增程器选型的分析研究

肖海云，虞卫飞，胡俊勇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

国家政策的激励引导汽车行业向新能源发展，未来会有更多城市限制营运类载货燃油汽车进城，传统燃油载货汽车的市场将越来越小，反之新能源载货汽车如增程式混动汽车、纯电动汽车市场将越来越大。增程式混动汽车可利用夜间谷价电充电，纯电行驶费用更低，电量用完后可以切入混动行驶，使用成本低，还可以解决纯电动车客户的里程焦虑、充电焦虑和低温焦虑，且车辆安全、可靠。

本文以某轻型商用车为样车，借助MATLABSimulink仿真平台开展对增程器选型的分析研究。

1 增程技术

增程式混合动力汽车（REEV）是在纯电动车（EV）的基础上，增加一台增程器，提高续航里程，而增程器是将发动机和发电机耦合，并与车轮解耦，利用发动机运行在经济区实现节油。增程式混合动力汽车一般先以纯电模式运行，在电池电量过低的情况下启动增程器， 以提升整车的续驶里程[1]，增程器通常由发动机和发电机组成，与驱动系统之间无直接连接。

增程系统的匹配主要需要考虑增程器功率及效率、驱动电机效率以及电池的充放电效率。设定PEng为发动机输出功率，PAPU为增程器输出的电功率，PEM为驱动电机需求功率，PV为车辆运行需求功率，PB为电池组充放电功率，充电为负，放电为正，图1为增程系统方案。

图1 增程系统方案

（1）系统根据车辆的功率需求PV，控制发动机的扭矩（T）及转速（n）。

（2）在电池有一定的电量储备时，控制增程器输出功率尽量跟随整车需求功率（PAPU=PEM），减少电池充放电的损失。

（3）增程器发动机需具备较宽域的低油耗区，发动机的低油耗区功率落点最好覆盖1 800 rpm～2 500 rpm，同时该区域的输出功率必须满足车辆速度20 km/h～80 km/h时，车辆的功率需求。

（4）发动机转速在3 000 rpm～3 800 rpm时，发动机输出功率需满足车辆最高车速的功率需求。

2 增程器的选型分析

2.1 增程器匹配原则

增程器匹配的关键特点如下：

（1）提高发电机组的燃油效率。

1）控制发动机始终工作在低油耗区内；

2）发电机通过逆变器能快速稳定工况的特点，保证发动机始终工作为最佳点火角；

3）发电机与发动机的优化匹配，发电机高效区与发动机高效区的尽量重合，提高系统的燃油效率；

4）尽可能实现发电功率与整车驱动需求功率的跟随；

5）在纯油模式下，电池的主要作用是能量回收（制动及减速滑行）、功率的增补（加速及爬坡），进行能量的缓冲（削峰填谷）；

6）电池的充电—放电循环，将损耗8%~10%（电池充电、放电效率在95%左右），故尽量减少电池的充放电。

（2）降低系统噪声：优化发动机的工作点，尽量降低发动机转速及扭矩。

2.2 仿真分析

本文选用的样车为一款4.5T以下的轻型商用车，利用MATLABSimulink平台建立此增程式混合动力汽车的仿真模型，整车模型分为驾驶员、控制器、被控对象三大部分。驾驶员模块主要包括循环工况和驾驶员需求（油门开度和刹车深度）；控制器主要包括混动控制策略（功率跟随、能量回收、起停等）；被控对象模块主要为车辆的动力系统，即发动机、动力电池、发电机和驱动电机[2]。

基于增程器匹配原则和车辆功率需求，结合行业现有成熟电机方案，进行发动机和电机匹配选型，考虑到发动机成本，增程器选用一款汽油发动机，发动机和发电机直连，最终确定的发电机参数如表1所示。

表1 发电机参数

基于选定的增程器，利用仿真模型模拟分析车辆在C- WTVC工况下的运行状态，设定SOC初始值为0.45，即车辆进入增程模式的SOC阈值。首先车辆由驱动电机直驱，发电机启动发动机，随后发动机带动发电机进行发电，在中低速区域，发电功率基本跟随车辆的驱动需求功率，电池SOC处于平稳状态。电池电流根据充放电状态实时变化，当车辆处于中高速区域时，发电功率不能满足车辆的实际功率需求，动力电池进行放电，SOC持续下降。

车速跟随仿真结果如图2所示。从图2可以看出，实际车速能够跟随工况目标车速，偏差均在5 km/h以内，在急加速的工作点，实际车速与工况目标车速偏差最大，可以后期通过优化控制策略和标定来保证车速跟随性。

图2 车速跟随图

图3为电池SOC随车速变化的趋势图。从图3可以看出，在C-WTVC工况的中低速区域，车辆的需求功率较小，发动机带动发电机发电，保持发电功率基本跟随车辆的驱动功率需求。此时电池的SOC维持在一定范围内，当车辆运行到中高速区域，车辆的需求功率较大，增程器的发电功率不能完全满足车辆的驱动功率需求，这时电池就需要放电，SOC随之降低。

图3 SOC随车速变化趋势

图4为电池的工作状态图，主要是SOC和电池电流的变化趋势。从图4可以看出，电池电流有正有负，此文定义电池放电电流为正，电池充电电流为负。在车辆减速时，车辆进入能量回收阶段，给电池充电，在部分急加速工况，发电功率不能满足车辆的驱动需求功率，电池也会放电，基本上电池充放电达到一定平衡。故在中低速区域，SOC保持在一定范围内，主要是发电功率基本跟随车辆的驱动需求功率。而在中高速区域，因为要保证发动机运行在经济区，增程器的发电功率有限，此时就需要电池同时放电，故在中高速区域，车辆加速时电池电流一直为正，SOC持续降低。

图4 电池状态图

图5为C-WTVC工况中高速区域各动力源功率与车速的对应关系。从图5中可以看出，在中高速区域，发动机、电池和驱动电机都在工作，发动机的输出功率基本维持在一定范围内，保证了高速工况的发动机噪声，驱动电机的功率大于增程器的输出功率，电池放电进行功率补偿，满足车辆的驱动功率需求。

图5 动力源功率与车速关系图

经仿真计算，车辆百公里油耗为13.82 L，匹配同款汽油机的传统车的百公里油耗为18.2 L，节油率为24%。

3 总结

本文理论分析增程系统工作原理和增程器的匹配原则，基于某款车，选择匹配的发动机和发电机，利用仿真平台分析増程式混合动力汽车的性能，节油效果显著，此文可对后续各类车型增程器的匹配分析提供参考依据。