某1.5L增程器最佳工作点选取研究

许勤 纪少令 刘承科 周西立

摘 要：结合国六油耗法规要求，在增程器平台上搭建发动机模型，发电机模型及增程器总成的模型，研究最佳工作点选取策略，并应用到实车开展燃油经济性测试，通过实测结果验证了策略的有效性。

关键词：増程器;发动机模型;发电机模型;最佳工作点

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：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

增程式电动汽车属于一种串联式混合动力系统结构，其中发动机、发电机、发动机控制器（ECU）以及发电机控制器（GCU）共同组成增程器动力系统。当动力电池包SOC充足时，车辆先以动力电池包作为动力源进行纯电动行驶模式运行，此时与常规纯电动汽车工作原理一致;当动力电池包SOC下降至一定限值时，车辆便启动增程器，通过增程器发电为车辆提供动力或为动力电池充电。

增程式电动汽车与传统的内燃机汽车相比，具有以下优点：国家发改委发布第22号令《汽车产业投资管理规定》明确把增程REV划归到纯电动项目里面，与电动汽车享受同等优惠政策;不依赖于化石燃料，有助于缓解国家能源缺乏问题;排放低，可以有效降低城市PM2.5浓度;布置结构较并联式混合动力汽车简单，用户使用维护成本较低;夜间充电，可以有效的平衡电网用电峰谷负荷差。既能满足人们日常的短距离零排放清洁行驶，又能免除人们长距离行驶时对车辆续驶里程的担忧。基于以上技术优势，增程式电动汽车是当下解决纯电动汽车痛点的最好路径，得到了很多汽车企业的青睐。

增程器的工作點选取研究，需要考虑燃油经济性、排放特性，NVH特性以及整车实际功率需求等条件。本文将以燃油经济性为主要目标进行不同功率需求工作点选取研究，并在台架试验室和实车上进行验证。

2 动力总成试验平台搭建

本文基于某型1.5L增程式电动SUV展开研究，为了进行增程器最佳工作点选取研究，本文分别搭建了发动机扭矩模型、发电机扭矩模型和系统模型。所载增程器主要技术参数如表1所示。

2.1 发动机扭矩模型搭建

在传统动力汽车上，发动机是把化学能转化为机械能。而在增程式电动汽车上，发动机是把化学能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。因此，在增程器运行过程中，发动机扭矩模型搭建仍是能量转化过程中的重要部分。

发动机扭矩模型与节气门开度、转速等有关，由于搭建发动机模型比较复杂，可以通过台架测试数据经多项式拟合出台架标定转速、进气歧管压力和发动机扭矩的函数关系，如图2所示为发动机输出扭矩、转速和进气歧管压力的函数关系。

发动机通过燃料燃烧产生的扭矩需要克服的自身的机械摩擦扭矩，下图2所示为摩擦扭矩、转速和进气压力的函数关系。

发动机净扭矩是指飞轮端输出的扭矩，即通过燃料燃烧产生的扭矩减去自身机械摩擦扭矩。图3所示为发动机净扭矩、转速和进气歧管的关系。

2.2 发电机模型搭建

发电机有两种工作状态：

1）电动工作状态，主要用于电机拖动发动机起动的过程;

2）发电工作状态，主要表现为吸收发动机飞轮端的扭矩，将发动机机械能转换为电能输出。

本文主要研究增程器发电工作状态下工作点的选取。发电状态下的发电机模型主要针对电机的外特性扭矩、效率特征进行搭建，发电机扭矩特性和效率特性数据通过台架测得（试验数据基于额定输出电压343V条件下测得），如图6所示为发电机发电效率MAP，高效区为93%的区域。因此，针对电机部分，最佳工作点得选取，考虑在效率为95%区域范围内。

考虑到电机控制器GCU进行交流电和直流电转换过程中产生热量而导致能量损失，这一现象通常也用效率指标评价。如图6所示为电机控制器GCU效率与转速、扭矩的关系，从图中可知高效区为98%的区域。

因此，电机及电机控制器系统的效率为：ηG（Tg，ng）· ηGC（TGC，nGC），通过数据拟合函数关系;获得如图7所示的电机及控制器系统的效率。其高效区为93%的区域。

2.3 增程器系统模型搭建

增程器的控制模式分为恒功率控制模式、多点跟随控制模式和恒功率+多点功率跟随相结合的控制模式。本文中增程器控制模式采用恒功率+多点功率跟随的模式。由于增程器工作时同一发电功率点下可以匹配多个工况点，因此需要根据需求选择合适的工况点。

对发动机而言，需要考虑油耗特性、排放特性及NVH等，合理选择工况点可以有效降低整车油耗，满足国家排放要求以及顾客的乘坐舒适性。本文以燃油经济性为主要目标，工作点按照图4中转速、扭矩和油耗率关系进行选取。对电机及控制器而言，需要综合考虑不同转速、扭矩情况下的效率指标。根据图7电机及控制器的效率MAP可知，高效率区域在高转速大负荷区域，合理选择工作点可以保证增程器的发电效率。故增程器最佳工作点选取，需要综合考虑发动机的扭矩特性、燃油经济性及排放特性和电机及控制器的效率特性等因素。

由于电机输入轴与发动机飞轮端使用螺栓硬性连接，故传动效率可视为100%，发动机转速与发电机转速一致，发动机输出扭矩与发电机输入扭矩大小一致。根据以上关系，建立增程器系统输出电功率与发动机、发电机以及控制器的关系方程：

3 工作点选取

通过上述的增程器系统模型搭建过程，结合整车对增程器的功率需求合理分配发动机的输出扭矩和转速，可以确定增程器基于燃油经济性条件的最佳工作点。本文中增程器控制策略为恒功率+多点功率跟随相结合的控制模式，结合整车的功率需求确定最低发电功率点为10kW，以5kW为步长依次增加到额定发电功率点40kW以及最大发电功率点45kW。根据发动机的燃油经济性，发电机和电机控制器系统效率特性，可拟合出如下图8所示的最佳工作点的曲线。

4 试验验证

为了验证上述工作点的有效性，分别在增程器台架试验室和整车转鼓实验室进行发电功率的跟随性、稳定性及整车油耗验证。

4.1 台架验证

台架主要针对功率跟随性进行验证，即按照选取的最佳工作点给定功率请求，测试发电功率的跟随情况（如下图9所示）。输出电功率与请求电功率偏差±1.5kW范围，跟随性较好，电功率输出稳定。

4.2 实车验证

按照NEDC循环进行实车油耗测试，以整车电池包电量30%SOC开始试验，试验过程中仅允许电池包充放电量各0.16kW·h的要求进行，试验后计算实车油耗约为5.6L/ 100km。

5 总结

本文通过分别搭建汽油发动机模型，发电机模型和系统模型，研究了以燃油经济性为主要目标条件下増程器工作点的选取，通过台架试验和实车测试验证了工作点选取的有效性。实际整车在增程器的匹配过程中，还需要考虑如发动机排放、增程器NVH等因素，本文中工作点选取是増程式电动汽车整车控制策略的重要组成部分，对提升整车的增程器匹配工作有重要意义。

参考文献

[1] 朱龙飞，赵韩，尹安东.增程式电动汽车能量管理策略优化研究[J].合肥工业大学学报.2016.10.

[2] 周飛鲲.纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制策略研究[D].吉林大学，2013.

[3] 董欣阳.增程式电动轿车动力系统控制策略设计及优化研究[D].合肥工业大学，2015.