新能源汽車增程器發(fā)電機的研發(fā)與驗證方法

張志華，陳 靜

（錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121013）

1 前言

增程式電動車是一種配有地面充電和車載供電功能的純電驅(qū)動汽車。在電池高能量密度技術(shù)尚未實現(xiàn)突破前 （價格、能量密度、充電時間等的綜合性能），增程式混動汽車將是現(xiàn)階段汽車市場發(fā)展的主流趨勢。特別是對于短途運輸?shù)某鞘形锪鬈?，?yōu)勢將更加突出。將增程式系統(tǒng)與整車功率需求進行優(yōu)化匹配，動力電池只需配置1～2kWh，整車油耗就可達到第4階段的油耗標準。增程發(fā)動機、發(fā)電機作為一個獨立的電源系統(tǒng)，為整車驅(qū)動系統(tǒng)和蓄電池供電。發(fā)動機不會受外部工況的影響調(diào)整轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，控制系統(tǒng)將根據(jù)整車用電需求讓發(fā)動機始終工作在高效區(qū)或停機，從而達到系統(tǒng)上的節(jié)油。如果不考慮新能源補貼及雙積分，則該方案為最佳降本方案。

相比純電動汽車，增程式汽車解決了純電汽車的4大痛點：第1，充電憂慮，充電時間過長；充電樁數(shù)量不夠，快充加快電池老化；第2，里程憂慮，不敢上高速，空調(diào)、暖風(fēng)使用擔憂，續(xù)航里程預(yù)估不準；第3，成本憂慮，電池成本占比，純電動車保值率低，跟換電池成本過高；第4，安全憂慮，電池容量大，電池能量密度大，大容量電池熱失控風(fēng)險。

2 增程式整車系統(tǒng)架構(gòu)搭建

增程式汽車就是在純電動車的基礎(chǔ)上，增加一臺增程器。增程器由傳統(tǒng)內(nèi)燃機 （發(fā)動機）和高功率發(fā)電機組成。串聯(lián)增程式系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過GCU對發(fā)電機進行整流控制，將發(fā)電機的交流電轉(zhuǎn)換成直流電傳輸給純電動車的驅(qū)動系統(tǒng)和車輛的動力電池。這種串聯(lián)能量傳遞方式，將發(fā)動機與車輛的驅(qū)動系統(tǒng)進行了機械解耦，減少了機械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本及技術(shù)難度。這種增程器系統(tǒng)加純電驅(qū)動的架構(gòu)稱之為串聯(lián)式混動系統(tǒng)。增程式汽車的增程器提供了車輛行駛的電能，也可以通過民用電為動力電池充電。

圖1 串聯(lián)增程式系統(tǒng)架構(gòu)圖

VCU是整車系統(tǒng)控制單元，整車系統(tǒng)操控由它發(fā)送指令。VCU控制驅(qū)動電機控制器MCU、增程器發(fā)電機逆變器GCU和發(fā)動機控制單元ECU。當然，VCU、MCU、ECU和GCU可以通過CAN網(wǎng)絡(luò)進行交互式的信息通信。通過VCU協(xié)調(diào)發(fā)動機ECU與發(fā)電機GCU工作，將電能傳遞給純電驅(qū)動系統(tǒng)。普通燃油車在很多工況下運行效率都低，比如市區(qū)走走停停的路況，不論內(nèi)燃機的理論熱效率有多高，它在這種情況下的效率也會大打折扣，無法工作在高效區(qū)間，這就是燃油車日常開起來很費油的根本原因。增程式電動車的內(nèi)燃機不直接驅(qū)動車輪，跟行駛工況沒有太大關(guān)系，以盡可能高的效率去發(fā)電，發(fā)出來的電直接給到電機驅(qū)動車輪，有多余的電能還會充進電池保存起來，不會有浪費。在急加速時，電池與增程器同時給電動機供電 （主要依靠電池），輸出最大功率保證性能。而在勻速行駛時，車輛所需功率很小，增程器不僅可以獨立供電，還有多余的電能可以回充電池，將剛才急加速所耗費的電量補回來。電池負責提供爆發(fā)力，而增程器負責提供勻速行駛時的基礎(chǔ)驅(qū)動力，并將電池電量保持在健康的水平。從整體來看，在多數(shù)工況下效率都會更高，更省油。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車工作油耗區(qū)與增程器工作油耗區(qū)間對比如圖2所示，在NEDC工況下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的工作點 （黃色點）基本都落到了260-290的高油耗區(qū)間，而增程器的工作區(qū)域為紅色點區(qū)間內(nèi) （A-B-C-D-E），油耗區(qū)間為240-260；在WTLC工況下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的工作點 （黃色點）離散度更大，主要分布在270-380區(qū)間內(nèi)，油耗更高。而增程器的工作區(qū)域完全不受影響，依然是在紅色點區(qū)間內(nèi) （A-B-C-DE），油耗區(qū)間為240-260。通過如上比較，增程器確實可以發(fā)揮發(fā)動機的更高的潛力，充分利用低油耗區(qū)，達到降低油耗的目的。

