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天际汽车戴西槐:增程式电动汽车关键技术

盖世直播 2020-12-09 15:13:30
核心提示:我们认为自由活塞的是一个增程器电驱动未来的发展方向

2020年12月3-4日,由盖世汽车主办,上海市嘉定区经济委员会特别支持的“2020中国汽车动力总成电气化国际峰会”在上海汽车城瑞立隆重召开。峰会期间,天际汽车增程电动系统标定总监 戴西槐先生发表了精彩演讲。

天际汽车戴西槐:增程式电动汽车关键技术

天际汽车增程电动系统标定总监 戴西槐先生

以下为演讲实录:

谢谢盖世汽车把天际放在小鹏和蔚来后面,大家对天际不是很熟,做一个小广告,天际汽车是上汽大众前总经理张海亮出来创业成立的一家公司,我们9月份纯电ME7已经上市了,这辆车有几个特点,一个是我们的颜值比较高,因为我们的设计师来自于保时捷的首席设计师;我们的智能座舱做得比较有特色:五屏联动,人脸识别,语音交互做得比较好。我们在上海静安区有一个天际中心,欢迎大家去试驾。

我的演讲有三个部分:第一部分是混动技术简介,第二部分是增程式电动汽车增程器的关键技术,第三是展望一下未来增程式电驱动技术的发展方向。

电动汽车的电动化驱动力有两个方面的来源,一个是来自国家政策,一个是来自市场。国家政策方面包括减缓气候变暖,国家能源安全和环保要求,现在大家应该发现空气质量越来越好了。另外一方面就是市场的要求,消费者对汽车的要求越来越高,需要体验好、成本低,所以企业在国家和市场需求两方面的压力下,特别是双积分,新能源汽车积分和油耗积分的要求,必须实现汽车电动化。

这两张图是丰田和国际能源署对未来汽车市场的预测,它们一致认为HEV和PHEV在未来十年、二十年甚至三十年还是占主导地位,到2050年还会有60%-70%的占有量,增程器既可以用增程式上,也可以用串联式上,所以它的应用场景很广阔。

这张图就是电动汽车不同形式的比较,我们从结构、主要关注的问题(特别是高低温)、技术壁垒、经济、油耗方面进行比较,我们得出的结论就是纯电动的成本高,里程有焦虑,电池技术还需要进一步提高,但是它的前景发展是看好的。增程式电动汽车续航100-150km,短途用电,长途用油。它解决了纯电动的续航焦虑的缺点,同时它的驾驶品质跟纯电动是一样的,因为它是跟整车解耦的。插电式混合动力车纯电续航短,只有50km左右,但它有一个优点就是高速的时候是直驱,也没有焦虑。因此增程式和插电式混动在未来都有优势。

这是一个混动的结构,第一个是串联式的、第二个是并联式的、第三个是混联式的,增程在串联的形式下加一个外接充电。燃油车的综合效率不是很高,为什么它的发动机效率高但是整车效率比较低?因为发动机跟整车是不解耦的,它要考虑动力和油耗的平衡,用到的经济区很小。插混在部分区域进行解耦,特别是丰田Ths和本田的IMD,用到部分油耗经济区。增程式可以完全与整车解耦,它可以运行在高效区,所以它有几个优势:第一,它的运行区域可以收窄,第二,它的动力性要求比较低,因为它的瞬态大功率可以通过电池来提供,不需要兼顾动力,所以可以在油耗方面做得更好,比如说它可以用高压缩比、阿特金森或者是米勒循环。第三,它的尺寸可以更小、重量可以更轻。第四,它大部分在稳态工况运行,NVH可以做得更好,最后,一些复杂的技术不需要去用,所以成本会很低。

这张图是混动结构的架构,前面是增程式,后面是串联式的。增程式是在串联加一个外接充电,如果发动机换成燃料电池那就变成了燃料电池汽车了。增程现在有多家车企在做,包括理想、金康、吉利、东风、长城和宝能等。理想今年卖得很好,前11个月销量近2.4万辆,所以说市场是认可增程路线的。最近电动车路线图2.0版本也倡导百花齐放,不要约束企业往哪一个方向发展,让市场去决定。理想在增程这个方面做得很好,我们也会朝这个方向去发展。

