燃油增程式电动汽车动力系统关键技术综述
面对日益严峻的气候和能源形势,电动汽车以其节能环保的巨大优势,受到各国政府越来越多的重视。但是,当前动力电池存在价格高昂、能量密度较低,以及充电时间较长等问题,限制了电动汽车的大规模推广应用。在动力电池短期内不能获得较大性能提升的背景下,各种形式的混合动力汽车应运而生。其中,增程式电动汽车作为纯电动汽车的平稳过渡车型,以其效率高、电池容量小,不会因缺电抛锚等优点受到了广泛的关注。
增程式电动汽车是一种纯电动驱动行驶的插电式串联混合动力汽车,其动力系统由动力电池系统、动力驱动系统,以及增程器和整车控制系统组成。广义的增程式电动汽车的增程器动力源应包含燃料电池、发动机等多种形式。本文主要论述以发动机为动力源的燃油增程式电动汽车,即狭义的增程式电动汽车。其与传统燃油车相比,增程器的发动机能够控制在最优工作状态,具有排放量小的特点。与纯电动汽车相比,所需电池容量要小很多,成本较低且不会缺电抛锚。与强混合动力车相比,电机与发动机没有机械耦合,避免了频繁的工作模式切换。而且,增程器输出功率和电流可控,能够采用更灵活的电池充放策略,有利于延长电池使用寿命。
国家电动汽车科技发展“十二五”规划将纯电动汽车、增程式电动汽车和插电式混合动力汽车归为一个大类,并制定了以小型纯电动汽车关键技术研发作为纯电动汽车产业化突破口,开发纯电动和增程式小型轿车系列产品,实现大规模商业化的技术路线。
国外,通用汽车的VOLT增程式电动汽车已经上市,欧宝也推出了自己的增程式电动厢式车。近期,宝马、马自达等汽车企业也加入了增程式电动汽车的研发和生产的行列。国内,增程式汽车的概念首先在南车时代电动、宁波神马等企业的电动大巴上得到应用。长城、奇瑞、广汽和北汽等汽车企业也相继投入到了增程式电动汽车的研发当中。
增程式电动汽车由于动力模块的增加,整车的控制难度也相应地增加。增程式电动汽车整车的动力协调和最优控制,是增程式电动汽车的关键技术问题。尤其随着增程式电动汽车的小型化,提高增程式电动汽车的经济性能和单位效率变得尤为重要。动力部件效率是增程式电动汽车整车效率的决定因素之一。由于增程模块对电池充放电的影响,增程式电动汽车对电池的选型和控制策略也提出了新的要求。怎样在变化的工况下提高驱动部件的效率,延长部件寿命,是增程式电动汽车的主要研究方向。
增程式电动汽车与纯电动和传统混合动力相比,既有技术上的通用性,又有其特殊之处。下文将针对增程式电动汽车的动力部件选型、动力系统配置、系统协调控制与效率优化等关键技术问题进行分析。在对国内外最新的相关技术解决方案进行比较分析的同时,指出几个今后值得关注的研究方向。
1 增程式电动汽车动力系统介绍
动力电池系统、动力驱动系统、增程器和整车控制系统是增程式电动汽车动力系统的4大重要组成部分。动力电池系统为电机驱动系统提供动力的同时,也为增程器发动机的启动提供反拖电流;驱动系统为车辆提供动力输出,由电机控制器接受整车控制器的命令控制车辆行驶;小排量的发动机和与之直接相连的发电机组成增程器,通过将发电机的交流电整流成与动力电池电压相匹配的直流给动力电池充电;整车控制系统提供包括增程器的控制、驾驶员输入信息处理、各动力部件的协调控制等整车控制功能。增程式电动汽车的动力系统结构如图1所示。
2 增程式电动汽车动力部件的选型比较
2.1 驱动电机的选型比较
增程式电动汽车驱动电机的配置与纯电动汽车的配置相同。电动汽车比较高效,且常用的驱动电机有交流三相感应电机(以下简称感应电机)、表贴永磁同步电机、内置式永磁同步电机、开关磁阻电机等。感应电机具有应用广泛、维修方便等优点;但也存在功率因素较低、变压变频控制较复杂的缺点。永磁交流同步电机具有较高的效率和较好的动力特性;但存在着制造工艺复杂,受成本影响比较大等问题。对于永磁交流同步电机而言,内置式永磁同步电机特性要优于表贴永磁同步电机,但电机复杂度却增加很多。开关磁阻电机结构简单、抗扰性强,但存在转矩脉冲和噪声,以及振动问题。以双凸极永磁电机为代表的定子永磁电机对上述优点进行了融合,虽然增加了复杂度,也是电机的可选方案之一。
