何承坤,王麗芳,張仲石,張俊智
(1.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100190;3.清華大學(xué)汽車(chē)節(jié)能與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)
基于容差控制的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬
何承坤1,2,王麗芳1,張仲石1,張俊智3
(1.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100190;3.清華大學(xué)汽車(chē)節(jié)能與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)
電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)上再現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)受載和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使得電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、電池組和整車(chē)能量管理策略測(cè)試、研究和開(kāi)發(fā)可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,是經(jīng)濟(jì)而高效的臺(tái)架測(cè)試的核心技術(shù)。針對(duì)該動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬中模擬精度和控制算法復(fù)雜度的協(xié)調(diào)問(wèn)題,本文借鑒傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的評(píng)價(jià)指標(biāo),研究分析了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬控制器容許的誤差范圍,據(jù)此設(shè)計(jì)了適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)負(fù)載模擬容差控制器,并進(jìn)行了實(shí)物對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的容差模擬控制器能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)要求,簡(jiǎn)便易行利于推廣應(yīng)用。
動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬;動(dòng)力系統(tǒng);容差控制;電動(dòng)汽車(chē);車(chē)輛行駛循環(huán)工況
電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)作為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力和部分制動(dòng)力的來(lái)源,直接決定了整車(chē)性能的優(yōu)劣。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬技術(shù)[1]通過(guò)加載機(jī)構(gòu)模擬電機(jī)在實(shí)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的受載狀態(tài),無(wú)需裝車(chē)就可對(duì)電機(jī)、電池動(dòng)態(tài)特性在車(chē)輛行駛循環(huán)工況中對(duì)車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行測(cè)試分析,是進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、電池組和整車(chē)能量管理策略(制動(dòng)回饋策略)測(cè)試、研究和開(kāi)發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)而高效的手段。
目前典型車(chē)用動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬技術(shù)可以分為兩種類(lèi)型:逆向模擬[2]和正向模擬[3]。逆向模擬主要是根據(jù)車(chē)輛行駛循環(huán)工況的車(chē)速曲線(xiàn),考慮風(fēng)阻、滾阻和傳動(dòng)系統(tǒng)效率,計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)(速度和受力),通過(guò)車(chē)用動(dòng)力系統(tǒng)和測(cè)功機(jī)配合實(shí)現(xiàn)運(yùn)行點(diǎn)的模擬。而正向模擬則包含駕駛員模型對(duì)車(chē)輛行駛循環(huán)工況車(chē)速的跟隨,車(chē)用動(dòng)力系統(tǒng)控制方式和實(shí)車(chē)一致,同時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到動(dòng)力系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速,結(jié)合車(chē)輛其余部件和道路模型計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)有的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩,并通過(guò)控制測(cè)功機(jī)跟隨該轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩值。正向模擬也是一種硬件在環(huán)模擬,由于它比逆向模擬更為接近實(shí)車(chē)運(yùn)行的因果關(guān)系,在用于檢測(cè)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)能量管理策略、制動(dòng)回饋策略實(shí)際控制效果中更為實(shí)用,得到了廣泛應(yīng)用[4]。
與此同時(shí),由于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),擁有比內(nèi)燃機(jī)更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制特性,在先進(jìn)控制算法高度發(fā)達(dá)的當(dāng)今社會(huì),通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜的加載控制算法可以極為精確地實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)車(chē)用運(yùn)行點(diǎn)的模擬再現(xiàn)。但控制算法越復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)成本也越高。如何協(xié)調(diào)模擬精度和控制算法復(fù)雜度成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試規(guī)?;\(yùn)用必然面臨的問(wèn)題。