第二块我讲一下电动增程器的关键技术,大家看其实增程式电动汽车就是一个纯电动车加一个充电宝,如果把增程器拿掉的话就是一个纯电动。这是系统组成图,我们在纯电动的平台上把发动机、发动机控制器、发电机,发电机控制器、进排气系统和燃油系统放进去。这是它的实物图,蓝色的是进排气,还包括燃油系统、发动机和发电机。

增程器的关键技术包括三个方面:发动机技术、发电机技术和电控技术。发动机技术有几个方面:功率选择、系统布置、系统效率,NVH,最后是系统集成。发电机也要考虑低速发电效率,因为大家知道驱动电机的效率在高转速区,但是发动机的效率是在4千转以下效率最高,如何把这两个叠加起来?用传统的发动机不进行任何设计改装是很难做到的。电控技术包括控制策略、能量管理、热管理和OBD符合性。

首先我们要开发一个增程器,必须要做一些需求的计算和仿真,需求输入包括整车需求,也就是你的加速、功率、爬坡性能,还有车辆特性、整车质量、风阻系数等等,我们不会用实车去搭建,我们会在整车模型里面把这些输入参数放进去,同时把我们的基本控制策略放进去,仿真计算得到我们需要多大功率的增程器,需要多大容量的电池。

这张图里面有几个关键的技术参数,第一个是功率需求,是从模型里面仿真计算出来的,我们发现一个紧凑型的SUV,增程器只需30千瓦额定充电功率就够了,中大型SUV,40千瓦就够了,如果是MPV甚至是商用车,50千瓦就够了,这是功率这一块的要求。第二个参数是布置尺寸,尺寸是越小越好。第三个就是NVH,因为我们是基于纯电动平台上面做的,所以增程器最多比纯电动高1-2个db。最后一个参数是油耗,因为发电机要在低速区与发动机高效重合,所以需要定制,把发电机高效区从4千转以上挪到4千转以下来。

这张图是我们发动机的选型,这6种动力源都可以用来做增程器。第一个是燃料电池,它的响应比较慢,所以在乘用车上面用起来满足不了百公里加速的要求;自由活塞的是一个未来的发展方向,因为现在技术还不是很成熟;太阳能电池体积比较大;转子发动机和燃气轮机它的效率不是很高;目前往复式活塞发动机是我们的首选。

这张图是6种动力源的比较,我们从几个方面进行比较,分别是效率,功率密度、布置、成熟度、基础设施的配套以及灵活燃料,我们得到一个结论就是汽油机是第一代增程器的主要路径,它作为第一款进入市场的增程器,风险低,比较稳定可靠,但是未来如果技术更成熟,配套设施更完善的话,自由活塞和燃料电池是未来的一个发展方向。

这张图是汽油机三缸、两缸、四缸的比较,基于成本、NVH、效率、体积和重量等方面,我们得到的结论是四缸自然吸气目前有比较大的优势,是增程器目前的一个首选。

刚才讲了发动机的选型,接下来这是发电机的选型,也包括尺寸和NVH、复杂程度、效率,关键要跟发电机的高效率配起来。

有了发电机和发动机之后,需要把它们集成在一起。现在连接方式有直连和通过变速器连接两种方式,我们也通过几个维度进行比较,包括连接零件的个数、复杂程度、质量、体积、NVH,我们发现直连的方式优于变速器连接方式。通过变速器连接,变速器有一个降速和升速的过程,它的效率会下降,同时NVH也会差。

这一张图是电控技术的软件功能定义,在增程器上面除了整车控制器VCU以外,还有发动机控制器EMS,以及发电机控制器GCU。VCU要控制整车扭矩协调,控制EMS和GCU,控制跟GCU和EMS相关的热管理,增程器的能量管理。EMS负责传统的那一块:排放、油耗,和国6法规的符合性,还有就是增程器上包括混动车子上面应用的一个高压油箱的控制等其他附件功能。GCU的功能:响应VCU的扭矩和转速的请求,自身基础功能和OBD法规的一些要求。

这一张图是增程器的控制策略,其实控制策略有很多,从车子启动、加速、丢油门、到停机,需要涵盖整个过程,所以这个控制策略里面有起停、起动、怠速和减速断油、功率分配和发电机角标和发动机下线控制等等。角标是一个特殊的功能,一般产品出厂就会做好,但是如果电机定子和转子拿到主机厂来组装的话,发电机的电零位角和机械零位角差异要重新学一下。

