浅谈增程式动力系统结构及工作原理

0 引言

伴随着日趋严重的环境问题及不可再生资源的枯 竭，电动汽车由于其所具有的零排放、低能耗、低噪音 等特点成为最有潜力的新能源汽车。但现阶段纯电动汽 车面临续驶里程短、电池成本高、充电时间长等痛点， 还无法完全满足用户的需求［1］。而增程式电动汽车作为 过渡车型，可以在燃油汽车燃料消耗和纯电动汽车续驶 里程短的问题上做到较好的平衡，同时可以减小电池电 量解决纯电动汽车电池成本高、充电时间长的问题。增 程式电动汽车不同于燃油汽车，其发动机可根据整车需 求始终工作在最高效率点［2］，使发动机的燃油经济性达 到最高。而驱动部分与纯电动汽车的电驱动系统相同， 保持着电驱动系统的高效特性。作为增程式电动汽车动 力系统的另一个重要组成部分，发电系统的能效转化率 对整车的整体能耗水平就显得尤为重要。 本文基于某款增程式电动汽车，结合发动机、发电 机的工作特性，对其发电系统进行能耗分析，发现发动 机高效工作点的转速与发电机高效工作点的转速存在不匹配问题，通过在发动机和发电机之间增加变速系统， 设计合适的速比，使发动机和发电机均工作在高效区 域，解决转速点不匹配问题，可有效提升发电系统的运 行效率，从而进一步降低整车的能耗水平，提升续驶里 程，具有较高的应用价值。

1 增程式动力系统结构及工作原理

增程式电动汽车的动力系统主要由增程器系统、动 力电池、驱动系统等组成［3］，其结构框图如图1所示。 增程器系统主要包括发动机、发电机、GCU（发电机控 制器总成，Generator Controller Unit，简称GCU），增 程器启动时，由动力电池给GCU供电，驱动发电机来 启动发动机，发动机启动后增程器转入发电模式，给驱 动系统供电或者对动力电池进行充电。驱动系统主要包 括减速器、驱动电机、MCU（电机控制器总成，Motor Controller Unit，简称MCU），驱动系统接收增程器或 者动力电池的能量来驱动车辆前进或者后退，同时在车 辆制动时发电并充入到动力电池中。

增程式电动汽车一般分为纯电模式和增程模式 两种驾驶模式［4］，动力电池SOC（荷电状态，State of Charge，简称SOC），值较高时采用纯电模式，相当于 纯电动汽车。当SOC值低于设定的下限值时，增程器启 动，发电机将发动机产生的能量转化为电能供应给驱动 电机，并将多余的电能储存在电池中，给动力电池充 电。另外当整车急加速等工况需求较大的功率，而动力 电池或增程器单独工作均无法满足需求时，由动力电池 和增程器共同为驱动电机供电，以满足整车性能需求。

2 增程发电系统能耗分析

2.1 发动机能耗分析

本文基于某款增程式电动汽车进行分析，其增程器搭 载的是一款四缸1.5 L自然吸气发动机，增程器设计峰值功 率50 kW，最大扭矩130 N·m，最高转速4500 r·min-1。 在增程模式下，为了保证发动机始终工作在最高效率 点，根据发动机的万有特性曲线及整车的功率需求，确 定发动机的工作点如图2所示，五个工作点分别对应10 kW、20 kW、30 kW、40 kW、50 kW五个输出功率，对 应的发动机转速、转矩、燃油消耗率见表1，平均燃油 消耗率为252 g/kW·h，处于发动机的高效区。

2.2 发电机能耗分析

根据整车性能需求，其需要保证增程器在40 kW工 况下持续工作，发电机匹配一款额定功率为40 kW的永 磁同步电机，发电机的性能参数见表2。根据增程器发 动机的工作点及发电机的效率MAP图，匹配的发电机 工作点如图3所示，发电机五个工作点的效率见表3，其 平均效率为87.4%。因发动机的高效区主要集中在中低 转速2000 r·min-1~4000 r·min-1之间，而发电机的高 效区主要集中在高转速4000 r·min-1~9000 r·min-1区 域，导致发电机与发动机的工作点不匹配，发电机的高 效区无法利用，增程器的系统效率偏低。

2.3 发电系统能耗优化分析

针对增程器发动机与发电机高效工作点不匹配问 题，在发动机和发电机之间增加变速系统，根据发动 机和发电机各自的高效率区对应的转速区间，设计合 适的速比，使发动机和发电机均工作在高效区域。本 文对原增程器系统发动机和发电机之间增加一个速比 为2的变速箱，对发动机转速进行放大，将发电机工 作的转速区间由2000 r·min-1~4000 r·min-1放大到 3000 r·min-1~8000 r·min-1。优化后的发电机工作点 分布图见图4，发电机工作点效率见表4，其平均效率为 90.8%。

3 结论

本文对某款增程式电动汽车发电系统的能耗分析发 现，发动机高效率区转速低，发电机高效率区转速高， 两者存在不匹配问题，通过在发动机和发电机之间增加 速比为2的变速系统，放大发动机转速，使发电机工作 在高效率区，优化前后发电机各个工作点的效率对比如 图5所示，增加变速系统后，发电机五个工作点的效率 均有较大提升，特别是在低功率区间效率提升明显，单 工作点最大效率提升4.8%，平均效率提升3.4%。

通过对增程式电动汽车发动机和发电机之间增加变 速系统，解决了发动机和发电机高效工作点转速不匹配 问题，有效的提升了发电机系统效率，从而进一步降低 了增程式电动汽车的能耗水平，提升续驶里程，具有较 高的应用价值。

参考文献：

［1］ 刘青，贝绍轶，汪伟，等。 增程式电动汽车动力系统参数匹配仿真 与分析［J］。 现代制造工程， 2017（11）：76-80.

［2］ 洪木南，周安健，苏岭，等。 增程式混合动力汽车的分段式能量管 理策略研究［J］。 汽车工程学报， 2019，9（2）：104-108.

［3］ 聂立新，刘同乐，刘涛，等。 增程式电动汽车动力参数选择及控制 策略研究［J］。 客车技术与研究， 2019，（1）：16-18.

［4］ 张民安，储江伟。 采用恒功率控制策略的增程式汽车动力系统匹 配［J］。 重庆理工大学学报， 2019，33（3）：73-79.