增程器選型的分析研究

肖海云，虞衛飛，胡俊勇

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

國家政策的激勵引導汽車行業向新能源發展，未來會有更多城市限制營運類載貨燃油汽車進城，傳統燃油載貨汽車的市場將越來越小，反之新能源載貨汽車如增程式混動汽車、純電動汽車市場將越來越大。增程式混動汽車可利用夜間谷價電充電，純電行駛費用更低，電量用完后可以切入混動行駛，使用成本低，還可以解決純電動車客戶的里程焦慮、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仿真平臺開展對增程器選型的分析研究。

1 增程技術

增程式混合動力汽車（REEV）是在純電動車（EV）的基礎上，增加一臺增程器，提高續航里程，而增程器是將發動機和發電機耦合，并與車輪解耦，利用發動機運行在經濟區實現節油。增程式混合動力汽車一般先以純電模式運行，在電池電量過低的情況下啟動增程器， 以提升整車的續駛里程[1]，增程器通常由發動機和發電機組成，與驅動系統之間無直接連接。

增程系統的匹配主要需要考慮增程器功率及效率、驅動電機效率以及電池的充放電效率。設定PEng為發動機輸出功率，PAPU為增程器輸出的電功率，PEM為驅動電機需求功率，PV為車輛運行需求功率，PB為電池組充放電功率，充電為負，放電為正，圖1為增程系統方案。

圖1 增程系統方案

（1）系統根據車輛的功率需求PV，控制發動機的扭矩（T）及轉速（n）。

（2）在電池有一定的電量儲備時，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）增程器發動機需具備較寬域的低油耗區，發動機的低油耗區功率落點最好覆蓋1 800 rpm～2 500 rpm，同時該區域的輸出功率必須滿足車輛速度20 km/h～80 km/h時，車輛的功率需求。

（4）發動機轉速在3 000 rpm～3 800 rpm時，發動機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

增程器匹配的關鍵特點如下：

（1）提高發電機組的燃油效率。

1）控制發動機始終工作在低油耗區內；

2）發電機通過逆變器能快速穩定工況的特點，保證發動機始終工作為最佳點火角；

3）發電機與發動機的優化匹配，發電機高效區與發動機高效區的盡量重合，提高系統的燃油效率；

4）盡可能實現發電功率與整車驅動需求功率的跟隨；

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

6）電池的充電—放電循環，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）降低系統噪聲：優化發動機的工作點，盡量降低發動機轉速及扭矩。

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平臺建立此增程式混合動力汽車的仿真模型，整車模型分為駕駛員、控制器、被控對象三大部分。駕駛員模塊主要包括循環工況和駕駛員需求（油門開度和剎車深度）；控制器主要包括混動控制策略（功率跟隨、能量回收、起停等）；被控對象模塊主要為車輛的動力系統，即發動機、動力電池、發電機和驅動電機[2]。

基于增程器匹配原則和車輛功率需求，結合行業現有成熟電機方案，進行發動機和電機匹配選型，考慮到發動機成本，增程器選用一款汽油發動機，發動機和發電機直連，最終確定的發電機參數如表1所示。

表1 發電機參數

基于選定的增程器，利用仿真模型模擬分析車輛在C- WTVC工況下的運行狀態，設定SOC初始值為0.45，即車輛進入增程模式的SOC閾值。首先車輛由驅動電機直驅，發電機啟動發動機，隨后發動機帶動發電機進行發電，在中低速區域，發電功率基本跟隨車輛的驅動需求功率，電池SOC處于平穩狀態。電池電流根據充放電狀態實時變化，當車輛處于中高速區域時，發電功率不能滿足車輛的實際功率需求，動力電池進行放電，SOC持續下降。

車速跟隨仿真結果如圖2所示。從圖2可以看出，實際車速能夠跟隨工況目標車速，偏差均在5 km/h以內，在急加速的工作點，實際車速與工況目標車速偏差最大，可以后期通過優化控制策略和標定來保證車速跟隨性。

圖2 車速跟隨圖

圖3為電池SOC隨車速變化的趨勢圖。從圖3可以看出，在C-WTVC工況的中低速區域，車輛的需求功率較小，發動機帶動發電機發電，保持發電功率基本跟隨車輛的驅動功率需求。此時電池的SOC維持在一定范圍內，當車輛運行到中高速區域，車輛的需求功率較大，增程器的發電功率不能完全滿足車輛的驅動功率需求，這時電池就需要放電，SOC隨之降低。

圖3 SOC隨車速變化趨勢

圖4為電池的工作狀態圖，主要是SOC和電池電流的變化趨勢。從圖4可以看出，電池電流有正有負，此文定義電池放電電流為正，電池充電電流為負。在車輛減速時，車輛進入能量回收階段，給電池充電，在部分急加速工況，發電功率不能滿足車輛的驅動需求功率，電池也會放電，基本上電池充放電達到一定平衡。故在中低速區域，SOC保持在一定范圍內，主要是發電功率基本跟隨車輛的驅動需求功率。而在中高速區域，因為要保證發動機運行在經濟區，增程器的發電功率有限，此時就需要電池同時放電，故在中高速區域，車輛加速時電池電流一直為正，SOC持續降低。

圖4 電池狀態圖

圖5為C-WTVC工況中高速區域各動力源功率與車速的對應關系。從圖5中可以看出，在中高速區域，發動機、電池和驅動電機都在工作，發動機的輸出功率基本維持在一定范圍內，保證了高速工況的發動機噪聲，驅動電機的功率大于增程器的輸出功率，電池放電進行功率補償，滿足車輛的驅動功率需求。

圖5 動力源功率與車速關系圖

經仿真計算，車輛百公里油耗為13.82 L，匹配同款汽油機的傳統車的百公里油耗為18.2 L，節油率為24%。

3 總結

本文理論分析增程系統工作原理和增程器的匹配原則，基于某款車，選擇匹配的發動機和發電機，利用仿真平臺分析増程式混合動力汽車的性能，節油效果顯著，此文可對后續各類車型增程器的匹配分析提供參考依據。