0 前言
在众多新能源汽车架构中，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、系统稳定、结构简单、成本低、油耗低以及具有纯电驾驶体验等特性，该技术如今已被越来越多的主机厂所应用。增程式混合动力可实现发动机与车轮完全解耦，仅用于发电，发动机运行工况点可以工作在高效经济区，同时具备纯电行驶的驾乘感受，成为各大主机厂下一重点研究方向。
增程器总成中，发动机的车载匹配应用与传统发动机的匹配应用有所不同，增程架构整车在工作过程中发动机与车轮完全解耦，并不需要发动机直接参与整车的动力驱动，因此其运行的转速和转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发动机抛弃了低效运行区，所以相对于传统应用而言，其在油耗等方面要更加优越。
1 混动发动机设计及仿真
1.1 设计原则
本文基于AVL-BOOST软件对某增程器专用发动机进行开发，通过高压缩比、米勒循环、缸内直喷、EGR以及优化冷却和润滑系统等手段的应用提升其热效率。为了提升增程器总成的系统效率，在发动机和ISG电机之间引入升速箱的结构设计。最后基于AVLCRUISE软件搭建相应整车模型及控制策略模块，对整车循环油耗进行仿真预测，并对比升速箱对循环油耗的影响。
1.2 热力学基础模型搭建
在AVL-BOOST软件中，根据发动机各零部件的实际几何尺寸以及空气滤清器、中冷器和增压器等元件特性参数搭建一维热力学模型，如图1所示。其中，燃烧参数参考类似竞品机型。该发动机进排气型线为全新设计，通过进气门早关，使膨胀比大于压缩比，达到米勒循环的效果。
图1 发动机BOOST热力学模型
1.3 高效增压器匹配分析
与传统发动机设计开发不同，混动专用发动机更加注重部分负荷工况比油耗的达成情况，因此在增压器匹配选型时一般侧重更小、更高效的增压器方案，以保证部分负荷工况时增压器能够运行在较高效率区间。下面为四款备选增压器的匹配结果，分别从外特性动力性以及万有最低比油耗两个方面来进行评价。
（1）外特性工况增压器匹配结果
四款增压器对应的转矩平台和额定功率均能达成开发指标，外特性比油耗对比结果如图2所示，方案一和方案四比油耗水平最优，方案二比油耗最差。
图2 增压器匹配外特性结果对比
（2）万有最低比油耗工况增压器匹配结果
依照竞品试验数据，锁定万有最低比油耗工况点并对此附近负荷点进行仿真分析，四款增压器方案对应的热力学结果如图3所示。方案三比油耗最低，方案四和方案二比油耗较高（方案四EGR率较低、方案二泵气损失较大）。
图3 增压器匹配部分负荷结果对比
（3）增压器匹配结果
综合考虑四款增压器的外特性和万有最低比油耗表现，选择方案三增压器方案为主选，该增压器方案的匹配如图4所示。
图4 增压器匹配
增压器匹配结果显示：低端喘振裕度约47%；最高转速24.3万r/min，额定工况下压气机转速22.6万r/min，转速裕度7%，无阻塞风险。
2 增程器系统效率优化
2.1 增程器系统效率
发动机与ISG电机的转速和扭矩不同，二者高效区对应的转速和转矩区间也不相同。但在由发动机与ISG电机组成的增程器总成产品中，由于物理结构的结合，使得ISG电机与发动机工作时运行在相同转速工况。因此，必须对二者的高效区间进行合理匹配，才能发挥增程器总成产品的最高效率。
本文中增程器总成的发动机和ISG电机MAP，如图5所示。发动机和ISG电机的高效转速和转矩区间差异很大（红色为发动机MAP，黑色为ISG电机MAP），为了提升增程器系统效率，在发动机和ISG电机之间通过升速箱设计进行优化匹配。
图5 发动机MAP和ISG电机效率MAP
2.2 增程器运行工况点
增程器的运行工况点由整车需求来决定。该增程器总成后期计划匹配某增程路线整车，该车WLTC循环路谱已完成实测，由此可统计出增程器的运行功率点占比情况，对于占比较大的工况点在升速箱速比匹配过程中重点考虑，具体统计信息如表1所示。
