375增程器的開發(fā)

陳浩平，牛彩云，李勇進(jìn)

（1柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005；2廣西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西 柳州545006）

近年，為解決汽車排放和能源短缺，電動汽車逐漸興起并逐步受到了廣泛的肯定。市場上出現(xiàn)有純電動汽車、混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車等[1]。其中，純電動汽車受限于續(xù)航里程較短充電設(shè)施尚未完善；混合動力受限于排放及技術(shù)缺陷；燃料電池目前國內(nèi)還處于研究階段，且成本過于昂貴?；谝陨显颍苌艘环N增程式電動車。

1 增程式電動車

增程式電動車是在純電動車的基礎(chǔ)上，加裝一個動力輔助單元。當(dāng)蓄電池電荷低時動力輔助單元給予充電。與純電動車相比，增加了電動車的續(xù)航里程；與傳統(tǒng)混合動力汽車相比，增程式電動車擺脫了對發(fā)動機控制技術(shù)及自動變速器控制技術(shù)的依賴[2]。增程式電動車在驅(qū)動方式上仍為純電驅(qū)動，不需要傳統(tǒng)的變速器，只需連接減速器，驅(qū)動電機就可直接實現(xiàn)轉(zhuǎn)速及扭矩的控制，驅(qū)動控制方式盡顯。

1.1 增程器

動力輔助單元由一臺傳統(tǒng)發(fā)動機、發(fā)電機及電機控制器組成，如圖1所示。由于此動力輔助單元有給電動車增加續(xù)航里程的能力，因此也稱這個動力輔助單元稱為增程器[3]。增程器只用來發(fā)電，不參與汽車動力輸出，因此它不受汽車工況的限制，發(fā)電時只需控制發(fā)動機在特定的高效點工作，控制簡單，實現(xiàn)了發(fā)動機效率的最大優(yōu)化。

圖1 增程式電動車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 375增程器的開發(fā)

2.1 開發(fā)背景

基于市場需求，專門為增程式電動汽車開發(fā)一款新型增程器。該增程器由一款新開發(fā)的直列三缸汽油機、ISG發(fā)電機、發(fā)電機控制器以及集成增程器控制功能的ECU組成。最大功率設(shè)定為40 kW，可滿足A～B級增程式電動車的需求。

2.2 375增程器汽油機的開發(fā)

針對增程器的工作特點（空間緊湊、低噪聲、在中低轉(zhuǎn)速段工作），對該發(fā)動機做以下設(shè)計，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計要求，發(fā)動機開發(fā)應(yīng)用簡易概念設(shè)計計算、CAE性能模擬、FEA有限元及CFD計算優(yōu)化等措施，確保發(fā)動機設(shè)計滿足表1所示目標(biāo)要求。

表1 設(shè)定發(fā)動機性能指標(biāo)

2.3 375發(fā)動機臺架試驗

為對增程器發(fā)動機概念及其設(shè)計進(jìn)行驗證，進(jìn)行樣機試驗研究。如圖3所示，發(fā)動機功率油耗曲線能達(dá)到表1的預(yù)先設(shè)定的功率目標(biāo)值；圖4為375汽油機萬有特性圖，發(fā)動機的最小比油耗值也在設(shè)定范圍內(nèi)。經(jīng)臺架驗證，該汽油機符合性能設(shè)計要求。

圖3 375汽油機外特性曲線

圖4 375汽油機萬有特性

同時，通過耐久臺架試驗進(jìn)行驗證確保發(fā)動機開發(fā)質(zhì)量（圖5所示）。

圖5 發(fā)動機混合工況標(biāo)準(zhǔn)耐久445h試驗

通過設(shè)備測試，根據(jù)表2測試結(jié)果分析整機噪聲聲壓級水平基本符合設(shè)計要求。

表2 發(fā)動機噪聲聲壓級測試

2.4 發(fā)電機的匹配

ISG發(fā)電機選擇混合動力通用的帶水冷的高壓永磁同步電機，發(fā)電效率達(dá)到93.2%～95.3%，如圖6所示。

圖6 發(fā)電機發(fā)電效率曲線

發(fā)電機控制器使用大功率IGBT控制模塊；與發(fā)動機連接為轉(zhuǎn)子以飛輪方式直接安裝于曲軸后端，定子直接安裝在缸體后端如圖7；發(fā)電機、電機控制器冷卻水路與驅(qū)動電機冷卻水路共用，與發(fā)動機冷卻水路分開。

