張志華，陳 靜

（錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州 121013）

1 前言

增程式電動(dòng)車是一種配有地面充電和車載供電功能的純電驅(qū)動(dòng)汽車。在電池高能量密度技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)突破前 （價(jià)格、能量密度、充電時(shí)間等的綜合性能），增程式混動(dòng)汽車將是現(xiàn)階段汽車市場(chǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。特別是對(duì)于短途運(yùn)輸?shù)某鞘形锪鬈嚕瑑?yōu)勢(shì)將更加突出。將增程式系統(tǒng)與整車功率需求進(jìn)行優(yōu)化匹配，動(dòng)力電池只需配置1～2kWh，整車油耗就可達(dá)到第4階段的油耗標(biāo)準(zhǔn)。增程發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)作為一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)，為整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和蓄電池供電。發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)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(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)或停機(jī)，從而達(dá)到系統(tǒng)上的節(jié)油。如果不考慮新能源補(bǔ)貼及雙積分，則該方案為最佳降本方案。

相比純電動(dòng)汽車，增程式汽車解決了純電汽車的4大痛點(diǎn)：第1，充電憂慮，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；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(dān)憂，續(xù)航里程預(yù)估不準(zhǔn)；第3，成本憂慮，電池成本占比，純電動(dòng)車保值率低，跟換電池成本過(guò)高；第4，安全憂慮，電池容量大，電池能量密度大，大容量電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。

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(dòng)車的基礎(chǔ)上，增加一臺(tái)增程器。增程器由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī) （發(fā)動(dòng)機(jī)）和高功率發(fā)電機(jī)組成。串聯(lián)增程式系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過(guò)GCU對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行整流控制，將發(fā)電機(jī)的交流電轉(zhuǎn)換成直流電傳輸給純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和車輛的動(dòng)力電池。這種串聯(lián)能量傳遞方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械解耦，減少了機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)的架構(gòu)稱之為串聯(lián)式混動(dòng)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(guò)民用電為動(dòng)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(dòng)電機(jī)控制器MCU、增程器發(fā)電機(jī)逆變器GCU和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU。當(dāng)然，VCU、MCU、ECU和GCU可以通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互式的信息通信。通過(guò)VCU協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU與發(fā)電機(jī)GCU工作，將電能傳遞給純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。普通燃油車在很多工況下運(yùn)行效率都低，比如市區(qū)走走停停的路況，不論內(nèi)燃機(jī)的理論熱效率有多高，它在這種情況下的效率也會(huì)大打折扣，無(wú)法工作在高效區(qū)間，這就是燃油車日常開起來(lái)很費(fèi)油的根本原因。增程式電動(dòng)車的內(nèi)燃機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪，跟行駛工況沒(méi)有太大關(guān)系，以盡可能高的效率去發(fā)電，發(fā)出來(lái)的電直接給到電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，有多余的電能還會(huì)充進(jìn)電池保存起來(lái)，不會(huì)有浪費(fèi)。在急加速時(shí)，電池與增程器同時(shí)給電動(dòng)機(jī)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(shí)，車輛所需功率很小，增程器不僅可以獨(dú)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(fèi)的電量補(bǔ)回來(lái)。電池負(fù)責(zé)提供爆發(fā)力，而增程器負(fù)責(zé)提供勻速行駛時(shí)的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)力，并將電池電量保持在健康的水平。從整體來(lái)看，在多數(shù)工況下效率都會(huì)更高，更省油。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車工作油耗區(qū)與增程器工作油耗區(qū)間對(duì)比如圖2所示，在NEDC工況下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn) （黃色點(diǎn)）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?yàn)榧t色點(diǎn)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(jī)的工作點(diǎn) （黃色點(diǎn)）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(diǎn)區(qū)間內(nèi) （A-B-C-DE），油耗區(qū)間為240-260。通過(guò)如上比較，增程器確實(shí)可以發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的更高的潛力，充分利用低油耗區(qū)，達(dá)到降低油耗的目的。

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

3 增程器發(fā)電機(jī)參數(shù)的選定

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)增程器系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)呢？以1.5噸車汽油商用車為例，介紹如何匹配滿足油耗標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及增程器發(fā)電機(jī)。由于第3階段油耗限制是8.3L，采用增程器+純電驅(qū)動(dòng)電機(jī)這種動(dòng)力方案，如果我們預(yù)期百公里油耗是4.9L。可以推斷出這樣幾組數(shù)據(jù)以備選擇，發(fā)動(dòng)機(jī)與純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型方案如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)與純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型方案

例如，當(dāng)整車采用純電驅(qū)動(dòng)百公里耗電量為11kWh時(shí)，帶有增程器發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上，要有324.9g／kWh，這個(gè)數(shù)據(jù)表面，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均油耗可以做得很高，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有任何挑戰(zhàn)。反而對(duì)純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求很高，這不但是技術(shù)上的挑戰(zhàn)而且成本會(huì)很大。當(dāng)然如果選擇純電百公里電耗較高的，換句話說(shuō)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率偏低。發(fā)動(dòng)機(jī)選型時(shí)，就要求發(fā)動(dòng)機(jī)平均油耗更低，導(dǎo)致沒(méi)有可直接用的發(fā)動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)，再選擇對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗區(qū)間工作落點(diǎn)分析與發(fā)電機(jī)性能匹配