另外，综合考虑整车巡航车速发电点。通过整车阻力、速比、轮胎滚动半径、机械传动效率以及驱动电机效率、发电机效率等估算出各巡航车速下对应的发动机端功率需求，并结合发动机的等功率最佳燃油经济运行线来确定发动机的运行点，如表2所示。
2.3 升速箱速比设计
根据发动机运行工况点（WLTC循环功率点及等速巡航功率点）以及ISG电机高效区对应的转速区间，初步确定速比1.75、2、2.25、2.5、2.75和3进行发动机和ISG电机的匹配设计，如图6所示。通过匹配结果确定速比为2.5，最终结合升速箱尺寸等设计边界，升速箱速比确定为2.55。
图6 不同速比下等速巡航功率点匹配
3 增程器总成整车经济性仿真
为了验证升速箱速比的效果，基于AVL-CRUISE软件对该增程式整车进行WLTC循环油耗计算，并对比升速箱速比应用前后的整车循环油耗。
增程架构新能源汽车除了包含纯电汽车的动力传动系统之外，还集成了增程器总成，其主要功能是在电池放电能力不满足驾驶员需求时补充电能以及在电池SOC不足时给电池充电。
在AVL-CRUISE软件中搭建增程架构整车仿真模型，该模型除包含增程器总成和电驱动系统以外，还包括整车控制策略模块，以实现增程器起动过程和增程器、驱动电机的合理运行。
3.1 增程车辆仿真模型搭建
增程车辆仿真模型的搭建如图7所示，除整车元件、轮胎元件等传统车型元器件以外，还包括①增程器总成（发动机、升速箱和发电机）②电驱总成（驱动电机、主减速器等）③电池及BMS控制系统。
图7 增程车辆CRUISE模型架构
增程器总成中主要用来定义发动机、升速箱以及发电机的关键参数，包括发动机外特性和万有特性曲线、升速箱速比和传动效率以及发电机峰值曲线和效率MAP等。电驱动总成中主要定义驱动电机峰值/额定特性曲线和效率MAP以及主减速器速比和传动效率等。电池及BMS系统中主要定义电池容量以及电池端路、电池内阻和电池充放电功率随电池SOC变化曲线等。
3.2 增程车辆控制策略搭建
增程车辆控制策略主要包含控制参数集成模块、整车附件能耗控制策略、车辆电能管理控制策略、增程器起动及运行控制策略和驱动和制动能量回收策略。
控制参数集成模块中主要定义车辆运行模式（纯电/混动）以及电池初始电量等基本参数。整车附件能耗控制策略中主要定义空调、风扇等附件的消耗功率以及工作状态（开启或关闭）。车辆电能管理控制策略中主要定义电池充放电条件及充放电功率等策略。增程器起动及运行控制策略主要用来定义增程器总成的起动条件和起动过程特性。驱动和制动能量回收策略主要定义驱动电机运行状态、能量回收功能的起动条件以及机械制动和电机制动之间的制动力分配等。
3.3 增程车辆经济性仿真预测
增程架构车辆的整车循环油耗主要取决于增程器运行工况点，因此增程器运行工况点的选取至关重要。一般选取原则是首先根据发动机的万有数据作出等功率线和等功率最佳燃油经济运行线，然后根据整车功率需求倒推增程器功率需求并结合等功率线和等功率最佳燃油经济运行线选择增程器的合理运行工况点，如图8所示。
图8 万有特性和等功率最佳燃油经济运行线
对增程器运行工况点切换策略进行标定后，该增程车辆整车循环油耗由10.64L/100km降低至8.17L/100km。仿真结果表明，通过升速箱速比的应用，整车循环油耗有明显降低。
4 结语
本文基于AVL-BOOST软件搭建混动专用发动机热力学模型，通过高压缩比、米勒循环、缸内直喷、废气再循环（EGR）以及优化冷却和润滑系统等手段的应用提升其热效率。基于该混动发动机和ISG电机的效率特性图进行速比的设计，并基于AVL-CRUISE软件搭建相应整车模型及控制策略模块，对增程架构整车WLTC循环油耗进行仿真预测，为增程器总成的设计提供指导和建议。
参考文献
[1] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2]冯志国,杨绍普.车辆现代设计方法[M].北京:科学出版社,2007.
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