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燃油增程式电动汽车动力系统关键技术综述

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发布:liuxianglong 来源: 旺材电动车
PostTime:7-1-2019 09:08
摘要:增程式电动汽车又称里程延长式电动汽车,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。

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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摘要:增程式电动汽车又称里程延长式电动汽车,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。该文针对燃油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了分析研究。对比分析国内外相关技术方案的同时,结合自主研发的一款增程式电动汽车进行了动力系统关键技术的探讨。最后,展望了增程式电动汽车的技术发展,提出了几个值得关注的相关重要研究课题与研究方向。

0 引言

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 [1-2] 。

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 [3] 。

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 [4] 。

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 [5-8] 。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 [9-12] 。

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 [1] 。

由于发动机并非常开状态,也不直接参与动力输出。增程式电动汽车与其他混合动力车在动力配置上,具有一定的区别。有别于传统串联混合车型采用较大的发动机来提供所有电力源,和较小的电池来实现能效的提高;增程式电动汽车的插电式充电模块实现电池的外部充电,而只配置小功率的发电机满足扩展里程需求。电池容量相对纯电动要小,相对其他混合动力车要大。动力配置对比如图 2 所示 [2, 12] 。

由于动力部件的增加,动力系统结构的改变,使得增程式电动汽车动力部件的选型标准具有自己的特点。虽然动力耦合的减少,减低了部分能量损耗;但频繁的电力转换也带来了效率的降低。怎样选择动力部件类型、配置动力部件的参数,在保证系统动力性能的情况下使经济性能最优,成为增程式电动汽车首先要解决的问题。

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 [13-14] 。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 [15] 。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 [16-17] 。

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 [18] 。

2.2 动力电池的选型比较

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 [19-20] 。

锂电池磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂及其复合材料是当前动力电池正极材料的主流。其中,磷酸铁锂电池相对于钴酸锂、锰酸锂具有较高的比容量,较长的寿命周期和较低的成本。负极材料中,碳和石墨材料是主流,钛酸锂、锂单质负极材料也已经得到应用。磷酸铁锂和碳材料组成的电池单体,是当前增程式电动汽车电池较为理想的选择 [21] 。随着三元复合材料、固溶体材料组成的新型电池,以及金属锂材料组成的空气锂电池技术的完善与推广,将会带来动力电池性能的大幅提升,也是未来增程式和纯电动汽车动力电池的发展趋势 [22] 。

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。

单活塞转子发动机和两缸四冲程汽油机被认为是在增程发电应用中最有前景的发动机。虽然转子发动机比两缸四冲程汽油机单体成本要低,但两缸四冲程比转子发动机的平台更为通用化,降低了制造成本。两缸四冲程发动机的成熟技术使得其具有明显的优势,是当前增程器用发动机较为理想的选择。随着转子发动机的应用增多,其在车载发电中的优越性能将逐步得到体现 [26] 。除了常用的发动机以外,原动机还有许多新颖的选择,比如斯特林发动机、小型蒸汽轮机、直线发动机等 [23-25] 。采用均质混合气压燃技术的发动机,因为集合了柴油机和汽油机的优点,也有望在未来的增程器上得到应用 [26] 。

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 [27-28] 。

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 [29-31] 。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 [32] 。

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 [33] 。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。

3.2 驱动电机的动力配置

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 [34-37] 。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 [33, 36-37] 。

由于决定电动机驱动的额定功率的是加速的需求,而不是最高巡航车速或爬坡能力,所以加速性能是电动汽车首先要考虑的指标。加速时间 t a 为时间相对速度变化率的积分,通过如下公式计算:

3.3 电池容量的配置

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 [38] 。

根据国内外的相关调查,城市工况一半以上的每日驾驶行程小于 60 km ,当然具体城市的调查数据有一定差别 [39-40] 。根据增程式电动汽车的设计初衷,电池的容量应该满足大部分工况纯电驱动的需求。与此同时,增程器的发动机开关时刻的选择,也与电池容量的配置相关 [41] 。电池容量的估算公式如式 (7)—(9) 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:

由于 APU 单元和其他动力单元间具有较大的干扰,为了规避这种干扰,除了控制方法上的考虑,整流模块上的优化也是必要的 [1] 。

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 [42-43] 。

4.2 充电效率与热管理

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 [44-46] 。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。

由于动力电池不仅有驱动电机的充放电,也有辅助动力装置 (auxiliary power unit , APU) 为其充电,使得动力电池的充放电变的更加频繁,电池的松弛效应和滞后效应更加明显 [47] 。温度对电池的充放电有很大的影响,在不同的温度下电池表现出的充放电特性如图 10 所示 [48-49] 。在不同的荷电状态下,电池的充放电功率会随着温度的变化发生变化。为了保证频繁充放电情况下电池组的温度适应性,控制系统的策略需要特别考虑。特殊的电池管理系统和温度控制系统也有助于电池能效的提升。电池均衡设备和混合储能系统也是可选的方案 [50-51] 。值得注意的是,电池的热处理需要综合考虑多种因素的影响 [52] 。

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 [53] 。针对增程式电动汽车,电池充放电策略的示意如图 11 所示。

针对适用于增程式电动汽车的控制策略,国内外已经有较多的研究。 Wirasingba 等将控制策略归类为基于规则的和基于规划的 2 个大类,并对电量维持 (charge sustaining , CS) 和电量耗尽 (chargedepleting , CD) 两种模式下的确定性规则、模糊规则、全局优化以及实时优化进行了论述 [54] 。 Salmasi等分别对线性规划、最优控制、随机动态规划、遗传算法进行了比较论述,并提到了一种基于 GPS的整车能量流控制策略 [55] 。同时,对控制策略发展方向进行了说明。 Bashash 等提出了综合考虑排放和电池寿命的控制策略 [56] 。 Richter 等提出一种基于路况的增程式电动汽车控制方法 [57] 。动力结构上的通用性,使得一些串联式混合动力的控制技术也适用于增程式电动汽车 [58-61] 。

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 [40] 。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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