圖2 傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車工作油耗區(qū)與增程器工作油耗區(qū)間對比

3 增程器發(fā)電機參數(shù)的選定

3.1 發(fā)動機油耗區(qū)間選型

根據(jù)2020年的第4階段油耗法規(guī)要求，平均油耗要降低到百公里5L以下。如何通過增程器系統(tǒng)，來達到這個目標呢？以1.5噸車汽油商用車為例，介紹如何匹配滿足油耗標準的驅(qū)動電機、發(fā)動機及增程器發(fā)電機。由于第3階段油耗限制是8.3L，采用增程器+純電驅(qū)動電機這種動力方案，如果我們預(yù)期百公里油耗是4.9L?？梢酝茢喑鲞@樣幾組數(shù)據(jù)以備選擇，發(fā)動機與純電驅(qū)動系統(tǒng)的選型方案如表1所示。

表1 發(fā)動機與純電驅(qū)動系統(tǒng)的選型方案

例如，當整車采用純電驅(qū)動百公里耗電量為11kWh時，帶有增程器發(fā)電機的發(fā)動機平均油耗要在280g／kWh，考慮到蓄電池電平衡能量轉(zhuǎn)換工況占比40%的情況下，折算到發(fā)動機上，要有324.9g／kWh，這個數(shù)據(jù)表面，發(fā)動機的平均油耗可以做得很高，對于發(fā)動機來說，沒有任何挑戰(zhàn)。反而對純電驅(qū)動系統(tǒng)要求很高，這不但是技術(shù)上的挑戰(zhàn)而且成本會很大。當然如果選擇純電百公里電耗較高的，換句話說驅(qū)動系統(tǒng)的效率偏低。發(fā)動機選型時，就要求發(fā)動機平均油耗更低，導(dǎo)致沒有可直接用的發(fā)動機。綜合上述條件，先選擇滿足性能要求且高效區(qū)油耗在230-250區(qū)間的發(fā)動機，再選擇對應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)。

3.2 發(fā)動機油耗區(qū)間工作落點分析與發(fā)電機性能匹配

圖3 東安動力1.6L發(fā)動機油耗MAP與增程器工作區(qū)間

以東安動力1.6L發(fā)動機為例，其240以內(nèi)的油耗區(qū)很寬大，特別適合做增程器的發(fā)動機。東安動力1.6L發(fā)動機油耗MAP與增程器工作區(qū)間如圖3所示。綜合考慮排放的要求，將增程器工作區(qū)域劃分為A-B-C-D-E-F條形區(qū) （兩條紅色點線以內(nèi)的部分）。在A-B以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動機輸出功率為7～15kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000～1650r／min，油耗可控制在250g／kWh以內(nèi)，此時可配置增程器發(fā)電機功率為6～13kW；在B-C以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動機輸出功率為15～25kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1650～2400r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時可配置增程器發(fā)電機功率為13～22kW；在C-D以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動機輸出功率為25～28kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速2400～2800r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時可配置增程器發(fā)電機功率為22～25kW；在D-E以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動機輸出功率為28～36kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速2800～3400r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時可配置增程器發(fā)電機功率為25～33kW；在E-F以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動機輸出功率為36～48kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速3400～3900r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時可配置增程器發(fā)電機功率為33～43kW。針對整車平均負載而言，B-D區(qū)域非常適合；D-E區(qū)域適合車速80km／h的負荷需求；E-F區(qū)域適合最高車速的負載需求。

