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    375增程器的開發(fā)

    2015-11-30 08:19:54陳浩平牛彩云李勇進(jìn)
    裝備制造技術(shù) 2015年11期
    關(guān)鍵詞:增程器電功率程式

    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.

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