这个是能量管理,能量管理目前有两个方式,一个是定点发电,一个是功率跟随。定点发电,它的NVH会好一点;功率跟随,它的效率会更高一点,但是NVH也是有办法的。功率点切换的时候一定要考虑电量平衡和NVH的相互妥协。

大家看到右下角这张图,增程器从满电的时候SOC一直往下降,这个过程增程器提供稳态功率,瞬态功率都是由电池来弥补,电池起到削峰填谷的作用。到平衡点的时候,增程器要适时的起来,要考虑电量的平衡,不能让车子把电使亏掉,同时NVH也要控制得比较好。

这一张图是EMS OBD的符合性开发,混动和增程式电动车的开发中,关键诊断或排放电子动力控制单元(dec-ecus)需要满足OBD的要求,诊断服务模式mode01到0A必须满足SAEJ1979的要求。Dec-ecus包括发动机控制器EMS、发电机控制器GCU、驱动电机控制器MCU、直流转直流控制器DCDC、充电机控制器OBC。

这一块是发电机控制器GCU的基础goon功能开发和OBD符合性开发,OBD符合性纯电车没有这个要求,是国六对增程式和插电式混动的特殊法规要求,需要做一些电路和性能的诊断,还包括扭矩安全的监控。

接下来我再对未来增程器电驱动技术做一个展望。我们比较了一下三角转子、单缸、双缸、燃料电池,从几个维度来对比。首先是NVH,因为你是基于纯电平台开发的一个车子,NVH一定要好,第二个就是需求的空间比较小,不仅仅是要用在SUV上面,以后有可能用在轿车甚至跑车上面,所以它只会越来越小。然后价格也要便宜,排放一定要满足国6b要求,甚至以后的欧7和国7的要求;最后你的油耗要更低,满足更苛刻的油耗要求。比较下来发现三缸和四缸的尺寸比较大,认为两缸机是一个折中的选择。所以我们认为增程器电驱动未来的发展方向是:第一代用三缸机或者四缸机;第二代是两缸机,它的集成度比较高,成本更低;第三代就是自由活塞,它的两头是活塞,中间是一个发电机,通过发动机左右运动切割磁力线发电,这个效率会很高,但现在的技术还不是很成熟,因为它的关键点是在它的位置控制精度要求很高,如果控制位置不准的话很容易穿缸。

未来发动机的效率会越来越高,如何提高效率,有几个方面,昨天的专家也提到了,其实所有的措施都在这里:包括燃烧效率、热效率,换气效率和机械效率。首先提高燃烧效率:你的雾化质量要更好,所以你的喷油压力会越来越高;喷油器策略,现在有两个喷油器的;点火能量越来越高;第二方面是提高热效率:压缩比会越来越大,目前高的是11.5或者12,未来可能会到14、15以上;另外一个是冲程排量比会越来越大;还有稀薄燃烧,空燃比会从现在的14.7提升到18以上;第三提高换气效率:使用增压技术、外部EGR、断缸、减低气路损失等;最后是提高机械效率:就是降低传曲轴、活塞、气阀、正时及附件的摩擦等等。

最后做一个总结,我们认为增程系统开发有几项难点,首先NVH是难点,特别是小功率行车加速的时候,如果你用功率跟随模式,控制会更加复杂;第二个是热管理,热管理有3套管路,一套是发动机的,一套是驱动电机、发电机及其控制器的,还有另外一套是电池的,这三套系统工作的温度范围都不一样,所以会更复杂,而且是在低温的时候你要实现双路加热。第三个是热害,你在一个苛刻的条件下,你的电池在发热、发动机在发热,零部件受这些热延辐射要保证你的材料满足材料温度要求;第四个是驾驶性,我刚才一直在强调增程式电动汽车是基于纯电平台上开发的,所以它在满电和亏电的时候驾驶体验都不能有差异;第五个是电量平衡,WLTC工况和市区工矿你要去平衡,电量平衡跟NVH永远在打架;最后是OBD,因为它是和整车解耦的,所以失火诊断也是一个挑战。

谢谢大家!我今天的分享就到此。

本文地址:https://auto.gasgoo.com/news/202012/9I70233237C103.shtml

文章标签: 电动汽车 电池
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