許勤 紀(jì)少令 劉承科 周西立

摘 要：結(jié)合國(guó)六油耗法規(guī)要求，在增程器平臺(tái)上搭建發(fā)動(dòng)機(jī)模型，發(fā)電機(jī)模型及增程器總成的模型，研究最佳工作點(diǎn)選取策略，并應(yīng)用到實(shí)車開展燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了策略的有效性。

關(guān)鍵詞：増程器;發(fā)動(dòng)機(jī)模型;發(fā)電機(jī)模型;最佳工作點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-98-04

Abstract： According to the China VI Standard for fuel consumption， this thesis builds engine model， generator model and extender model on a 1.5L extender platform to select the best working point， and applies them to the vehicle fuel economy and exhaust emission test to achieve the purpose of energy conservation and emission reduction.

Keywords： Range extender; Engine model; Generator model; The best working point

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-98-04

1 概述

增程式電動(dòng)汽車屬于一種串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）以及發(fā)電機(jī)控制器（GCU）共同組成增程器動(dòng)力系統(tǒng)。當(dāng)動(dòng)力電池包SOC充足時(shí)，車輛先以動(dòng)力電池包作為動(dòng)力源進(jìn)行純電動(dòng)行駛模式運(yùn)行，此時(shí)與常規(guī)純電動(dòng)汽車工作原理一致;當(dāng)動(dòng)力電池包SOC下降至一定限值時(shí)，車輛便啟動(dòng)增程器，通過(guò)增程器發(fā)電為車輛提供動(dòng)力或?yàn)閯?dòng)力電池充電。

增程式電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：國(guó)家發(fā)改委發(fā)布第22號(hào)令《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定》明確把增程REV劃歸到純電動(dòng)項(xiàng)目里面，與電動(dòng)汽車享受同等優(yōu)惠政策;不依賴于化石燃料，有助于緩解國(guó)家能源缺乏問(wèn)題;排放低，可以有效降低城市PM2.5濃度;布置結(jié)構(gòu)較并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車簡(jiǎn)單，用戶使用維護(hù)成本較低;夜間充電，可以有效的平衡電網(wǎng)用電峰谷負(fù)荷差。既能滿足人們?nèi)粘５亩叹嚯x零排放清潔行駛，又能免除人們長(zhǎng)距離行駛時(shí)對(duì)車輛續(xù)駛里程的擔(dān)憂?；谝陨霞夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，增程式電動(dòng)汽車是當(dāng)下解決純電動(dòng)汽車痛點(diǎn)的最好路徑，得到了很多汽車企業(yè)的青睞。

增程器的工作點(diǎn)選取研究，需要考慮燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性，NVH特性以及整車實(shí)際功率需求等條件。本文將以燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)進(jìn)行不同功率需求工作點(diǎn)選取研究，并在臺(tái)架試驗(yàn)室和實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證。

2 動(dòng)力總成試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文基于某型1.5L增程式電動(dòng)SUV展開研究，為了進(jìn)行增程器最佳工作點(diǎn)選取研究，本文分別搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩模型、發(fā)電機(jī)扭矩模型和系統(tǒng)模型。所載增程器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩模型搭建

在傳統(tǒng)動(dòng)力汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而在增程式電動(dòng)汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。因此，在增程器運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩模型搭建仍是能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的重要部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩模型與節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速等有關(guān)，由于搭建發(fā)動(dòng)機(jī)模型比較復(fù)雜，可以通過(guò)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)多項(xiàng)式擬合出臺(tái)架標(biāo)定轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓力的函數(shù)關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃料燃燒產(chǎn)生的扭矩需要克服的自身的機(jī)械摩擦扭矩，下圖2所示為摩擦扭矩、轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力的函數(shù)關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩是指飛輪端輸出的扭矩，即通過(guò)燃料燃燒產(chǎn)生的扭矩減去自身機(jī)械摩擦扭矩。圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩、轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管的關(guān)系。

2.2 發(fā)電機(jī)模型搭建

發(fā)電機(jī)有兩種工作狀態(tài)：

1）電動(dòng)工作狀態(tài)，主要用于電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過(guò)程;

2）發(fā)電工作狀態(tài)，主要表現(xiàn)為吸收發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的扭矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。

本文主要研究增程器發(fā)電工作狀態(tài)下工作點(diǎn)的選取。發(fā)電狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)模型主要針對(duì)電機(jī)的外特性扭矩、效率特征進(jìn)行搭建，發(fā)電機(jī)扭矩特性和效率特性數(shù)據(jù)通過(guò)臺(tái)架測(cè)得（試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于額定輸出電壓343V條件下測(cè)得），如圖6所示為發(fā)電機(jī)發(fā)電效率MAP，高效區(qū)為93%的區(qū)域。因此，針對(duì)電機(jī)部分，最佳工作點(diǎn)得選取，考慮在效率為95%區(qū)域范圍內(nèi)。

