375增程器的開發

陳浩平，牛彩云，李勇進

（1柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005；2廣西科技大學職業技術教育學院，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航里程較短充電設施尚未完善；混合動力受限于排放及技術缺陷；燃料電池目前國內還處于研究階段，且成本過于昂貴。基于以上原因，衍生了一種增程式電動車。

1 增程式電動車

增程式電動車是在純電動車的基礎上，加裝一個動力輔助單元。當蓄電池電荷低時動力輔助單元給予充電。與純電動車相比，增加了電動車的續航里程；與傳統混合動力汽車相比，增程式電動車擺脫了對發動機控制技術及自動變速器控制技術的依賴[2]。增程式電動車在驅動方式上仍為純電驅動，不需要傳統的變速器，只需連接減速器，驅動電機就可直接實現轉速及扭矩的控制，驅動控制方式盡顯。

1.1 增程器

動力輔助單元由一臺傳統發動機、發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]。增程器只用來發電，不參與汽車動力輸出，因此它不受汽車工況的限制，發電時只需控制發動機在特定的高效點工作，控制簡單，實現了發動機效率的最大優化。

圖1 增程式電動車動力系統結構簡圖

2 375增程器的開發

2.1 開發背景

基于市場需求，專門為增程式電動汽車開發一款新型增程器。該增程器由一款新開發的直列三缸汽油機、ISG發電機、發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

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

圖2 發動機系統設計

根據以上設計要求，發動機開發應用簡易概念設計計算、CAE性能模擬、FEA有限元及CFD計算優化等措施，確保發動機設計滿足表1所示目標要求。

表1 設定發動機性能指標

2.3 375發動機臺架試驗

為對增程器發動機概念及其設計進行驗證，進行樣機試驗研究。如圖3所示，發動機功率油耗曲線能達到表1的預先設定的功率目標值；圖4為375汽油機萬有特性圖，發動機的最小比油耗值也在設定范圍內。經臺架驗證，該汽油機符合性能設計要求。

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行驗證確保發動機開發質量（圖5所示）。

圖5 發動機混合工況標準耐久445h試驗

通過設備測試，根據表2測試結果分析整機噪聲聲壓級水平基本符合設計要求。

表2 發動機噪聲聲壓級測試

2.4 發電機的匹配

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

圖6 發電機發電效率曲線

發電機控制器使用大功率IGBT控制模塊；與發動機連接為轉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；發電機、電機控制器冷卻水路與驅動電機冷卻水路共用，與發動機冷卻水路分開。

圖7 發電機與發動機連接圖

發電機性能要求指標如下表3所示。

表3 發電機性能要求指標

2.5 增程器控制策略

增程器工作模式為：

（1）停機：此時發動機及ISG電機都處于停機模式；

（2）起動：此時發動機處于起動模式，ISG電機處于力矩控制模式；

（3）拖動：此時發動機處于停機模式，ISG電機處于轉速控制模式；

（4）怠速：此時發動機處于怠速模式，ISG電機處于停機模式；

（5）發電：此時發動機處于轉速控制模式，ISG電機處于發電模式。

當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動電動機；當遇到高負荷工況時，電動機需要功率高過動力電池的最大輸出功率，發動機控制器發出信號啟動發動機，經過發動機和發電機一起發電，輸出電功率作為動力電池的補充；當動力電池電量不足時，行駛的電動機所需電量由發動機與發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

進行375增程器臺架連接，通過性能聯調試驗，評估375增程器性能是否滿足設計要求。

圖9 增程器性能聯調

經增程器性能聯調試驗，該增程器經濟功率為25/2750 kW/rpm，額定功率為35/3500 kW/rpm，峰值功率達到40/4000 kW/rpm，性能指標完全符合設計需求。

4 結束語

（1）目前，電動汽車的百公里耗電量約為15kWh～18 kWh.根據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，加上發電機的部分電功率損耗和發動機附件的功率損耗，計算的發動機輸出功率需求約為（15～18）kW，考慮高負荷、爬坡等復雜工況，定義發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）設計的增程器經濟功率為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，結構緊湊，極具物理搭載優勢，是一款性能優良，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[M].北京：北京理工大學出版社，2001.

[3]李興虎.混合動力汽車結構與原理[M].北京：人民交通出版社，2009.