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2023-08-20
新能源汽车：增程式混合动力汽车组成
【摘要】：增程式混合动力汽车动力传动系统组成如图5-3-1 所示，主要由驱动电机系统、电源系统、增程器和整车控制器等组成。增程式混合动力汽车纯电动模式的续驶里程较短，动力电池容量要求比纯电动汽车低。发动机输出功率满足下式：式中，PRE 为满足增程式混合动力汽车最高车速行驶所需要的发动机输出功率，单位为kW。
增程式混合动力汽车动力传动系统组成如图5-3-1 所示，主要由驱动电机系统、电源系统、增程器和整车控制器等组成。与纯电动汽车相比，增加了增程器。
图5-3-1 增程式混合动力汽车动力传动系统组成
1.驱动电机系统
增程式混合动力汽车驱动电机系统与纯电动汽车的类似，也是由驱动电机及电机控制器组成。区别在于驱动电机能量来源除动力电池外，还有增程器。发动机到驱动电机之间没有机械连接，是通过发电机发电将发动机发出的机械能转化为电能，然后电机控制器根据车辆工况的需求将电能分配给驱动电机，如果有多余的电能，将被储存到动力电池中。
增程式混合动力汽车驱动电机应该具备较高的功率密度，而且在较宽的转速和转矩范围内具备较好的效率特性，同时驱动电机控制器能实现双向控制，以实现制动能量回收。
增程式混合动力汽车驱动电机参数匹配方法与纯电动汽车一样，根据整车动力性匹配驱动电机的峰值功率。在满足动力性的前提下，为提高驱动电机工作效率并减轻重量，应尽量选择较小峰值功率以及高转速的电机。
2.电源系统
增程式混合动力汽车电源系统与纯电动汽车的类似，也是由动力电池、电池管理系统、车载充电机等组成。区别在于动力电池的要求需兼顾纯电动和混合动力两种模式，具体要求是在深度放电的情况下，依然有较长的循环寿命；在较低的SOC 值状态下，可输出大功率的电能，使增程式混合动力汽车在低SOC 下加速性能仍然良好；在高的SOC 状态下，可以接收大电流充电，以保证制动能量回收的效率不受SOC 状态的影响；在保持高SOC状态下，可延长其使用的寿命；能量密度及比能量高，以减小电池组的体积和重量；安全性好。
动力电池是整车驱动的主要能量源，是能量储存装置，应具有良好的充放电性能用以保证车辆的动力性和再生制动回收的能力，其容量应能够满足增程式混合动力汽车性能要求的纯电动续驶里程；其电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致；其充放电功率应能够满足整车驱动和电器负载的功率要求。
增程式混合动力汽车动力电池参数匹配方法与纯电动汽车一样，只不过设计要求不一样。增程式混合动力汽车纯电动模式的续驶里程较短，动力电池容量要求比纯电动汽车低。
3.增程器
发动机、发电机及其控制器共同组成了增程器（APU）。增程器是增程式混合动力汽车动力传动系统的关键组件，发动机/发电机系统与驱动车轮在机械上是分离的，发动机的转速和转矩与速度及牵引转矩的需求无关，因此可控制发动机运行在其转速-转矩平面上的任意点。通常应控制发动机使其运行在最佳工况区，此时发动机的油耗和排放降到最低程度，由于发动机和驱动车轮没有机械连接，因此最佳的发动机运行状态是可以实现的，与驱动电机系统的运行模式和控制策略密切相关。
增程器只提供电能，电能用来驱动电机或者为动力电池充电，增加电动汽车的续驶里程，发动机到驱动电机之间的动力传动路线没有机械连接，可以将电能用于驱动车辆，不经过动力电池的充放电过程，降低了从增程器到动力电池的能量传递损失。
增程器根据电能来源的不同可分为发动机/发电机组、燃料电池和超级电容等，其中发动机/发电机组的增程器是目前应用最多和技术最成熟的增程器。增程器用发动机的选型目前主要有往复式发动机和转子式发动机。往复式发动机属于传统发动机，是最为常见的一种发动机，如雪佛兰沃蓝达和沃尔沃C30 配备的增程器。转子发动机一般燃烧效率较低，但其特殊的结构使其具有旋转顺畅、利于小型化的优点，符合增程器的设计要求；且在增程器上转子发动机是在一定条件下起动的，因此并不比往复式发动机逊色，如AVL研发的增程器。AVL 增程器采用发动机和发电机一体化的形式配备在后轴上，采用的转子发动机旋转顺畅、噪声小且节省空间。
发动机功率的选择对增程式混合动力汽车动力系统的设计至关重要。发动机选型设计中常按照汽车的最高车速来初步选择发动机功率，这是因为汽车的加速性能和爬坡性能可以由汽车的最高车速来体现。发动机输出功率满足下式：
式中，PRE 为满足增程式混合动力汽车最高车速行驶所需要的发动机输出功率，单位为kW。
发动机额定功率的选择应大于式（5.1）计算的理论值，以承载连续的非牵引负载，如灯光、娱乐、空调、动力转向装置和制动增压等。
根据所选发动机的燃料消耗MAP 图，可以计算满足增程式混合动力汽车增程续驶里程所需要的油箱容积为：
式中，V 为油箱容积，单位为L；S2 为增程续驶里程，单位为km；gc 为发动机高效工作点处油耗，单位为L/h。
增程器中发动机与发电机连接方式主要有两种，即弹性联轴器结构连接和直接刚性连接件连接。前者轴线尺寸会较大，对定位安装工艺要求高；后者发电机惯量及动态加载会给轴系带来冲击，存在动力过载损坏轴系的危险。
增程器要稳定可靠，可以立刻起动并进入正常工作状态；为了实现高效率和低排放的要求，要求系统处在最优工作点工作，因此控制器非常关键，通过控制策略和优化措施，在保证整车动力性前提下提高经济性和效率。
4.整车控制器
整车控制器通过CAN 网络与发动机控制器、发电机控制器、驱动电机控制器以及电池管理系统进行信息交互，实现增程的控制。增程器、驱动电机、动力电池三者之间通过整车控制器进行电能交互，实现能量的最优分配。同时动力电池通过车载充电机充电，保证纯电动模式下的行驶。
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