增程式重型商用車技術(shù)分析

田方，秦振海，耿志勇，余修濤，盧甲

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增程式重型商用車技術(shù)分析

田方，秦振海，耿志勇，余修濤，盧甲

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

分析了增程式技術(shù)路線對于重型商用車的適應(yīng)性，分析了增程式技術(shù)路線的結(jié)構(gòu)與原理，通過對技術(shù)路線優(yōu)勢與重型商用車的結(jié)合，給出了重型商用車采用增程式技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)，可為其他增程式商用汽車產(chǎn)品的開發(fā)及技術(shù)路線的選擇提供參考經(jīng)驗(yàn)。

增程式；技術(shù)路線；重型商用車；產(chǎn)品開發(fā)

1 研究背景和意義

汽車是人類現(xiàn)代文明的重要組成部分，它在快速推動現(xiàn)代社會急速發(fā)展的同時(shí)，也給人類帶來了如噪音、環(huán)境污染等多方面日益突出的問題。面對全球氣候變暖、環(huán)境污染的急迫形勢，節(jié)能減排已成為世界各國汽車產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)，而發(fā)展新能源汽車也便成為我國汽車工業(yè)的戰(zhàn)略方向和國家的重要舉措。

目前汽車行業(yè)正逐步從傳統(tǒng)燃油車向新能源汽車發(fā)展，我國重點(diǎn)支持的新能源汽車包括插電式混合動力汽車（含增程式汽車）、純電動汽車和燃料電池汽車，隨著我國新能源汽車的政策環(huán)境越來越成熟，新能源汽車正在以純電動為主，多種形式新能源汽車為補(bǔ)充迅速發(fā)展。

純電動重型商用汽車是由動力蓄電池組供電，電動驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動汽車前進(jìn)，雖然目前純電動汽車技術(shù)基本成熟，但是由于受制于目前的儲能材料技術(shù)水平限制，動力蓄電池組的比能量、比功率較小，帶來了車輛自重大、單次充電續(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，且蓄電池的使用壽命和價(jià)格還未取得突破性進(jìn)展，因此，純電動汽車的實(shí)際應(yīng)用在一定程度上受到限制，針對這種情況研究增程式技術(shù)路線在現(xiàn)階段很有意義。

2 增程式技術(shù)路線重型商用車的結(jié)構(gòu)與原理

當(dāng)今世界汽車工業(yè)將進(jìn)一步注重環(huán)境、資源及交通的和諧發(fā)展，而增程式技術(shù)路線是一種能夠在全天候、全路況下行駛且不必為蓄電池電力不足而擔(dān)憂的電動汽車。

增程式路線對于重型商用車在多種工況下是一種具有很大優(yōu)勢的技術(shù)路線，其以動力蓄電池組為主要?jiǎng)恿Χ鄶?shù)情況下使用純電驅(qū)動車輛行駛，輔以高效率小排量發(fā)動機(jī)為輔助動力單元（APU），發(fā)動機(jī)不直接驅(qū)動汽車，而僅用于帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)動機(jī)處于效率最高的幾個(gè)點(diǎn)或者范圍內(nèi)，提高燃料到電能的轉(zhuǎn)換效率，其電驅(qū)動動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整車動力性能表現(xiàn)都接近于純電動路線；而啟動后的發(fā)動機(jī)可在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)輸出功率和扭矩，不論是采用功率點(diǎn)還是功率跟隨策略，均可大幅減小發(fā)動機(jī)工作范圍，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性，避免了發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)。且可針對幾個(gè)工作點(diǎn)與發(fā)電機(jī)控制器協(xié)同進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，進(jìn)一步減小發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)化排放。

增程式重型商用車一般設(shè)計(jì)思路為車輛首先依靠自身的動力電池組電量行駛，此時(shí)發(fā)動機(jī)不啟動，此時(shí)適應(yīng)于城市內(nèi)行走、居民區(qū)低噪音作業(yè)等多種使用環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)此段工況下的低噪音和零排放；當(dāng)電池電量下降到一定程度時(shí)，一般根據(jù)需求可調(diào)，自動模式可根據(jù)需求選擇至20-40%較為合適，此時(shí)啟動發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，所產(chǎn)電能一般直接參與車輛的驅(qū)動，若產(chǎn)生的電量有富余可以存儲到動力電池中，相對純電動可實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間作業(yè)、行駛及消除里程焦慮。

增程式車輛其工作模式可分為以下幾種：

第一種工作模式為純電動模式，如圖1所示的純電動模式下能量傳遞路線，發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，電池提供整車能量來源，此種工作模式下相當(dāng)于一輛純電動汽車。與純電動設(shè)計(jì)思路不同，增程式的純電動行駛里程可以設(shè)置的相對較小，不必以滿足100%的運(yùn)行工況電量，滿足運(yùn)營過程中60-80%的工況即可，所配備的電池的電量能夠滿足車輛起步、加速、巡航、爬坡，以及驅(qū)動汽車電輔機(jī)、電空調(diào)等附件，滿足大多數(shù)情況下用戶對于零排放作業(yè)及驅(qū)動的需求能量即可。且可實(shí)現(xiàn)較大程度的制動能量回收，進(jìn)一步提高行駛里程。