本文通過(guò)借鑒內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)試驗(yàn)臺(tái)工況模擬的評(píng)價(jià)指標(biāo),分析正常行駛工況下電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬的控制器容許的誤差范圍,設(shè)計(jì)出基于正向模擬思路且簡(jiǎn)便適用的動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬容差控制器,并進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。
在電動(dòng)汽車(chē)正常行駛中,將輪速和車(chē)速視為線(xiàn)性關(guān)系,這時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和車(chē)速可視為等價(jià)變量。車(chē)輛縱向力平衡示意圖如圖1所示,圖中,v為車(chē)輛縱向速度;ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速;ωw為車(chē)輪轉(zhuǎn)速;Tm為車(chē)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;Tb為摩擦制動(dòng)力矩;Fx為汽車(chē)地面縱向力;A為汽車(chē)的空氣阻力系數(shù);r為車(chē)輪半徑;Jw為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jm為車(chē)載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;M為車(chē)輛質(zhì)量;i0為車(chē)載電機(jī)與車(chē)輪的速比(i0=ωm/ωw)。在只關(guān)注能量經(jīng)濟(jì)性的測(cè)試中,圖1所示車(chē)輛前進(jìn)方向上力的平衡方程通過(guò)變形可以轉(zhuǎn)化為:
式中,F(xiàn)f=(0.0076+0.000056uw)Fn;Ff為滾動(dòng)阻力;Fn為車(chē)輪承擔(dān)的載荷;uw為車(chē)輪轉(zhuǎn)速與車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的乘積,單位為km/h。
圖1 車(chē)輛縱向力平衡示意圖Fig.1 Longitudinal force balance of vehicle
便于討論,在本文以后的章節(jié)中,規(guī)定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎聪驗(yàn)樨?fù)。電機(jī)電動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為正,發(fā)電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)。這時(shí),車(chē)用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載TC的關(guān)系式為:
根據(jù)式(1),待模擬的負(fù)載力矩與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系式為:
如何模擬式(3)所表示的關(guān)系式,將成為臺(tái)架系統(tǒng)控制的重點(diǎn)。在本文中,考慮到臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)的共用性和臺(tái)架測(cè)試技術(shù)的一體化,將采用全電慣量模擬的方式,車(chē)用電機(jī)與加載電機(jī)的基本布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在臺(tái)架系統(tǒng)中,考慮加載機(jī)構(gòu)自身阻力特性的動(dòng)力學(xué)方程為:
式中,Tdyna為加載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;Jd為加載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為車(chē)載電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速;f為臺(tái)架粘滯摩擦系數(shù)。利用臺(tái)架實(shí)施模擬,就是通過(guò)控制Tdyna,使得式(4)中Tm和ω表現(xiàn)出與式(3)中一致的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。采用正向模擬的思路進(jìn)行車(chē)輛行駛循環(huán)工況下動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬,基本思路如下:車(chē)用電機(jī)采用實(shí)車(chē)控制模式,即電磁轉(zhuǎn)矩控制模式;車(chē)用電機(jī)電磁命令由車(chē)輛控制器根據(jù)加速踏板信號(hào)或制動(dòng)踏板信號(hào)確定,為使實(shí)際車(chē)速跟隨目標(biāo)循環(huán)工況車(chē)速,駕駛員模型生成相應(yīng)的加速或制動(dòng)踏板信號(hào);將臺(tái)架上傳感器采集到的車(chē)用電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速利用式(3)計(jì)算出加載裝置需要跟隨的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩值,通過(guò)加載電機(jī)的閉環(huán)控制實(shí)施。根據(jù)以上思路搭建的硬件在環(huán)測(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)如圖2所示??紤]到采用速度閉環(huán)具有慣量自補(bǔ)償能力[5],同時(shí)避免信號(hào)噪聲的微分計(jì)算,本文采用基于速度閉環(huán)的正向模擬方式實(shí)施動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬。
圖2 基于正向模擬的行駛循環(huán)工況模擬系統(tǒng)Fig.2 Emulation system for drive cycle
為了使在不同時(shí)間、地點(diǎn)和設(shè)備測(cè)試的車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)具有可比性,汽車(chē)行業(yè)內(nèi)目前主要采用美國(guó)環(huán)保署(EPA)的規(guī)定,在通用的車(chē)輛行駛循環(huán)工況測(cè)試中,需要保證內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和功率的實(shí)際值與理想值的關(guān)系都滿(mǎn)足可決系數(shù)等指標(biāo)要求[6],如表1所示。
表1 EPA車(chē)輛行駛循環(huán)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 EPA evaluation index for drive cycle