圖3 東安動(dòng)力1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP與增程器工作區(qū)間

以東安動(dòng)力1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。東安動(dòng)力1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)線以內(nèi)的部分）。在A-B以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為7～15kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1000～1650r／min，油耗可控制在250g／kWh以內(nèi)，此時(shí)可配置增程器發(fā)電機(jī)功率為6～13kW；在B-C以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為15～25kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1650～2400r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時(shí)可配置增程器發(fā)電機(jī)功率為13～22kW；在C-D以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為25～28kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2400～2800r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時(shí)可配置增程器發(fā)電機(jī)功率為22～25kW；在D-E以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為28～36kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2800～3400r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時(shí)可配置增程器發(fā)電機(jī)功率為25～33kW；在E-F以內(nèi)區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為36～48kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3400～3900r／min，油耗可控制在240g／kWh以內(nèi)，此時(shí)可配置增程器發(fā)電機(jī)功率為33～43kW。針對(duì)整車平均負(fù)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(fù)荷需求；E-F區(qū)域適合最高車速的負(fù)載需求。

3.3 增程器發(fā)電機(jī)高效區(qū)需求分析

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

圖4 發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖分析

表2 增程器發(fā)電機(jī)參數(shù)

4 增程器發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)

4.1 增程器發(fā)電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)

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

2）應(yīng)用Maxwell 2D軟件，對(duì)該電機(jī)電磁參數(shù)進(jìn)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(jìn)行仿真計(jì)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(jì)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(jī)仿真輸出外特性

圖8 電機(jī)效率map圖

3）通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子硅鋼片的參數(shù)化仿真分析，對(duì)轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)優(yōu)化，改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，能夠提升電機(jī)的NVH性能。電機(jī)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(jì)成非均勻氣隙，提高反電動(dòng)勢(shì)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(jī)噪聲。

4）轉(zhuǎn)子磁鋼的渦流損耗仿真分析。通過(guò)對(duì)磁鋼渦流損耗的計(jì)算，將磁鋼進(jìn)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(jì)算不同磁鋼段數(shù)對(duì)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(dāng)磁極由1塊到6塊時(shí)，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(guò)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(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

增程器發(fā)電機(jī)安裝空間多數(shù)受限于發(fā)動(dòng)機(jī)軸向空間，采用集中繞組設(shè)計(jì)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(jì)上，也要充分考慮電機(jī)的軸向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因電機(jī)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(jī)組件如圖11所示，由前蓋、轉(zhuǎn)子、定子、水套機(jī)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(jī)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(dá)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(guò)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(shí)，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(guò)控制器設(shè)計(jì)溫度限制以保護(hù)定子總成繞組不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而損壞。

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

定子總成外套一個(gè)鋼套，鋼套與水冷機(jī)殼夾出一個(gè)水道，水道兩側(cè)用O型圈進(jìn)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(cè)試，檢測(cè)樣品密封性能。

4.3 增程器發(fā)電機(jī)CAE仿真分析驗(yàn)證

電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮裝配工藝方面的要求，例如將定子總成裝入機(jī)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(duì)加熱的零部件進(jìn)行熱膨脹CAE計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定最后的配合公差。圖12、13分別是機(jī)殼水套熱分析以及轉(zhuǎn)子硅鋼片套的熱分析，通過(guò)分析可以計(jì)算出該零部件內(nèi)壁的擴(kuò)張量。還要對(duì)結(jié)構(gòu)件做強(qiáng)度分析，在此不加贅述。

4.3.1 水套機(jī)殼熱裝分析

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

圖12 機(jī)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(jī)殼加熱到150℃后，內(nèi)徑單邊擴(kuò)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(kuò)大了0.14mm。

5 增程器發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)標(biāo)定與測(cè)試

5.1 增程器發(fā)電機(jī)試驗(yàn)準(zhǔn)備

電機(jī)臺(tái)架測(cè)試是驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)非常重要的環(huán)節(jié)，選擇合適的試驗(yàn)平臺(tái)很重要。本次試驗(yàn)應(yīng)用AVL電機(jī)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)。

1）電源電壓范圍0～900V，雙向電源，可輸出也可回收。

2）測(cè)功機(jī)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(cè)試性能與數(shù)據(jù)

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

圖14 電機(jī)外特性曲線

圖15 電機(jī)效率map圖

6 結(jié)語(yǔ)

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

1）通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車系統(tǒng)需求分析，確立了增程器發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

2）采用maxwell-2D軟件進(jìn)行了性能仿真分析，對(duì)定子、轉(zhuǎn)子磁極、磁鋼等做了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，在保證電機(jī)性能的前提下降低電機(jī)損耗，并通過(guò)物理臺(tái)架試驗(yàn)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真進(jìn)行了閉環(huán)驗(yàn)證，電機(jī)仿真性能誤差控制在10%以內(nèi)。

3）采用ansys軟件對(duì)結(jié)構(gòu)件做了熱膨脹分析，保證了樣機(jī)裝配一次通過(guò)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)冷卻水道密封完好，無(wú)任何滲水現(xiàn)象。