圖1 REEV純電動模式動力系統(tǒng)能量傳遞路線

第二種工作模式為增程模式Range-Extended，能量傳遞路線如圖2所示。在動力電池組的電量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，增程器系統(tǒng)啟動，發(fā)動機(jī)一般由發(fā)電機(jī)帶動啟動，發(fā)動機(jī)熱機(jī)后運(yùn)行在預(yù)設(shè)最佳效率工況下進(jìn)行高效發(fā)電，主要能量用于驅(qū)動車輛行駛，多余的電量為蓄電池充電。增程模式發(fā)動機(jī)有多種工作方式，根據(jù)整車能量管理策略的不同，可以選擇發(fā)動機(jī)高效功率點(diǎn)模式、功率跟隨模式、高效功率點(diǎn)與功率跟隨模式結(jié)合，此外還有結(jié)合智能控制策略和優(yōu)化能量管理算法控制等復(fù)雜控制策略模式。

圖2 REEV增程模式動力系統(tǒng)能量傳遞路線

3 增程式重型商用車的特點(diǎn)

增程式重型商用車的節(jié)油率在市區(qū)行駛及作業(yè)工況下要比相當(dāng)噸位的傳統(tǒng)柴油車高很多，一般可達(dá)50%以上，這是因?yàn)樵龀淌街匦蜕逃密嚨陌l(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)始終在高效率下工作，其發(fā)電的功率能夠滿足車輛在市區(qū)及中低速工況下穩(wěn)定行駛，最初純電動行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)完全關(guān)閉，動力蓄電池能夠提供足夠的電能供電動機(jī)驅(qū)動車輛起動、行駛，從而避免了傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)在啟動、加速等工況下能量利用率低、排放差的現(xiàn)象，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也優(yōu)化了排放。此外，動力電池組的能量存儲較大，能夠以較低放電倍率實(shí)現(xiàn)有效地回收再生制動能量。

綜上，增程式驅(qū)動結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段解決新能源汽車技術(shù)問題最切實(shí)可行的方案之一。鑒于增程器工作的特殊性，對電動重型商用汽車的增程系統(tǒng)及整車控制系統(tǒng)提出了以下的要求：

（1）增程器系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠，可快速啟動、快速熱車并進(jìn)入高效發(fā)電狀態(tài)，一般采用取消發(fā)動機(jī)低壓起動機(jī)，采用高壓發(fā)電機(jī)直接帶動發(fā)動機(jī)到怠速實(shí)現(xiàn)增程器系統(tǒng)快速啟動。

（2）由于運(yùn)行工況較為復(fù)雜，為提高動力系統(tǒng)綜合效率和降低排放的要求，要求系統(tǒng)處在最優(yōu)工作點(diǎn)工作，因此發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)及其控制器匹配非常關(guān)鍵，通過動力系統(tǒng)能量管理策略和優(yōu)化，保證達(dá)到整車需求的經(jīng)濟(jì)性和動力性指標(biāo)。

（3）由于增程式技術(shù)路線與純電動、燃料電池路線可在一定程度上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)及切換，需在設(shè)計(jì)時(shí)考慮動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)及總成的通用化及模塊化設(shè)計(jì)，依此平臺為依托，擴(kuò)展純電動、燃料電池技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段新能源技術(shù)的覆蓋與平臺擴(kuò)展。

4 結(jié)論

增程式重型商用車是一種配有地面充電和車載供電功能的插電式混合動力汽車，它在純電動工作模式具有純電動汽車零排放、零污染等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又兼具混合動力汽車?yán)m(xù)駛里程長、動力性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。增程式技術(shù)路線是未來電動汽車發(fā)展的主要方向之一，是傳統(tǒng)汽車向純電動汽車平穩(wěn)過渡的理想車型。

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Analysis of the range-extended technical route for heavy-duty commercial vehicle

Tian Fang, Qin Zhenhai, Geng Zhiyong, Yu Xiutao, Lu Jia

（Technical Center, Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

This paper analyzes the adaptability of range-extended technology in the heavy commercial vehicles, and the mechanism and principle of the range-extended technology. Combining the advantages of this technology with the characteristics of heavy commercial vehicles, the advantages and disadvantages of the range-extended heavy commercial vehicles are evaluated, which can provide reference for the development of other range-extended commercial vehicles and for the selection of technical routes.

Range-Extended; Technical route; Heavy-duty commercial vehicle; Product development

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1671-7988(2018)18-206-03

U469.6

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1671-7988(2018)18-206-03

CLC NO.: U469.6

田方，就職于陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.069