考慮到電機(jī)控制器GCU進(jìn)行交流電和直流電轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生熱量而導(dǎo)致能量損失，這一現(xiàn)象通常也用效率指標(biāo)評(píng)價(jià)。如圖6所示為電機(jī)控制器GCU效率與轉(zhuǎn)速、扭矩的關(guān)系，從圖中可知高效區(qū)為98%的區(qū)域。

因此，電機(jī)及電機(jī)控制器系統(tǒng)的效率為：ηG（Tg，ng）· ηGC（TGC，nGC），通過(guò)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)關(guān)系;獲得如圖7所示的電機(jī)及控制器系統(tǒng)的效率。其高效區(qū)為93%的區(qū)域。

2.3 增程器系統(tǒng)模型搭建

增程器的控制模式分為恒功率控制模式、多點(diǎn)跟隨控制模式和恒功率+多點(diǎn)功率跟隨相結(jié)合的控制模式。本文中增程器控制模式采用恒功率+多點(diǎn)功率跟隨的模式。由于增程器工作時(shí)同一發(fā)電功率點(diǎn)下可以匹配多個(gè)工況點(diǎn)，因此需要根據(jù)需求選擇合適的工況點(diǎn)。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，需要考慮油耗特性、排放特性及NVH等，合理選擇工況點(diǎn)可以有效降低整車油耗，滿足國(guó)家排放要求以及顧客的乘坐舒適性。本文以燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)，工作點(diǎn)按照?qǐng)D4中轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗率關(guān)系進(jìn)行選取。對(duì)電機(jī)及控制器而言，需要綜合考慮不同轉(zhuǎn)速、扭矩情況下的效率指標(biāo)。根據(jù)圖7電機(jī)及控制器的效率MAP可知，高效率區(qū)域在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷區(qū)域，合理選擇工作點(diǎn)可以保證增程器的發(fā)電效率。故增程器最佳工作點(diǎn)選取，需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放特性和電機(jī)及控制器的效率特性等因素。

由于電機(jī)輸入軸與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端使用螺栓硬性連接，故傳動(dòng)效率可視為100%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與發(fā)電機(jī)輸入扭矩大小一致。根據(jù)以上關(guān)系，建立增程器系統(tǒng)輸出電功率與發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及控制器的關(guān)系方程：

3 工作點(diǎn)選取

通過(guò)上述的增程器系統(tǒng)模型搭建過(guò)程，結(jié)合整車對(duì)增程器的功率需求合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，可以確定增程器基于燃油經(jīng)濟(jì)性條件的最佳工作點(diǎn)。本文中增程器控制策略為恒功率+多點(diǎn)功率跟隨相結(jié)合的控制模式，結(jié)合整車的功率需求確定最低發(fā)電功率點(diǎn)為10kW，以5kW為步長(zhǎng)依次增加到額定發(fā)電功率點(diǎn)40kW以及最大發(fā)電功率點(diǎn)45kW。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)電機(jī)和電機(jī)控制器系統(tǒng)效率特性，可擬合出如下圖8所示的最佳工作點(diǎn)的曲線。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述工作點(diǎn)的有效性，分別在增程器臺(tái)架試驗(yàn)室和整車轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)電功率的跟隨性、穩(wěn)定性及整車油耗驗(yàn)證。

4.1 臺(tái)架驗(yàn)證

臺(tái)架主要針對(duì)功率跟隨性進(jìn)行驗(yàn)證，即按照選取的最佳工作點(diǎn)給定功率請(qǐng)求，測(cè)試發(fā)電功率的跟隨情況（如下圖9所示）。輸出電功率與請(qǐng)求電功率偏差±1.5kW范圍，跟隨性較好，電功率輸出穩(wěn)定。

4.2 實(shí)車驗(yàn)證

按照NEDC循環(huán)進(jìn)行實(shí)車油耗測(cè)試，以整車電池包電量30%SOC開始試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中僅允許電池包充放電量各0.16kW·h的要求進(jìn)行，試驗(yàn)后計(jì)算實(shí)車油耗約為5.6L/ 100km。

5 總結(jié)

本文通過(guò)分別搭建汽油發(fā)動(dòng)機(jī)模型，發(fā)電機(jī)模型和系統(tǒng)模型，研究了以燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)條件下増程器工作點(diǎn)的選取，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了工作點(diǎn)選取的有效性。實(shí)際整車在增程器的匹配過(guò)程中，還需要考慮如發(fā)動(dòng)機(jī)排放、增程器NVH等因素，本文中工作點(diǎn)選取是増程式電動(dòng)汽車整車控制策略的重要組成部分，對(duì)提升整車的增程器匹配工作有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱龍飛，趙韓，尹安東.增程式電動(dòng)汽車能量管理策略優(yōu)化研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2016.10.

[2] 周飛鯤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[3] 董欣陽(yáng).增程式電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.