新能源汽车增程器发电机的研发与验证方法

张志华，陈 静

（锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121013）

1 前言

增程式电动车是一种配有地面充电和车载供电功能的纯电驱动汽车。在电池高能量密度技术尚未实现突破前 （价格、能量密度、充电时间等的综合性能），增程式混动汽车将是现阶段汽车市场发展的主流趋势。特别是对于短途运输的城市物流车，优势将更加突出。将增程式系统与整车功率需求进行优化匹配，动力电池只需配置1～2kWh，整车油耗就可达到第4阶段的油耗标准。增程发动机、发电机作为一个独立的电源系统，为整车驱动系统和蓄电池供电。发动机不会受外部工况的影响调整转速和转矩，控制系统将根据整车用电需求让发动机始终工作在高效区或停机，从而达到系统上的节油。如果不考虑新能源补贴及双积分，则该方案为最佳降本方案。

相比纯电动汽车，增程式汽车解决了纯电汽车的4大痛点：第1，充电忧虑，充电时间过长；充电桩数量不够，快充加快电池老化；第2，里程忧虑，不敢上高速，空调、暖风使用担忧，续航里程预估不准；第3，成本忧虑，电池成本占比，纯电动车保值率低，跟换电池成本过高；第4，安全忧虑，电池容量大，电池能量密度大，大容量电池热失控风险。

2 增程式整车系统架构搭建

增程式汽车就是在纯电动车的基础上，增加一台增程器。增程器由传统内燃机 （发动机）和高功率发电机组成。串联增程式系统架构如图1所示。通过GCU对发电机进行整流控制，将发电机的交流电转换成直流电传输给纯电动车的驱动系统和车辆的动力电池。这种串联能量传递方式，将发动机与车辆的驱动系统进行了机械解耦，减少了机械传动系统的结构复杂程度，降低了系统开发成本及技术难度。这种增程器系统加纯电驱动的架构称之为串联式混动系统。增程式汽车的增程器提供了车辆行驶的电能，也可以通过民用电为动力电池充电。

图1 串联增程式系统架构图

VCU是整车系统控制单元，整车系统操控由它发送指令。VCU控制驱动电机控制器MCU、增程器发电机逆变器GCU和发动机控制单元ECU。当然，VCU、MCU、ECU和GCU可以通过CAN网络进行交互式的信息通信。通过VCU协调发动机ECU与发电机GCU工作，将电能传递给纯电驱动系统。普通燃油车在很多工况下运行效率都低，比如市区走走停停的路况，不论内燃机的理论热效率有多高，它在这种情况下的效率也会大打折扣，无法工作在高效区间，这就是燃油车日常开起来很费油的根本原因。增程式电动车的内燃机不直接驱动车轮，跟行驶工况没有太大关系，以尽可能高的效率去发电，发出来的电直接给到电机驱动车轮，有多余的电能还会充进电池保存起来，不会有浪费。在急加速时，电池与增程器同时给电动机供电 （主要依靠电池），输出最大功率保证性能。而在匀速行驶时，车辆所需功率很小，增程器不仅可以独立供电，还有多余的电能可以回充电池，将刚才急加速所耗费的电量补回来。电池负责提供爆发力，而增程器负责提供匀速行驶时的基础驱动力，并将电池电量保持在健康的水平。从整体来看，在多数工况下效率都会更高，更省油。

传统内燃机汽车工作油耗区与增程器工作油耗区间对比如图2所示，在NEDC工况下，传统内燃机的工作点 （黄色点）基本都落到了260-290的高油耗区间，而增程器的工作区域为红色点区间内 （A-B-C-D-E），油耗区间为240-260；在WTLC工况下，传统内燃机的工作点 （黄色点）离散度更大，主要分布在270-380区间内，油耗更高。而增程器的工作区域完全不受影响，依然是在红色点区间内 （A-B-C-DE），油耗区间为240-260。通过如上比较，增程器确实可以发挥发动机的更高的潜力，充分利用低油耗区，达到降低油耗的目的。

图2 传统内燃机汽车工作油耗区与增程器工作油耗区间对比

3 增程器发电机参数的选定

3.1 发动机油耗区间选型

根据2020年的第4阶段油耗法规要求，平均油耗要降低到百公里5L以下。如何通过增程器系统，来达到这个目标呢？以1.5吨车汽油商用车为例，介绍如何匹配满足油耗标准的驱动电机、发动机及增程器发电机。由于第3阶段油耗限制是8.3L，采用增程器+纯电驱动电机这种动力方案，如果我们预期百公里油耗是4.9L。可以推断出这样几组数据以备选择，发动机与纯电驱动系统的选型方案如表1所示。