表1中,r2為可決系數(shù),SE為估量標(biāo)準(zhǔn)差。為了滿(mǎn)足可比性,實(shí)際可決系數(shù)需要大于指標(biāo)值且實(shí)際估量標(biāo)準(zhǔn)差需要小于指標(biāo)。在汽車(chē)行業(yè),用于檢測(cè)測(cè)試車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性的兩種典型車(chē)輛行駛循環(huán)工況為美國(guó)UDDS和歐洲NEDC行駛循環(huán)。本節(jié)將以二者為代表討論臺(tái)架滿(mǎn)足EPA法規(guī)時(shí)對(duì)控制性能的要求,涉及車(chē)型為轎車(chē)級(jí)。由EPA評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以推知,臺(tái)架模擬控制的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率允許一定的慣性滯后。以時(shí)間常數(shù)衡量滯后的大小,結(jié)合EPA指標(biāo)值,可以分別計(jì)算出不同車(chē)輛行駛循環(huán)工況下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率允許的滯后時(shí)間常數(shù)。圖3為UDDS工況轉(zhuǎn)速滯后的時(shí)間常數(shù)從0.01s向0.99s增加時(shí)可決系數(shù)和估量標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì),當(dāng)時(shí)間常數(shù)增加至0.41s時(shí),估量標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到EPA門(mén)限值,可決系數(shù)仍在允許范圍內(nèi)。即UDDS工況下臺(tái)架速度閉環(huán)控制允許最小帶寬為2.43rad/s(0.39Hz)。
圖3 UDDS工況速度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)速度的要求Fig.3 Speed requirement according to speed index(UDDS)
圖4 UDDS工況轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求Fig.4 Torque requirement according to torque index(UDDS)
圖4為UDDS工況轉(zhuǎn)矩慣性滯后的時(shí)間常數(shù)從0.01s向0.99s增加時(shí)可決系數(shù)和估量標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì),當(dāng)時(shí)間常數(shù)增加至0.36s時(shí),可決系數(shù)達(dá)到EPA門(mén)限值,估量標(biāo)準(zhǔn)差仍在允許范圍內(nèi)。即UDDS工況下臺(tái)架轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制允許最小帶寬為2.77rad/s(0.44Hz)。
圖5為UDDS工況功率慣性滯后的時(shí)間常數(shù)從0.01s向0.99s增加時(shí)可決系數(shù)和估量標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì),當(dāng)時(shí)間常數(shù)增加至0.31s時(shí),可決系數(shù)達(dá)到EPA門(mén)限值,估量標(biāo)準(zhǔn)差仍在允許范圍內(nèi)。若臺(tái)架模擬工況時(shí)直接對(duì)功率項(xiàng)進(jìn)行修正和控制,該閉環(huán)控制系統(tǒng)允許最小帶寬為3.23rad/s(0.51Hz)。然而,臺(tái)架實(shí)際控制中主要通過(guò)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的模擬實(shí)現(xiàn)功率的模擬,需要計(jì)算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩各自滯后時(shí)間常數(shù)使得功率滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的合理范圍。圖6為轉(zhuǎn)速滯后時(shí)間常數(shù)在0.01~0.41s、轉(zhuǎn)矩滯后時(shí)間常數(shù)在0.01~0.36s的理論計(jì)算結(jié)果,圖中可以看到當(dāng)轉(zhuǎn)矩滯后時(shí)間常數(shù)在0.32s和0.33s時(shí)達(dá)到可決系數(shù)門(mén)限值,0.34s后數(shù)據(jù)超出可決系數(shù)門(mén)限。圖7為圖6局部放大圖,當(dāng)轉(zhuǎn)矩滯后時(shí)間常數(shù)小于0.31s時(shí),轉(zhuǎn)速滯后時(shí)間常數(shù)小于0.41s即可;當(dāng)轉(zhuǎn)矩滯后時(shí)間常數(shù)為0.32s時(shí),轉(zhuǎn)速滯后時(shí)間常數(shù)需要小于0.31s;而當(dāng)轉(zhuǎn)矩滯后時(shí)間常數(shù)為0.33s時(shí),轉(zhuǎn)速滯后時(shí)間常數(shù)需要小于0.17s;當(dāng)轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)大于0.34s后,轉(zhuǎn)速滯后時(shí)間常數(shù)無(wú)論為何值都不能使功率滿(mǎn)足EPA評(píng)價(jià)指標(biāo)。
圖5 UDDS工況功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率的要求Fig.5 Power requirement according to power index(UDDS)
圖6 UDDS工況下EPA功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求Fig.6 Torque requirement according to power index(UDDS)
圖7 UDDS工況下EPA功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)速的要求Fig.7 Speed requirement according to power index(UDDS)
歐洲的NEDC循環(huán)工況的計(jì)算結(jié)果如表2所示,與UDDS循環(huán)工況相比,它的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的滯后時(shí)間常數(shù)范圍更大,這是因?yàn)榕cNEDC工況相比,UDDS工況轉(zhuǎn)速變化更為平滑但加速度變化更為頻繁,相同滯后時(shí)間時(shí)UDDS計(jì)算得出的估量標(biāo)準(zhǔn)差更大,所以按照EPA標(biāo)準(zhǔn)UDDS允許的臺(tái)架模擬控制最小帶寬大于NEDC允許的最小帶寬。
表2 允許滯后的時(shí)間常數(shù)Tab.2 Allowed lag time constant
當(dāng)加載電機(jī)的電流環(huán)簡(jiǎn)化為一階環(huán)節(jié)時(shí),加載電機(jī)的速度跟隨控制系統(tǒng)如圖8所示。
圖8 加載電機(jī)速度跟隨控制系統(tǒng)Fig.8 Speed tracking system based actuator
按照表2中控制器的誤差容許范圍設(shè)計(jì)一個(gè)容差控制器,考慮采用簡(jiǎn)單的PI調(diào)節(jié)器結(jié)合車(chē)用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)前饋。首先令式(5)成立,將車(chē)用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Tm前饋補(bǔ)償:
式中,u為加載電機(jī)前饋補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)矩控制命令;U為加載電機(jī)PI控制器生成的轉(zhuǎn)矩控制命令;1/KI為加載電機(jī)電流環(huán)時(shí)間常數(shù)。同時(shí)PI控制方程記為:
式中,ki_sf、τp_sf為加載電機(jī)控制器PI參數(shù)。由此,令PI控制參數(shù)滿(mǎn)足:
可以使速度跟隨系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)偶極子,則其閉環(huán)傳遞函數(shù)可以近似為一階系統(tǒng):
令(Jm+Jd)/(ki_sfτp_sf)=0.05,則速度跟隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)為有時(shí)間常數(shù)為0.05s慣性滯后的跟隨系統(tǒng),可滿(mǎn)足表2設(shè)計(jì)要求。
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)模擬控制方法的有效性,本文進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)物驗(yàn)證,實(shí)物裝置如圖9所示。
圖9 車(chē)用電機(jī)和加載電機(jī)組Fig.9 Motor of vehicle and actuator
圖10 UDDS循環(huán)工況測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test result of UDDS drive cycle
車(chē)用電機(jī)與加載電機(jī)同軸剛性連接,車(chē)輛參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7],篇幅所限,僅展示部分測(cè)試結(jié)果。圖10為UDDS工況前一部分的測(cè)試結(jié)果,可以看到,容差控制方法得到的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率與參考值變化趨勢(shì)一致。計(jì)算測(cè)試結(jié)果得到的可決系數(shù)r2和估量標(biāo)準(zhǔn)差SE如表3所示。表3結(jié)果與表1標(biāo)準(zhǔn)相比,在UDDS和NEDC工況下容差控制獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。
表3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)Tab.3 Index of experimental test
本文借鑒內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)評(píng)價(jià)指標(biāo),分析了電動(dòng)汽車(chē)在正常行駛工況下動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬容許的控制誤差,并據(jù)此設(shè)計(jì)合理的容差控制器。實(shí)物測(cè)試的結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的容差控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載的準(zhǔn)確模擬,涉及變量少,控制方法簡(jiǎn)單,且模擬精度優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。下一步工作需要考慮設(shè)計(jì)容差控制器滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)極端運(yùn)行工況下動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬需求。
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Dynam ic load emulation for electric vehicle powertrain based on error tolerance control
HE Cheng-kun1,2,WANG Li-fang1,ZHANG Zhong-shi1,ZHANG Jun-zhi3
(1.Key Laboratory of Power Electronics and Electrical Drives,Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;3.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Dynamic load emulation for electric vehicle powertrain is an economical and efficient technology for the testing,researching and developing of powertrain,battery and energymanagement strategy of electric vehicles in a laboratory.But the problem thathow to coordinate emulation accuracy and complexity of controller needs to be dealt with for large-scale application.In this paper,the evaluation of engine dynamic test bench is refered to design the tolerance-error boundary of dynamic load emulation.A proper controller is designed according to the boundary.Experiments are conducted to test the designed controller.The experimental results show that the error tolerance controller can meet the requirements of economic evaluation of electric vehicles and it is effective and simple.
dynamic load emulation;powertrain;error tolerance control;electric vehicle;drive cycle
TM938.7
A
1003-3076(2015)06-0022-05
2014-07-03
國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAG08B01)、國(guó)家自然科學(xué)基金(青年基金)(61104177)資助項(xiàng)目
何承坤(1986-),男,貴州籍,博士研究生,研究方向?yàn)檐?chē)用電驅(qū)動(dòng)電制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬技術(shù);王麗芳(1971-),女,山西籍,研究員,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)車(chē)用電源與充電系統(tǒng)。