新能源之增程动力系统（一）架构与效率匹配
一、概述在新能源汽车领域，串联式增程混合动力技术相对于并联混动技术具有易控制、结构简单、成本低、低油耗等特性，依托此特性，该技术如今已被越来越多的主机厂所应用。并通过该技术在整车端的搭载，让增程式车辆 ...
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| 一、概述 在新能源汽车领域，串联式增程混合动力技术相对于并联混动技术具有易控制、结构简单、成本低、低油耗等特性，依托此特性，该技术如今已被越来越多的主机厂所应用。并通过该技术在整车端的搭载，让增程式车辆成为了更受用户青睐的一种插入式混合动力（PHEV）车型。在此为进一步加深我们对增程式动力系统的了解，本文从系统层面出发对其进行简单介绍。 二、系统架构 分布式增程动力系统的组成主要有内燃机（ICE）、启动/发电一体机（ISG）、发电机控制器（GCU）以及发动机控制系统（EMS）。其中，EMS主要负责发动机的运行，GCU负责ISG的工作，而增程动力系统的控制策略根据不同企业的EEA有着不同方案，如将相关策略模型置于EMS、GCU、VCU或动力域中以形成不同电气架构下的增程动力系统，其示意如下：  图1 增程动力系统架构 三、系统效率 3.1.增程器效率特性 通常而言，在分布式的增程器总成中，其发动机与ISG电机会通过单质量飞轮、双质量飞轮或扭转减振器等部件进行轴间连接，以此形成‘共速’的结构。而在集成式的增程器中，为了降低产品总质量，常通过‘共轴’方式以取消飞轮组件，此方式即发动机与ISG电机共用同一根轴。  图2 分布式增程器组成 由于增程器总成是通过发动机与ISG电机连接而成的产品，而发动机与ISG电机自身又拥有着不同的特性以及转换效率，因此由其组成而来的增程器产品的输出效率便与此二者有着脱不开的关系。这里找了一款产品的图示作为示例说明，如某发动机及ISG电机的效率MAP如下所示：  图3 某发动机、ISG电机效率MAP 由于发动机与ISG电机的高效区间分布位置不同，因此其对应的转速与扭矩区间也不相同，但在二者组成的增程器产品中，由于物理结构的结合，使得ISG电机与发动机有了相同的转速。在此制约之下，若不对产品效率区间进行标定以使二者的高效区间尽可能地重合的话，仅通过单纯的物理组合将会让该产品总成的最终效率极其低下，这也是早些年‘增程器’效率总是不高的重要原因所在。  图4 未标定效率区间的增程器 3.2.效率提升 3.2.1.系统标定 虽然在增程器的组成中也有内燃机的存在，但该产品的车载应用与传统内燃机的应用有所不同。由于在其工作过程中并不需要参与整车的动力驱动，因此内燃机运行的转速、扭矩区间也就不需要如传统应用那般做到MAP全覆盖，而仅是让其工作在高效区间之内即可。正是由于增程应用的内燃机抛弃了低效运行区，所以相对于传统应用而言，其在油耗等方面都要更加优越。 而在ISG电机方面的做法是，通过对照发动机的万有特性对其效率区间进行标定，以实现与发动机高效区间的尽可能重合，从而让增程器的输出效率更高。  图5 标定高效区间的增程器 通过对ISG电机高效区间的偏移，使得增程器的效率较之之前提升了至少一倍，但由于此时增程器所使用的发动机是通过传统发动机改制而来，因此受限于发动机万有特性，导致增程器的高效区间范围难以扩展。 3.2.2.专用发动机开发 为了进一步提升增程器的效率区间，便有了对增程器专用发动机的开发，如在直列发动机上通过高压缩比、阿特金森循环、燃油直喷、废气再循环（EGR）以及优化冷却和润滑系统等手段的应用，以提升其在某一较大区间内的效率，这也是当下诸多相关厂家所实施的主流技术手段。 同时，除了直列发动机的应用，水平对置发动机依托其重心低、体积小、平衡性好、震动小等特性，让该类型发动机在中低转速区间具有较优的输出扭矩，而此转速/扭矩区间正好又与增程器的应用特性相吻合，通过此应用特点，可让增程器输出具备低损耗、低噪音的特点。 为此，通过水平对置发动机在增程领域的应用，可在油电转换效率上相对于直列发动机更为高效，如相对于常规直列发动机应用的增程器油电转换率在2.8kw.h/L-3.2kw.h/L左右水平，而水平对置发动机应用的增程器的油电转换率可做到3.5 kw.h/L-3.8 kw.h/L水平，且运行噪音仅约55db。 不过，当下水平对置发动机由于结构复杂、加工精度高而导致的成本高、偏磨等问题尚困扰大多数厂家，而能攻克相关技术并实现降本的企业仅为极个别，为此，基于水平对置发动机而开发的增程器在车载领域的应用尚未形成规模。  图6 水平对置增程器 在ISG电机端，由于其高效区间通常可高于内燃机机数倍，因此对于增程器的应用而言，发动机高效区的提升对于整体效率的影响要更大些。 不过，增程器的应用毕竟不像传统内燃机在车载中的应用那般受到主机厂、供应商们的重视，同时传统的直列发动机技术已经非常成熟（这其中也还含有技术导入成本、认知、企业文化、企业中高层决策、行业状态等等诸多复杂因素），因此对于增程器专用发动机的开发虽有在进行，但有针对性去做进一步提升的企业却凤毛麟角。但尽管如此，如今的增程器产品在油耗、效率等方面较之传统内燃机、早期增程器都已经有了非常大的改进。 3.2.3.结构改进 我们知道到增程器的输出功率与转速和扭矩相关，如在上述所介绍的方案中，发动机与ISG电机的转速是一致的，因此需对此二者的高效区进行匹配。而再进一步，我们可以说增程器的输出功率与ISG（Integrated Starter and Generator）电机的转速与扭矩相关，为此通过提升ISG电机的转速便可进一步提升增程器的输出功率，而此时便需要通过在发动机与ISG电机之间增加升速比齿轮，以此来让ISG电机具有比发动机更高的转速。 由于此时发动机与ISG电机的转速可以不同，因此对于ISG电机效率的区间标定工作便可简化，但机械组件的增加对于成本、工艺等方面带去了压力，同时此结构下，对于系统的控制要求也要更高。因此，如何去权衡成本与应用之间的关系便需要更多的考虑。 简而言之，在增程器的效率提升方面，其影响条件并非单一，但主要是由发动机与ISG电机共同决定的，尤其是发动机。  图7 增程器总成效率示意 |
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