表1 发动机与纯电驱动系统的选型方案

例如，当整车采用纯电驱动百公里耗电量为11kWh时，带有增程器发电机的发动机平均油耗要在280g／kWh，考虑到蓄电池电平衡能量转换工况占比40%的情况下，折算到发动机上，要有324.9g／kWh，这个数据表面，发动机的平均油耗可以做得很高，对于发动机来说，没有任何挑战。反而对纯电驱动系统要求很高，这不但是技术上的挑战而且成本会很大。当然如果选择纯电百公里电耗较高的，换句话说驱动系统的效率偏低。发动机选型时，就要求发动机平均油耗更低，导致没有可直接用的发动机。综合上述条件，先选择满足性能要求且高效区油耗在230-250区间的发动机，再选择对应的驱动系统。

3.2 发动机油耗区间工作落点分析与发电机性能匹配

图3 东安动力1.6L发动机油耗MAP与增程器工作区间

以东安动力1.6L发动机为例，其240以内的油耗区很宽大，特别适合做增程器的发动机。东安动力1.6L发动机油耗MAP与增程器工作区间如图3所示。综合考虑排放的要求，将增程器工作区域划分为A-B-C-D-E-F条形区 （两条红色点线以内的部分）。在A-B以内区域，发动机输出功率为7～15kW，发动机转速1000～1650r／min，油耗可控制在250g／kWh以内，此时可配置增程器发电机功率为6～13kW；在B-C以内区域，发动机输出功率为15～25kW，发动机转速1650～2400r／min，油耗可控制在240g／kWh以内，此时可配置增程器发电机功率为13～22kW；在C-D以内区域，发动机输出功率为25～28kW，发动机转速2400～2800r／min，油耗可控制在240g／kWh以内，此时可配置增程器发电机功率为22～25kW；在D-E以内区域，发动机输出功率为28～36kW，发动机转速2800～3400r／min，油耗可控制在240g／kWh以内，此时可配置增程器发电机功率为25～33kW；在E-F以内区域，发动机输出功率为36～48kW，发动机转速3400～3900r／min，油耗可控制在240g／kWh以内，此时可配置增程器发电机功率为33～43kW。针对整车平均负载而言，B-D区域非常适合；D-E区域适合车速80km／h的负荷需求；E-F区域适合最高车速的负载需求。

3.3 增程器发电机高效区需求分析

在增程式发电机效率区间需求分析，我们通常将发动机的油耗工作区与发电机的效率map图重合，如图4所示。要保证发电机高效区尽量与发动机低油耗工作区重合，实现增程器系统的高效率输出，在发电机设计要求中，不但要确认发电机的性能是否满足，也要明确高效区间是否与发动机低油耗区匹配。通过图3、图4可知，发电机的基本性能和效率需求如表2所示。

图4 发电机与发动机MAP图分析

表2 增程器发电机参数

4 增程器发电机的设计研发

4.1 增程器发电机电磁方案设计

1）根据整车纯电系统电压，发电机控制器端额定直流电压为330V。根据电机功率密度 （轴向空间小）和效率需求，设计方案采用水冷集中绕组永磁同步电机方案，减少了定子的端部高度，不但减少了电机的铜耗，使电机有较高的效率，同时电机的外形为扁平式结构设计，节省了电机的安装空间，为整车电机布置提供了便利。增程器发电机具体参数转化见表2。

2）应用Maxwell 2D软件，对该电机电磁参数进行性能仿真。电磁参数如图5、图6所示，输入仿真软件中，定子温度按90℃进行仿真计算，结果如图7、8所示，功率性能满足技术要求，略高于要求的5%，效率计算结果为：系统效率85%以上的区间为85%，满足技术要求。

图5 定子电磁参数

图6 转子电磁参数

图7 电机仿真输出外特性

图8 电机效率map图

3）通过对转子硅钢片的参数化仿真分析，对转子的极弧系数优化，改善转矩脉动，能够提升电机的NVH性能。电机定子齿形和转子极弧的匹配优化，将定转子气隙设计成非均匀气隙，提高反电动势波形的正弦化，减少空间谐波分量，不但可以减少定子铁耗，还可以降低电机噪声。