3.3 增程器發(fā)電機高效區(qū)需求分析

在增程式發(fā)電機效率區(qū)間需求分析，我們通常將發(fā)動機的油耗工作區(qū)與發(fā)電機的效率map圖重合，如圖4所示。要保證發(fā)電機高效區(qū)盡量與發(fā)動機低油耗工作區(qū)重合，實現(xiàn)增程器系統(tǒng)的高效率輸出，在發(fā)電機設(shè)計要求中，不但要確認發(fā)電機的性能是否滿足，也要明確高效區(qū)間是否與發(fā)動機低油耗區(qū)匹配。通過圖3、圖4可知，發(fā)電機的基本性能和效率需求如表2所示。

圖4 發(fā)電機與發(fā)動機MAP圖分析

表2 增程器發(fā)電機參數(shù)

4 增程器發(fā)電機的設(shè)計研發(fā)

4.1 增程器發(fā)電機電磁方案設(shè)計

1）根據(jù)整車純電系統(tǒng)電壓，發(fā)電機控制器端額定直流電壓為330V。根據(jù)電機功率密度 （軸向空間?。┖托市枨?，設(shè)計方案采用水冷集中繞組永磁同步電機方案，減少了定子的端部高度，不但減少了電機的銅耗，使電機有較高的效率，同時電機的外形為扁平式結(jié)構(gòu)設(shè)計，節(jié)省了電機的安裝空間，為整車電機布置提供了便利。增程器發(fā)電機具體參數(shù)轉(zhuǎn)化見表2。

2）應(yīng)用Maxwell 2D軟件，對該電機電磁參數(shù)進行性能仿真。電磁參數(shù)如圖5、圖6所示，輸入仿真軟件中，定子溫度按90℃進行仿真計算，結(jié)果如圖7、8所示，功率性能滿足技術(shù)要求，略高于要求的5%，效率計算結(jié)果為：系統(tǒng)效率85%以上的區(qū)間為85%，滿足技術(shù)要求。

圖5 定子電磁參數(shù)

圖6 轉(zhuǎn)子電磁參數(shù)

圖7 電機仿真輸出外特性

圖8 電機效率map圖

3）通過對轉(zhuǎn)子硅鋼片的參數(shù)化仿真分析，對轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)優(yōu)化，改善轉(zhuǎn)矩脈動，能夠提升電機的NVH性能。電機定子齒形和轉(zhuǎn)子極弧的匹配優(yōu)化，將定轉(zhuǎn)子氣隙設(shè)計成非均勻氣隙，提高反電動勢波形的正弦化，減少空間諧波分量，不但可以減少定子鐵耗，還可以降低電機噪聲。

4）轉(zhuǎn)子磁鋼的渦流損耗仿真分析。通過對磁鋼渦流損耗的計算，將磁鋼進行軸向分段，提高環(huán)流電阻，降低渦流損耗。轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化如圖9所示，將整塊磁鋼分割成若干塊，分別計算不同磁鋼段數(shù)對磁鋼渦流損耗的影響。轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化結(jié)論如圖10所示，當磁極由1塊到6塊時，損耗降低幅度較大，但繼續(xù)增加段數(shù)，損耗減低不是很明顯?？紤]生產(chǎn)工藝及成本，選擇最佳的磁鋼段數(shù)。通過粘接工藝，將多段磁鋼粘接到一起，既保證了磁鋼間的絕緣，又提高了裝配工藝性。

4.2 增程器發(fā)電機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

增程器發(fā)電機安裝空間多數(shù)受限于發(fā)動機軸向空間，采用集中繞組設(shè)計方案目的就是縮短定子總成的端部高度，在結(jié)構(gòu)支撐部件設(shè)計上，也要充分考慮電機的軸向結(jié)構(gòu)設(shè)計。因電機轉(zhuǎn)子內(nèi)徑較大，可將軸承室深入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，以節(jié)省軸向空間。增程器發(fā)電機組件如圖11所示，由前蓋、轉(zhuǎn)子、定子、水套機殼、旋變、密封蓋、接線盒等零部件組成。

圖9 轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化

圖10 轉(zhuǎn)子磁極優(yōu)化結(jié)論

圖11 增程式發(fā)電機爆炸圖

定子總成采用扁銅線模塊繞線工藝，提高定子總成槽滿率，達到較高的功率密度，繞制完成的模塊拼接成圓，嵌入到定子鋼套內(nèi)。然后，通過灌封膠將所有模塊鑄成一體，提高定子剛度和繞組的導(dǎo)熱散熱。灌封時，在繞組端部嵌入一根NTC熱敏電阻，作為定子繞組的溫度傳感器，通過控制器設(shè)計溫度限制以保護定子總成繞組不會因為溫度過高而損壞。

