电动汽车增程器系统的集成化方案

2020-09-04吕永宾赵芮烽钟昌霞

客车技术与研究 2020年4期

徐明, 吕永宾，李军，赵芮烽，钟昌霞

(1.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412000； 2.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410000 )

在新能源汽车市场，用户非常看重车辆的续驶里程及其采购和运营成本。纯电动车最主要的缺点就是续驶里程短，要增加续驶里程，就需要增加电池容量，但更大的电池容量意味着整车更重且增加成本。为了解决纯电动车的这些问题，增程式电动车正在成为一种可能的方案[1-3]。目前市场上采用的增程器主要是由内燃机、发电机及其控制器的简单组合，存在体积大、重量重的特点，势必影响整车的经济性能。而增程器系统的集成化开发则能较好地解决相关问题。

1 增程式电动车动力系统结构特点

本文所指增程式电动车配有车外充电功能，由内燃机带动发电机发电，电能通过控制单元传到储能元件，再传输给驱动电机驱动车轮。其与插电式混合动力主要区别在于，前者为小功率内燃机带发电机加适当电量的电池；而后者的内燃机功率一般比较大，电池电量较少[4-5]。

图1 增程式电动车动力系统结构图

增程式电动车的核心部件就是增程器辅助动力单元系统(APU)，其主要由内燃机、发电机及发电机控制器组成，如图1所示。

2 增程器系统集成化方案

目前，市场上大部分增程器还是将内燃机和发电机通过安装法兰联轴器或扭转减振器等中间连接器的方式简单组合装配，电机控制器也独立在系统之外。造成增程器的重量和体积也是简单相加，而且增加了中间连接器的重量。本文介绍两种集成化方案。

2.1 内燃机-发电机的集成

内燃机和发电机之间的传统连接方式如图2(a)所示，主要有联轴器或扭转减振器等部件。增程器系统虽然实用、可靠，但不符合车辆轻量化、集成化的要求。而取消联轴器或扭转减振器等中间连接器，通过合理设计使内燃机曲轴和发电机转子一体化集成的方案则能够实现系统的轻量化、集成化，如图2(b)所示。以玉柴、斯太尔等内燃机厂家为代表的企业，因其有完善的内燃机动力总成设计以及试验等能力，从而在增程器内燃机和发电机一体化设计的集成开发方面已经推出了相关产品[6]。该类产品的技术特点如下：

1) 采用集成飞轮式电机设计，电机转子代替原内燃机飞轮直接与内燃机曲轴连接。

2) 发电机外壳和内燃机飞轮壳一体化设计，电机定子装在其中。

3) 内燃机由于取消了传统飞轮、齿圈、飞轮壳、扭转减振器以及启动电机，与传统方案相比，内燃机和发电机总成轴向尺寸可以缩短超过100 mm。

4) 此种集成化方案使增程器系统减重约10%，燃油发电效率相比独立发电机高19%以上[7]。

(a) 传统的内燃机-发电机连接示意图

(b) 集成化的内燃机-发电机连接示意图

2.2 发电机及电机控制器的集成

目前市场上大部分电机与其控制器均为独立部件，如图3(a)所示。但在电动车辆主驱动系统设计上也出现了电机与电控或减速器的集成产品[8]。因此在增程器系统的集成化开发上也可以借鉴相关思路，实现发电机及其控制器的集成设计。如苏州达思灵公司就开发出了这样的增程器[9]，如图3(b)所示。其技术特点如下：

1) 发电机和控制器一体化设计，减少中间的电路和水路连接接口，取消高压电缆，有效改善EMC性能。

2) 控制器和电机散热水路合并，以及两者壳体的一体化设计，减少水路连接接口，可以简化外型结构，有效缩减总成体积。

3) 此种集成化方案使整个增程器系统减重约4%。

(a)传统电机电控独立结构

(b)电机电控一体化结构

2.3 三合一集成方案

结合上述两种集成方案的结构特点，本文提出一种内燃机、发电机及其控制器三合一的集成方案。该方案极大缩减增程器的长度、减小增程器总成体积和重量，节约油耗及电耗，同时能有效改善增程器的EMC性能。但该方案需要内燃机和电机一体化设计、同期标定开发，而目前国内内燃机和发电机研发制造企业分别独立，因此要将内燃机和发电机作为一个整体开发，需要内燃机和电机专业厂家进行联合研发[10]。