增程器選型的分析研究

肖海云，虞衛(wèi)飛，胡俊勇

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

國(guó)家政策的激勵(lì)引導(dǎo)汽車行業(yè)向新能源發(fā)展，未來(lái)會(huì)有更多城市限制營(yíng)運(yùn)類載貨燃油汽車進(jìn)城，傳統(tǒng)燃油載貨汽車的市場(chǎng)將越來(lái)越小，反之新能源載貨汽車如增程式混動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車市場(chǎng)將越來(lái)越大。增程式混動(dòng)汽車可利用夜間谷價(jià)電充電，純電行駛費(fèi)用更低，電量用完后可以切入混動(dòng)行駛，使用成本低，還可以解決純電動(dòng)車客戶的里程焦慮、充電焦慮和低溫焦慮，且車輛安全、可靠。

本文以某輕型商用車為樣車，借助MATLABSimulink仿真平臺(tái)開(kāi)展對(duì)增程器選型的分析研究。

1 增程技術(shù)

增程式混合動(dòng)力汽車（REEV）是在純電動(dòng)車（EV）的基礎(chǔ)上，增加一臺(tái)增程器，提高續(xù)航里程，而增程器是將發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)耦合，并與車輪解耦，利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)現(xiàn)節(jié)油。增程式混合動(dòng)力汽車一般先以純電模式運(yùn)行，在電池電量過(guò)低的情況下啟動(dòng)增程器， 以提升整車的續(xù)駛里程[1]，增程器通常由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間無(wú)直接連接。

增程系統(tǒng)的匹配主要需要考慮增程器功率及效率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率以及電池的充放電效率。設(shè)定PEng為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，PAPU為增程器輸出的電功率，PEM為驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率，PV為車輛運(yùn)行需求功率，PB為電池組充放電功率，充電為負(fù)，放電為正，圖1為增程系統(tǒng)方案。

圖1 增程系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)根據(jù)車輛的功率需求PV，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩（T）及轉(zhuǎn)速（n）。

（2）在電池有一定的電量?jī)?chǔ)備時(shí)，控制增程器輸出功率盡量跟隨整車需求功率（PAPU=PEM），減少電池充放電的損失。

（3）增程器發(fā)動(dòng)機(jī)需具備較寬域的低油耗區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)的低油耗區(qū)功率落點(diǎn)最好覆蓋1 800 rpm～2 500 rpm，同時(shí)該區(qū)域的輸出功率必須滿足車輛速度20 km/h～80 km/h時(shí)，車輛的功率需求。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 rpm～3 800 rpm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率需滿足車輛最高車速的功率需求。

2 增程器的選型分析

2.1 增程器匹配原則

增程器匹配的關(guān)鍵特點(diǎn)如下：

（1）提高發(fā)電機(jī)組的燃油效率。

1）控制發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在低油耗區(qū)內(nèi)；

2）發(fā)電機(jī)通過(guò)逆變器能快速穩(wěn)定工況的特點(diǎn)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作為最佳點(diǎn)火角；

3）發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化匹配，發(fā)電機(jī)高效區(qū)與發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)的盡量重合，提高系統(tǒng)的燃油效率；

4）盡可能實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率與整車驅(qū)動(dòng)需求功率的跟隨；

5）在純油模式下，電池的主要作用是能量回收（制動(dòng)及減速滑行）、功率的增補(bǔ)（加速及爬坡），進(jìn)行能量的緩沖（削峰填谷）；

6）電池的充電—放電循環(huán)，將損耗8%~10%（電池充電、放電效率在95%左右），故盡量減少電池的充放電。

（2）降低系統(tǒng)噪聲：優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩。

2.2 仿真分析

本文選用的樣車為一款4.5T以下的輕型商用車，利用MATLABSimulink平臺(tái)建立此增程式混合動(dòng)力汽車的仿真模型，整車模型分為駕駛員、控制器、被控對(duì)象三大部分。駕駛員模塊主要包括循環(huán)工況和駕駛員需求（油門開(kāi)度和剎車深度）；控制器主要包括混動(dòng)控制策略（功率跟隨、能量回收、起停等）；被控對(duì)象模塊主要為車輛的動(dòng)力系統(tǒng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)[2]。