增程式电动车以纯电驱动为主的城市道路作为主要应用环境,电机效率和功率密度被作为主要考量标准。在相似工况环境和驱动系统功率情况下,几种适用电动车的驱动电机效率比较如图3所示。由于电机的性能受到气隙、极弧系数、磁钢性能、极对数等因素的影响,电机的优劣比较具有较大争议。尽管如此,内置式永磁同步电机效率高、调速范围宽的优势仍然得以体现,是当前增程式电动汽车驱动电机的较优选择。
电池技术是电动汽车发展的主要瓶颈技术。伴随着阳极材料、阴极材料、隔膜以及电解液材料等电池主要部件的新材料和新工艺的研发,电池性能不断得到提升。不同材料的电压和容量的特性如图4所示。
2.3 增程器发动机的选型比较
由于增程式电动汽车的增程器用发动机只与发电机有机械连接,对发动机的工况和性能要求降低,发动机选型自由度增加。几种可用型号发动机的振动噪声(noise vibration and harshness,NVH)等性能对比如表1所示。表1中,“0”为基准线;“+”表示好;“-”表示差。
由于增程发动机的工作点比较单一,系统能够极大简化,超负荷超速以及复杂的瞬态工作条件可以不予完全考虑。曲柄和阀都可以做降低摩擦和质量的优化。由于与负载和转速需求相独立,也允许启动和催化剂加热过程的排放优化。
2.4 ISG启动发电机的选型比较
启动发电一体机(integrated starter generator,ISG)的选型依据与驱动电机类似,发电和启动一体化设计的永磁电机提供启动和发电两个不同的工况。感应电机具有低成本、高可靠性的特点。开关磁阻发电机具有鲁棒性和高速操作能力,但发电工况较低效,且存在较大的纹波。永磁电机比较高效,但有超速电压失控的危险。一体化启动发电机对电机的安装尺寸、启动力矩、输出电压和电流质量、工作温度范围都有比较苛刻的要求。增程器应用中,发电转速能够通过发动机调速得到主动控制,效率较高的永磁电机是较好的选择。但是,带有旋转变压器的绕线转子同步发电机、永磁和激磁绕组混合转子电机也因特殊的特性受到较大的关注。与驱动电机工作在驱动工况相比,ISG电机大部分时间工作在发电工况。发动机和发电机的工况协调与优化,以及综合考虑高效工作区和功率因素是提高增程式电动汽车燃油性能的关键。
3 增程式电动汽车动力系统配置
3.1 增程式电动汽车动力配置的要素
增程式电动汽车动力系统的配置包括:驱动电机、动力电池、增程器用发动机和发电机匹配。同时,还应考虑空调和电附件对整车的影响。虽然动力配置首先基于车辆的大小与定位,但动力系统的配置仍然具有一定的通用准则。已经上市和正在研发的几款增程式电动汽车的动力系统配置如表2所示。
驱动电机的选择在考虑功率因素、效率的同时,还需要考虑电机特性的影响。效率分布的高效区域应该与电机常态工作区尽可能相一致。驱动电机的配置依据如图5所示。恒转矩的大小决定了车的启动性能;切换点决定了车的加速性能;最大功率输出决定了车的车速范围。功率密度、动态性能等指标在驱动电机的选择中要综合考虑。
电动机功率保证了加速和爬坡性能,发动机发电机功率保证车辆在平坦或低坡度路面上的恒速行驶需求。对于增程式电动汽车而言,电池的设计容量应该使得全电动行程(all electric range,AER)满足日常驾驶需求。续驶里程与电池电量和燃油间的关系受到不同驾驶工况、车辆能耗分布、整车控制策略的影响。针对目标增程式电动汽车车型(具体参数表见附录A),对几种典型的驾驶工况下的纯电驱动能量消耗进行了仿真,仿真结果如图6所示。
3.4 增程器的配置
