(fā)電機的效率MAP圖，匹配的發(fā)電機工作點如圖3所示，發(fā)電機五個工作點的效率見表3，其平均效率為87.4%。因發(fā)動機的高效區(qū)主要集中在中低轉(zhuǎn)速2000r·min^-1～4000r·min^-1之間，而發(fā)電機的高效區(qū)主要集中在高轉(zhuǎn)速4000r·min^-1-9000r-min^-1區(qū)域，導(dǎo)致發(fā)電機與發(fā)動機的工作點不匹配，發(fā)電機的高效區(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)動機與發(fā)電機高效工作點不匹配問題，在發(fā)動機和發(fā)電機之間增加變速系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機和發(fā)電機各自的高效率區(qū)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間，設(shè)計合適的速比，使發(fā)動機和發(fā)電機均工作在高效區(qū)域。本文對原增程器系統(tǒng)發(fā)動機和發(fā)電機之間增加一個速比為2的變速箱，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行放大，將發(fā)電機工作的轉(zhuǎn)速區(qū)間由2000r·min^-1-4000r·min^-1放大到3000r·min^-1-8000r·min^-1。優(yōu)化后的發(fā)電機工作點分布圖見圖4，發(fā)電機工作點效率見表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)動機高效率區(qū)轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機高效率區(qū)轉(zhuǎn)速高，兩者存在不匹配問題，通過在發(fā)動機和發(fā)電機之間增加速比為2的變速系統(tǒng)，放大發(fā)動機轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機工作在高效率區(qū)，優(yōu)化前后發(fā)電機各個工作點的效率對比如圖5所示，增加變速系統(tǒng)后，發(fā)電機五個工作點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)動機和發(fā)電機之間增加變速系統(tǒng)，解決了發(fā)動機和發(fā)電機高效工作點轉(zhuǎn)速不匹配問題，有效的提升了發(fā)電機系統(tǒng)效率，從而進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。