基于增程器匹配原則和車輛功率需求，結(jié)合行業(yè)現(xiàn)有成熟電機(jī)方案，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)匹配選型，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)成本，增程器選用一款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)直連，最終確定的發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

基于選定的增程器，利用仿真模型模擬分析車輛在C- WTVC工況下的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定SOC初始值為0.45，即車輛進(jìn)入增程模式的SOC閾值。首先車輛由驅(qū)動(dòng)電機(jī)直驅(qū)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，在中低速區(qū)域，發(fā)電功率基本跟隨車輛的驅(qū)動(dòng)需求功率，電池SOC處于平穩(wěn)狀態(tài)。電池電流根據(jù)充放電狀態(tài)實(shí)時(shí)變化，當(dāng)車輛處于中高速區(qū)域時(shí)，發(fā)電功率不能滿足車輛的實(shí)際功率需求，動(dòng)力電池進(jìn)行放電，SOC持續(xù)下降。

車速跟隨仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，實(shí)際車速能夠跟隨工況目標(biāo)車速，偏差均在5 km/h以內(nèi)，在急加速的工作點(diǎn)，實(shí)際車速與工況目標(biāo)車速偏差最大，可以后期通過(guò)優(yōu)化控制策略和標(biāo)定來(lái)保證車速跟隨性。

圖2 車速跟隨圖

圖3為電池SOC隨車速變化的趨勢(shì)圖。從圖3可以看出，在C-WTVC工況的中低速區(qū)域，車輛的需求功率較小，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，保持發(fā)電功率基本跟隨車輛的驅(qū)動(dòng)功率需求。此時(shí)電池的SOC維持在一定范圍內(nèi)，當(dāng)車輛運(yùn)行到中高速區(qū)域，車輛的需求功率較大，增程器的發(fā)電功率不能完全滿足車輛的驅(qū)動(dòng)功率需求，這時(shí)電池就需要放電，SOC隨之降低。

圖3 SOC隨車速變化趨勢(shì)

圖4為電池的工作狀態(tài)圖，主要是SOC和電池電流的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出，電池電流有正有負(fù)，此文定義電池放電電流為正，電池充電電流為負(fù)。在車輛減速時(shí)，車輛進(jìn)入能量回收階段，給電池充電，在部分急加速工況，發(fā)電功率不能滿足車輛的驅(qū)動(dòng)需求功率，電池也會(huì)放電，基本上電池充放電達(dá)到一定平衡。故在中低速區(qū)域，SOC保持在一定范圍內(nèi)，主要是發(fā)電功率基本跟隨車輛的驅(qū)動(dòng)需求功率。而在中高速區(qū)域，因?yàn)橐ＷC發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)，增程器的發(fā)電功率有限，此時(shí)就需要電池同時(shí)放電，故在中高速區(qū)域，車輛加速時(shí)電池電流一直為正，SOC持續(xù)降低。

圖4 電池狀態(tài)圖

圖5為C-WTVC工況中高速區(qū)域各動(dòng)力源功率與車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖5中可以看出，在中高速區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都在工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率基本維持在一定范圍內(nèi)，保證了高速工況的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率大于增程器的輸出功率，電池放電進(jìn)行功率補(bǔ)償，滿足車輛的驅(qū)動(dòng)功率需求。

圖5 動(dòng)力源功率與車速關(guān)系圖

經(jīng)仿真計(jì)算，車輛百公里油耗為13.82 L，匹配同款汽油機(jī)的傳統(tǒng)車的百公里油耗為18.2 L，節(jié)油率為24%。

3 總結(jié)

本文理論分析增程系統(tǒng)工作原理和增程器的匹配原則，基于某款車，選擇匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，利用仿真平臺(tái)分析増程式混合動(dòng)力汽車的性能，節(jié)油效果顯著，此文可對(duì)后續(xù)各類車型增程器的匹配分析提供參考依據(jù)。