增程器的配置包括了ISG电机和发动机两部分。除了整体的发电效率满足整车的基本功率需求之外,增程发动机和发电机的效率分布应该尽可能的一致,以期达到整体的效率最优。功率需求的估算如下式所示:
4 增程式电动汽车协调控制与能效优化
4.1 增程式电动汽车的能量流向
增程器的独立能量供给提供了多种工作模式的选择。在日常的使用中,可将增程器关闭,仅由电池提供驱动动力。这样既可以通过提高增程器功率输出提升整车动力性能,又可以根据动力消耗发电维持荷电状态(SOC),还可以通过功率补偿方式获得电池使用寿命的增加。相应控制方式下,各个动力部件的协调既可以通过手动需求输入实现,也可以通过整车行驶工况的状态识别来实现。无论采用哪种工作模式,采用适当的策略,在协调控制动力部件工作的同时,提升整车的能效水平是非常重要的。
整车动力部件设计定型后,效率的优化主要通过以下途径实现:
1)控制发动机工作在最低油耗区或最低特定污染物排放的区域,或通过多目标优化方法获得帕累托(pareto)最优解;
2)最大化再生制动能量利用;
3)通过需求导向的控制策略降低附加能量消耗。在考虑能量优化的同时,需要对过流、过温等危险工况进行限制。目标车型典型工况下能量损耗分析如图8所示。
充电效率与负载情况相关,随着电池SOC和其他状态的改变、动力输出的变化,充电的效率也会相应发生改变。最新的零电压隔行扫描boost电路,通过适当的策略,使得AC到DC转换已经能够做到如图9所示的效率。怎样在变化的工况下提升能量使用效率,是增程式电动汽车控制亟待解决的问题。
4.3 控制策略研究
增程式电动汽车作为串混车的一种,与串混车一样,为了达到整体的状态最优,需要通过发动机的工作点切换来实现增程式电动汽车的能量管理。针对增程式电动汽车,电池充放电策略的示意如图11所示。
由于动力电池具有小电流放电比高电流放电容量大,浅充浅放能够有效延长电池使用周期的特点。增程器的存在使得动力系统的能量流向能够通过一定的控制策略得到优化,达到延长续驶里程和提升电池性能的目的。优化的有效性已经得到验证,合适的优化策略能够相对单点效率最优充电,提升10%~15%的系统效率。
5 结论
电动汽车车载充电的增程概念在电动汽车产生之初就已经被提出,其发展受到技术条件的限制,多次的电力转换,导致了燃油效率的降低。但是,插电式和车载充电的结合,以及能源转换效率的提高带来了增程式电动汽车的新生。
随着技术的不断提升,成本的不断降低,环保高效的电动汽车取代传统燃油车是大势所趋。但在电池容量,充放电时间还不能完全满足当前纯电动汽车需求的情况下,采用纯电驱动的增程式电动汽车具有较大的应用背景。而模块化,便携式的增程设备必将是纯电动汽车发展道路上的一大亮点。
电动汽车,增程式电动汽车安全性和效率的提高,依赖于对动力部件的深入理解。我们需要对动力部件的特性进行更为深入的研究,限制车载充电的不利影响,充分发掘充电能量控制的用途和效益,推进电动汽车普及进程。在未来的研究工作中下列问题应得到特别的关注和研究:
1) 能源转换效率的进一步提升。虽然在纯电工况下,增程式电动汽车的经济性要优于其他混合动力汽车。但是,在充电工况下,电流耦合的增程式电动汽车还不能达到机械耦合混合动力车型的水平,仍然具有较大的提升空间。
2) 模块化,可拆卸式增程单元的应用研究。由于模块化涉及到增程单元通信的通用化,对环境的自适应性,动力操控稳定性等问题。安全、高效、通用性好的增程模块具有较大研究价值。
3) 与微网、智能电网、车路协同等新技术的结合。增程式电动汽车本身就构成了一个微网系统,其充电方式的多样化,带来了接入模式和控制模式灵活性。在微网和大电网相结合的大背景下,增程式电动汽车与智能电网和车路协同控制的结合也是研究方向之一。
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