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浅谈电动汽车增程器开发

进入21世纪,随着能源与环境危机的不断加剧,节能减排已经被各国提到了更高的战略高度。而作为能源消耗及污染物排放大户的汽车行业,为了实现可持续发展,已达成共识,汽车行业未来将逐渐向电动化方向发展。
传统的电动汽车主要指混合动力电动汽车及纯电动汽车,纯电动汽车结构简单,技术相对成熟,但受限于电池技术的发展,使得整车续驶里程较短,目前还无法满足用户出行的要求,同时纯电动汽车的全面推广还依赖于充电等基础设施的建设和完善,短期内难以推广。而混合动力汽车技术较复杂,其关键技术主要掌握在以丰田为首的大型汽车企业,国内汽车企业虽经过多年的研发取得一定的成果,但系统的稳定性及可靠性较差,同时混合动力技术的发展还受限于发动机控制技术及自动变速器控制技术,此两项技术核心目前仍然掌握在国外少数企业中,国内企业与国外仍存在巨大的差距,从而使我国的复杂混合动力技术很难突破国外技术的封锁而取得大的发展,短期内大面积推广存在风险。国外混合动力技术相对成熟且已通过了市场的检验,节油效果好、成熟度高。国内的混合动力技术与国外相比仍存在巨大的差距,若推广混合动力技术,国内市场将很快被国外汽车企业占领。
增程式纯电动汽车技术(整车拓扑结构如图1所示)为混合动力技术与纯电动汽车技术的综合,具有结构简单,控制容易的特点。

与纯电动汽车技术相比,增程式纯电动汽车技术在驱动方式上与纯电动技术相同,由于增加了增程器,实现了在线充电的功能,消除了纯电动技术续驶里程不足的特点,同时也解决了纯电动汽车对基础充电设施过度依赖的缺点,能够适应市场的使用需求。
与传统混合动力汽车技术相比,增程式纯电动汽车技术摆脱了对发动机控制技术及自动变速器控制技术的依赖。由于增程器发动机只用来发电,不受工况的限制,发电时只需控制发动机在特定高效率点工作,控制简单,并实现了发动机效率最大的优化。增程式纯电动汽车技术在驱动方式上为纯电驱动,驱动电机可直接实现转速及扭矩的控制,不需要传统变速器,只需定传动比的差减速器传递动力,极大的简化了驱动控制方式。
增程式纯电动汽车技术目前已得到了业内的普遍认同,能否开发出性能优越、油耗低、排放好的增程式纯电动汽车技术,主要依赖于增程器(增程发动机技术、发电机及其控制技术)关键技术的开发,开发专用于增程式纯电动汽车技术的增程器将势在必行。
1、国内外增程器研发现状
随着增程式电动汽车技术越来越多的受到各汽车企业的重视,增程器的开发也进入了实质性的阶段。AVL、莲花汽车、FEV以及大众等国际知名公司均针对增程式纯电动汽车的特点开发了增程器,如图2所示。

国内在增程器开发方面也开始逐步增加投人,如禾田(图3所示)、(图4所示)、(图5所示)等。

2、增程器开发要求
开发专用于增程式纯电动汽车技术的增程器,包括增程发动机及控制系统、发电机及其控制系统、整车系统标定技术。
由于增程式发动机只用在在线补充电能,其需要具有排量小、功率密度大、结构紧凑、工作工况简单、效率高等特点。为适应以上特点,需开发一款小排量(0.8L左右)、使用阿特金森循环的增程专用高效发动机,并针对增程器的工作特点重新匹配标定其相应的工作点,同时使排放更优。
同时为了达到增程发动机与发电机系统效率最优,需针对该增程发动机专门匹配设计一款高效、高密度及优化控制的发电机系统,从而实现最小的燃油消耗。
3、增程器开发趋势
目前,公众对新能源汽车的顾虑主要有以下几个方面:(1)技术成熟度不够;(2)纯电动汽车环保、经济但续驶里程不足;(3)充电设施匮乏。而增程式纯电动汽车结构相对简单,技术相对成熟,可直接外接充电同时还能够实现在线充电的功能,能够满足普通用户的使用需求,开发专用增程器势在必行。
由于增程发动机的适用工况与传统发动机的适用工况不同,针对其特殊用途,对比各种发动机的特点及各方面性能平衡,四冲程两缸阿特金森循环发动机及汪克尔转子发动机最适合增程器的使用要求。根据国内外的技术现状,四冲程两缸阿特金森循环发动机更易实现,其有效工作区间窄,但工作效率极高,是增程发动机的最佳选择。
增程发电机与普通电机相比其工作点稳定、单一,需对控制策略及控制算法进行单独的优化设计,以实现发电机组系统的效率最大化,提高其整体性能;对比各种电机的优缺点,开发一款专用的永磁同步电机比较适合于增程器的工作特点。

4、结果比较
比较抗震分析数据与抗震试验数据,可以得到以下三条结论:
(1)有限元分析得到的最低固有频率为225Hz,与试验得到的最低固有频率基本一致;
(2)样机贴应变片位置处的最大试验应力分别为6.95MPa和6.63MPa,从图6所示的应力分布来看,此两处位置的分析应力在5MPa~ 10MPa之间,基本一致;
(3)根据分析结果可知,上下壳体受力较小,最大应力处于连接盘底部,而此处在抗震试验时没有进行监测。
由上述比较结论可知,抗震分析能够如实地反映产品在抗震试验时应力分布情况。因此在进行核级执行机构产品开发时,可按照文中所述分析方法,在产品设计阶段或抗震试验之前对产品进行抗震分析,以了解产品结构上的薄弱环节,进而采取改进措施,提高核级执行机构的结构设计水平,同时也为顺利通过抗震试验提供可靠的参考依据。
增程器主要开发方案:
(1)与国外相关供应商联合开发专用的两缸四冲程阿特金森循环发动机及其控制、标定技术;
(2)与国内外优秀电机供应商联合开发专用于增程器的永磁同步发电机及其控制系统;
(3)自主开发增程器优化控制策略及集成技术;
(4)自主进行增程器的可靠性试验及标定技术。
5、总结
2012年3月,电动汽车科技发展“十二五”专项规划出台,从技术路线上,电动汽车其中一类为全部或大部分工况下主要由电机驱动提供驱动功率的电动汽车,主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及增程式纯电动汽车,增程式电动汽车作为纯电动及混合动力的结合体,即具有纯电驱动的功能又兼顾在线充电的功能,能够实现电动汽车产业的合理过渡。作为增程式纯电动汽车技术的核心部件增程器的开发将直接决定该技术产业的发展前景,开发新型的适用于市场使用需求的增程器技术将势在必行。性能优越、使用广泛、功能多样的增程式纯电动汽车技术必将在我国电动汽车产业占有一席之地。

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