圖7 發(fā)電機與發(fā)動機連接圖

發(fā)電機性能要求指標(biāo)如下表3所示。

表3 發(fā)電機性能要求指標(biāo)

2.5 增程器控制策略

增程器工作模式為：

（1）停機：此時發(fā)動機及ISG電機都處于停機模式；

（2）起動：此時發(fā)動機處于起動模式，ISG電機處于力矩控制模式；

（3）拖動：此時發(fā)動機處于停機模式，ISG電機處于轉(zhuǎn)速控制模式；

（4）怠速：此時發(fā)動機處于怠速模式，ISG電機處于停機模式；

（5）發(fā)電：此時發(fā)動機處于轉(zhuǎn)速控制模式，ISG電機處于發(fā)電模式。

當(dāng)增程式電動車正常行駛，動力電池電量充足時，完全采用動力電池的電功率驅(qū)動電動機；當(dāng)遇到高負(fù)荷工況時，電動機需要功率高過動力電池的最大輸出功率，發(fā)動機控制器發(fā)出信號啟動發(fā)動機，經(jīng)過發(fā)動機和發(fā)電機一起發(fā)電，輸出電功率作為動力電池的補充；當(dāng)動力電池電量不足時，行駛的電動機所需電量由發(fā)動機與發(fā)電機組成的增程器提供，車輛勻速行駛時，電動機所需電功率較小，剩余部分功率可通過發(fā)電機控制器分配給動力電池充電。圖8為增程器控制策略流程圖。

圖8 增程器控制策略流程圖

3 375增程器臺架試驗

進(jìn)行375增程器臺架連接，通過性能聯(lián)調(diào)試驗，評估375增程器性能是否滿足設(shè)計要求。

圖9 增程器性能聯(lián)調(diào)

經(jīng)增程器性能聯(lián)調(diào)試驗，該增程器經(jīng)濟功率為25/2750 kW/rpm，額定功率為35/3500 kW/rpm，峰值功率達(dá)到40/4000 kW/rpm，性能指標(biāo)完全符合設(shè)計需求。

4 結(jié)束語

（1）目前，電動汽車的百公里耗電量約為15kWh～18 kWh.根據(jù)電動汽車對電功率的需求，A級車在水平路面以80 Km/h的速度行駛所需電功率約為12kW～13kW，加上發(fā)電機的部分電功率損耗和發(fā)動機附件的功率損耗，計算的發(fā)動機輸出功率需求約為（15～18）kW，考慮高負(fù)荷、爬坡等復(fù)雜工況，定義發(fā)動機的輸出功率范圍（15～25）kW/（2750～4000）rpm.B級車要求更高，約為（22～32）kW/（2750～4000）rpm.

（2）設(shè)計的增程器經(jīng)濟功率為25/2750 kW/rpm，額定功率為35/3500 kW/rpm，峰值功率為40/4000 kW/rpm，能完全滿足A級、B級增程式電動車的動力需求。

（3）該增程器空間尺寸，長×寬×高為513mm×454 mm×698 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，極具物理搭載優(yōu)勢，是一款性能優(yōu)良，極具市場競爭力的增程器。

[1]王神寶．增程式電動汽車[J]．汽車工程師.2012.

[2]陳清泉，孫逢春.Antoni Szumanowski.混合電動車基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[3]李興虎.混合動力汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：人民交通出版社，2009.