375增程器的开发

陈浩平，牛彩云，李勇进

（1柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005；2广西科技大学职业技术教育学院，广西 柳州545006）

近年，为解决汽车排放和能源短缺，电动汽车逐渐兴起并逐步受到了广泛的肯定。市场上出现有纯电动汽车、混合动力电动汽车及燃料电池电动汽车等[1]。其中，纯电动汽车受限于续航里程较短充电设施尚未完善；混合动力受限于排放及技术缺陷；燃料电池目前国内还处于研究阶段，且成本过于昂贵。基于以上原因，衍生了一种增程式电动车。

1 增程式电动车

增程式电动车是在纯电动车的基础上，加装一个动力辅助单元。当蓄电池电荷低时动力辅助单元给予充电。与纯电动车相比，增加了电动车的续航里程；与传统混合动力汽车相比，增程式电动车摆脱了对发动机控制技术及自动变速器控制技术的依赖[2]。增程式电动车在驱动方式上仍为纯电驱动，不需要传统的变速器，只需连接减速器，驱动电机就可直接实现转速及扭矩的控制，驱动控制方式尽显。

1.1 增程器

动力辅助单元由一台传统发动机、发电机及电机控制器组成，如图1所示。由于此动力辅助单元有给电动车增加续航里程的能力，因此也称这个动力辅助单元称为增程器[3]。增程器只用来发电，不参与汽车动力输出，因此它不受汽车工况的限制，发电时只需控制发动机在特定的高效点工作，控制简单，实现了发动机效率的最大优化。

图1 增程式电动车动力系统结构简图

2 375增程器的开发

2.1 开发背景

基于市场需求，专门为增程式电动汽车开发一款新型增程器。该增程器由一款新开发的直列三缸汽油机、ISG发电机、发电机控制器以及集成增程器控制功能的ECU组成。最大功率设定为40 kW，可满足A～B级增程式电动车的需求。

2.2 375增程器汽油机的开发

针对增程器的工作特点（空间紧凑、低噪声、在中低转速段工作），对该发动机做以下设计，如图2所示。

图2 发动机系统设计

根据以上设计要求，发动机开发应用简易概念设计计算、CAE性能模拟、FEA有限元及CFD计算优化等措施，确保发动机设计满足表1所示目标要求。

表1 设定发动机性能指标

2.3 375发动机台架试验

为对增程器发动机概念及其设计进行验证，进行样机试验研究。如图3所示，发动机功率油耗曲线能达到表1的预先设定的功率目标值；图4为375汽油机万有特性图，发动机的最小比油耗值也在设定范围内。经台架验证，该汽油机符合性能设计要求。

图3 375汽油机外特性曲线

图4 375汽油机万有特性

同时，通过耐久台架试验进行验证确保发动机开发质量（图5所示）。

图5 发动机混合工况标准耐久445h试验

通过设备测试，根据表2测试结果分析整机噪声声压级水平基本符合设计要求。

表2 发动机噪声声压级测试

2.4 发电机的匹配

ISG发电机选择混合动力通用的带水冷的高压永磁同步电机，发电效率达到93.2%～95.3%，如图6所示。

图6 发电机发电效率曲线

发电机控制器使用大功率IGBT控制模块；与发动机连接为转子以飞轮方式直接安装于曲轴后端，定子直接安装在缸体后端如图7；发电机、电机控制器冷却水路与驱动电机冷却水路共用，与发动机冷却水路分开。

图7 发电机与发动机连接图

发电机性能要求指标如下表3所示。

表3 发电机性能要求指标

2.5 增程器控制策略

增程器工作模式为：

（1）停机：此时发动机及ISG电机都处于停机模式；

（2）起动：此时发动机处于起动模式，ISG电机处于力矩控制模式；

（3）拖动：此时发动机处于停机模式，ISG电机处于转速控制模式；

（4）怠速：此时发动机处于怠速模式，ISG电机处于停机模式；

（5）发电：此时发动机处于转速控制模式，ISG电机处于发电模式。

当增程式电动车正常行驶，动力电池电量充足时，完全采用动力电池的电功率驱动电动机；当遇到高负荷工况时，电动机需要功率高过动力电池的最大输出功率，发动机控制器发出信号启动发动机，经过发动机和发电机一起发电，输出电功率作为动力电池的补充；当动力电池电量不足时，行驶的电动机所需电量由发动机与发电机组成的增程器提供，车辆匀速行驶时，电动机所需电功率较小，剩余部分功率可通过发电机控制器分配给动力电池充电。图8为增程器控制策略流程图。

图8 增程器控制策略流程图

3 375增程器台架试验

进行375增程器台架连接，通过性能联调试验，评估375增程器性能是否满足设计要求。

图9 增程器性能联调

经增程器性能联调试验，该增程器经济功率为25/2750 kW/rpm，额定功率为35/3500 kW/rpm，峰值功率达到40/4000 kW/rpm，性能指标完全符合设计需求。

4 结束语

（1）目前，电动汽车的百公里耗电量约为15kWh～18 kWh.根据电动汽车对电功率的需求，A级车在水平路面以80 Km/h的速度行驶所需电功率约为12kW～13kW，加上发电机的部分电功率损耗和发动机附件的功率损耗，计算的发动机输出功率需求约为（15～18）kW，考虑高负荷、爬坡等复杂工况，定义发动机的输出功率范围（15～25）kW/（2750～4000）rpm.B级车要求更高，约为（22～32）kW/（2750～4000）rpm.

（2）设计的增程器经济功率为25/2750 kW/rpm，额定功率为35/3500 kW/rpm，峰值功率为40/4000 kW/rpm，能完全满足A级、B级增程式电动车的动力需求。

（3）该增程器空间尺寸，长×宽×高为513mm×454 mm×698 mm，结构紧凑，极具物理搭载优势，是一款性能优良，极具市场竞争力的增程器。

[1]王神宝．增程式电动汽车[J]．汽车工程师.2012.

[2]陈清泉，孙逢春.Antoni Szumanowski.混合电动车基础[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[3]李兴虎.混合动力汽车结构与原理[M].北京：人民交通出版社，2009.