轉(zhuǎn)子總成的鐵芯分為3段，考慮到反電動勢諧波，將每段分別錯開一定角度，達到斜極的效果，磁鋼嵌入鐵芯后仍然需要進行灌封膠，一方面是對磁鋼的固定，另一方面是對磁鋼表層的防護，以免表面氧化，影響磁材性能。

定子總成外套一個鋼套，鋼套與水冷機殼夾出一個水道，水道兩側(cè)用O型圈進行密封，保證冷卻液不滲出。樣件需要不同溫度下的做密封測試，檢測樣品密封性能。

4.3 增程器發(fā)電機CAE仿真分析驗證

電機結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮裝配工藝方面的要求，例如將定子總成裝入機殼中，轉(zhuǎn)子硅鋼片熱套到軸輪轂上，要保證在一定的壓入力下完成熱裝，而且保證冷卻后裝配可靠性，需要對加熱的零部件進行熱膨脹CAE計算，根據(jù)計算結(jié)果確定最后的配合公差。圖12、13分別是機殼水套熱分析以及轉(zhuǎn)子硅鋼片套的熱分析，通過分析可以計算出該零部件內(nèi)壁的擴張量。還要對結(jié)構(gòu)件做強度分析，在此不加贅述。

4.3.1 水套機殼熱裝分析

1）分析條件：①水套機殼數(shù)模；②設(shè)置鐵芯片溫度為150℃；③機殼材料為鋁合金。

圖12 機殼熱膨脹分析

圖13 轉(zhuǎn)子鐵芯熱套膨脹分析

2）分析結(jié)論：機殼加熱到150℃后，內(nèi)徑單邊擴張量：內(nèi)壁里面0.215mm，內(nèi)壁外側(cè)0.225mm。

4.3.2 轉(zhuǎn)子硅鋼片熱裝分析

1）分析條件：①轉(zhuǎn)子硅鋼片數(shù)模；②設(shè)置鐵芯片溫度為150℃；③轉(zhuǎn)子材料：結(jié)構(gòu)鋼 （熱膨脹）。

2）分析結(jié)論：轉(zhuǎn)子硅鋼片加熱到150℃后，內(nèi)徑單邊擴大了0.14mm。

5 增程器發(fā)電機的試驗標定與測試

5.1 增程器發(fā)電機試驗準備

電機臺架測試是驗證電機設(shè)計非常重要的環(huán)節(jié)，選擇合適的試驗平臺很重要。本次試驗應(yīng)用AVL電機綜合性能試驗臺。

1）電源電壓范圍0～900V，雙向電源，可輸出也可回收。

2）測功機為功率300kW，最高轉(zhuǎn)速10000r／min，最大扭矩500Nm。

3）功率分析儀、電流傳感器；高精度扭矩傳感器。

4）冷卻水系統(tǒng) （包含水溫控制、流量控制、壓力控制等功能）。

5）示波器、數(shù)據(jù)記錄儀。

5.2 增程器系統(tǒng)測試性能與數(shù)據(jù)

增程器發(fā)電機系統(tǒng)性能及效率map圖如圖14、圖15所示，試驗峰值功率達到55kW，額定點轉(zhuǎn)速3000r／min，系統(tǒng)效率85%以上的區(qū)間約為87%。

圖14 電機外特性曲線

圖15 電機效率map圖

6 結(jié)語

本文主要研究增程器發(fā)電機參數(shù)匹配的設(shè)計，通過理論分析和試驗驗證得出以下結(jié)論。

1）通過對發(fā)動機及整車系統(tǒng)需求分析，確立了增程器發(fā)電機的技術(shù)參數(shù)。

2）采用maxwell-2D軟件進行了性能仿真分析，對定子、轉(zhuǎn)子磁極、磁鋼等做了優(yōu)化設(shè)計分析，在保證電機性能的前提下降低電機損耗，并通過物理臺架試驗將試驗數(shù)據(jù)與仿真進行了閉環(huán)驗證，電機仿真性能誤差控制在10%以內(nèi)。

3）采用ansys軟件對結(jié)構(gòu)件做了熱膨脹分析，保證了樣機裝配一次通過。通過試驗驗證，確認冷卻水道密封完好，無任何滲水現(xiàn)象。