陳浩平，牛彩云，李勇進(jìn)

（1柳州五菱柳機(jī)動(dòng)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(dòng)汽車逐漸興起并逐步受到了廣泛的肯定。市場(chǎng)上出現(xiàn)有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車及燃料電池電動(dòng)汽車等[1]。其中，純電動(dòng)汽車受限于續(xù)航里程較短充電設(shè)施尚未完善；混合動(dòng)力受限于排放及技術(shù)缺陷；燃料電池目前國(guó)內(nèi)還處于研究階段，且成本過(guò)于昂貴?；谝陨显?，衍生了一種增程式電動(dòng)車。

1 增程式電動(dòng)車

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

1.1 增程器

動(dòng)力輔助單元由一臺(tái)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及電機(jī)控制器組成，如圖1所示。由于此動(dòng)力輔助單元有給電動(dòng)車增加續(xù)航里程的能力，因此也稱這個(gè)動(dòng)力輔助單元稱為增程器[3]。增程器只用來(lái)發(fā)電，不參與汽車動(dòng)力輸出，因此它不受汽車工況的限制，發(fā)電時(shí)只需控制發(fā)動(dòng)機(jī)在特定的高效點(diǎn)工作，控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)效率的最大優(yōu)化。

圖1 增程式電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 375增程器的開發(fā)

2.1 開發(fā)背景

基于市場(chǎng)需求，專門為增程式電動(dòng)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(jī)、ISG發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jí)增程式電動(dòng)車的需求。

2.2 375增程器汽油機(jī)的開發(fā)

針對(duì)增程器的工作特點(diǎn)（空間緊湊、低噪聲、在中低轉(zhuǎn)速段工作），對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)做以下設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)應(yīng)用簡(jiǎn)易概念設(shè)計(jì)計(jì)算、CAE性能模擬、FEA有限元及CFD計(jì)算優(yōu)化等措施，確保發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)滿足表1所示目標(biāo)要求。

表1 設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)

2.3 375發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為對(duì)增程器發(fā)動(dòng)機(jī)概念及其設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)研究。如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)萬(wàn)有特性圖，發(fā)動(dòng)機(jī)的最小比油耗值也在設(shè)定范圍內(nèi)。經(jīng)臺(tái)架驗(yàn)證，該汽油機(jī)符合性能設(shè)計(jì)要求。

圖3 375汽油機(jī)外特性曲線

圖4 375汽油機(jī)萬(wàn)有特性

同時(shí)，通過(guò)耐久臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證確保發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)質(zhì)量（圖5所示）。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)混合工況標(biāo)準(zhǔn)耐久445h試驗(yàn)

通過(guò)設(shè)備測(cè)試，根據(jù)表2測(cè)試結(jié)果分析整機(jī)噪聲聲壓級(jí)水平基本符合設(shè)計(jì)要求。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲聲壓級(jí)測(cè)試

2.4 發(fā)電機(jī)的匹配

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

圖6 發(fā)電機(jī)發(fā)電效率曲線

發(fā)電機(jī)控制器使用大功率IGBT控制模塊；與發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)、電機(jī)控制器冷卻水路與驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水路共用，與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水路分開。

圖7 發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接圖

發(fā)電機(jī)性能要求指標(biāo)如下表3所示。

表3 發(fā)電機(jī)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(jī)：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)及ISG電機(jī)都處于停機(jī)模式；

（2）起動(dòng)：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)模式，ISG電機(jī)處于力矩控制模式；

（3）拖動(dòng)：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)模式，ISG電機(jī)處于轉(zhuǎn)速控制模式；

（4）怠速：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速模式，ISG電機(jī)處于停機(jī)模式；

（5）發(fā)電：此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于轉(zhuǎn)速控制模式，ISG電機(jī)處于發(fā)電模式。

當(dāng)增程式電動(dòng)車正常行駛，動(dòng)力電池電量充足時(shí)，完全采用動(dòng)力電池的電功率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；當(dāng)遇到高負(fù)荷工況時(shí)，電動(dòng)機(jī)需要功率高過(guò)動(dòng)力電池的最大輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一起發(fā)電，輸出電功率作為動(dòng)力電池的補(bǔ)充；當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)，行駛的電動(dòng)機(jī)所需電量由發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組成的增程器提供，車輛勻速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)所需電功率較小，剩余部分功率可通過(guò)發(fā)電機(jī)控制器分配給動(dòng)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(tái)架試驗(yàn)

進(jìn)行375增程器臺(tái)架連接，通過(guò)性能聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，評(píng)估375增程器性能是否滿足設(shè)計(jì)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(yàn)，該增程器經(jīng)濟(jì)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(jì)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）目前，電動(dòng)汽車的百公里耗電量約為15kWh～18 kWh.根據(jù)電動(dòng)汽車對(duì)電功率的需求，A級(jí)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(jī)的部分電功率損耗和發(fā)動(dòng)機(jī)附件的功率損耗，計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的輸出功率范圍（15～25）kW/（2750～4000）rpm.B級(jí)車要求更高，約為（22～32）kW/（2750～4000）rpm.

（2）設(shè)計(jì)的增程器經(jīng)濟(jì)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(jí)、B級(jí)增程式電動(dòng)車的動(dòng)力需求。

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

[1]王神寶．增程式電動(dòng)汽車[J]．汽車工程師.2012.

[2]陳清泉，孫逢春.Antoni Szumanowski.混合電動(dòng)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(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：人民交通出版社，2009.