4）转子磁钢的涡流损耗仿真分析。通过对磁钢涡流损耗的计算，将磁钢进行轴向分段，提高环流电阻，降低涡流损耗。转子磁极优化如图9所示，将整块磁钢分割成若干块，分别计算不同磁钢段数对磁钢涡流损耗的影响。转子磁极优化结论如图10所示，当磁极由1块到6块时，损耗降低幅度较大，但继续增加段数，损耗减低不是很明显。考虑生产工艺及成本，选择最佳的磁钢段数。通过粘接工艺，将多段磁钢粘接到一起，既保证了磁钢间的绝缘，又提高了装配工艺性。

4.2 增程器发电机结构方案设计

增程器发电机安装空间多数受限于发动机轴向空间，采用集中绕组设计方案目的就是缩短定子总成的端部高度，在结构支撑部件设计上，也要充分考虑电机的轴向结构设计。因电机转子内径较大，可将轴承室深入转子内部，以节省轴向空间。增程器发电机组件如图11所示，由前盖、转子、定子、水套机壳、旋变、密封盖、接线盒等零部件组成。

图9 转子磁极优化

图10 转子磁极优化结论

图11 增程式发电机爆炸图

定子总成采用扁铜线模块绕线工艺，提高定子总成槽满率，达到较高的功率密度，绕制完成的模块拼接成圆，嵌入到定子钢套内。然后，通过灌封胶将所有模块铸成一体，提高定子刚度和绕组的导热散热。灌封时，在绕组端部嵌入一根NTC热敏电阻，作为定子绕组的温度传感器，通过控制器设计温度限制以保护定子总成绕组不会因为温度过高而损坏。

转子总成的铁芯分为3段，考虑到反电动势谐波，将每段分别错开一定角度，达到斜极的效果，磁钢嵌入铁芯后仍然需要进行灌封胶，一方面是对磁钢的固定，另一方面是对磁钢表层的防护，以免表面氧化，影响磁材性能。

定子总成外套一个钢套，钢套与水冷机壳夹出一个水道，水道两侧用O型圈进行密封，保证冷却液不渗出。样件需要不同温度下的做密封测试，检测样品密封性能。

4.3 增程器发电机CAE仿真分析验证

电机结构设计时要考虑装配工艺方面的要求，例如将定子总成装入机壳中，转子硅钢片热套到轴轮毂上，要保证在一定的压入力下完成热装，而且保证冷却后装配可靠性，需要对加热的零部件进行热膨胀CAE计算，根据计算结果确定最后的配合公差。图12、13分别是机壳水套热分析以及转子硅钢片套的热分析，通过分析可以计算出该零部件内壁的扩张量。还要对结构件做强度分析，在此不加赘述。

4.3.1 水套机壳热装分析

1）分析条件：①水套机壳数模；②设置铁芯片温度为150℃；③机壳材料为铝合金。

图12 机壳热膨胀分析

图13 转子铁芯热套膨胀分析

2）分析结论：机壳加热到150℃后，内径单边扩张量：内壁里面0.215mm，内壁外侧0.225mm。

4.3.2 转子硅钢片热装分析

1）分析条件：①转子硅钢片数模；②设置铁芯片温度为150℃；③转子材料：结构钢 （热膨胀）。

2）分析结论：转子硅钢片加热到150℃后，内径单边扩大了0.14mm。

5 增程器发电机的试验标定与测试

5.1 增程器发电机试验准备

电机台架测试是验证电机设计非常重要的环节，选择合适的试验平台很重要。本次试验应用AVL电机综合性能试验台。

1）电源电压范围0～900V，双向电源，可输出也可回收。

2）测功机为功率300kW，最高转速10000r／min，最大扭矩500Nm。

3）功率分析仪、电流传感器；高精度扭矩传感器。

4）冷却水系统 （包含水温控制、流量控制、压力控制等功能）。

5）示波器、数据记录仪。

5.2 增程器系统测试性能与数据

增程器发电机系统性能及效率map图如图14、图15所示，试验峰值功率达到55kW，额定点转速3000r／min，系统效率85%以上的区间约为87%。

图14 电机外特性曲线

图15 电机效率map图

6 结语

本文主要研究增程器发电机参数匹配的设计，通过理论分析和试验验证得出以下结论。

1）通过对发动机及整车系统需求分析，确立了增程器发电机的技术参数。

2）采用maxwell-2D软件进行了性能仿真分析，对定子、转子磁极、磁钢等做了优化设计分析，在保证电机性能的前提下降低电机损耗，并通过物理台架试验将试验数据与仿真进行了闭环验证，电机仿真性能误差控制在10%以内。

3）采用ansys软件对结构件做了热膨胀分析，保证了样机装配一次通过。通过试验验证，确认冷却水道密封完好，无任何渗水现象。