增程式電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

張兵　趙景波

摘要：傳統(tǒng)汽車(chē)帶來(lái)的能源和環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重制約著當(dāng)今汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。增程式電動(dòng)汽車(chē)作為純電動(dòng)汽車(chē)的平穩(wěn)過(guò)渡車(chē)型，以其效率高，電池容量小，行駛里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。針對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部件選型、參數(shù)匹配及控制策略等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析探討，并指出了在今后的研究工作中值得關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車(chē)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；增程器；控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2016）02-0031-06 有限的石油儲(chǔ)量，基于石油燃料的需求和成本的增加，以及空氣污染等問(wèn)題嚴(yán)重制約著傳統(tǒng)汽車(chē)的可持續(xù)發(fā)展。增程式電動(dòng)汽車(chē)（Extend-ed-Range Electric Vehicle，E-REV）作為純電動(dòng)汽車(chē)的平穩(wěn)過(guò)渡車(chē)型，受到了政府和企業(yè)的廣泛關(guān)注，在全球引發(fā)研究熱潮。

國(guó)外關(guān)于E-REV的研究起步較早，通用、寶馬、奧迪及馬自達(dá)等企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)了眾多車(chē)型，如雪佛蘭Volt、歐寶Ampera、BMW i3和馬自達(dá)ExtenderEV等。國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)也逐漸開(kāi)展了對(duì)E-REV的探索與研究，如長(zhǎng)城E-REV、奇瑞瑞麒M1-REEV、江淮愛(ài)意為E-REV和廣汽傳祺GA5 REV等。 E-REV通過(guò)搭載一個(gè)增程器（Range Extend-er，RE）系統(tǒng)，與動(dòng)力電池一起作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力源。由于動(dòng)力模塊的增加，整車(chē)的控制難度也隨之加大。動(dòng)力匹配的好壞直接影響著整車(chē)性能水平。 本文將對(duì)E-REV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件選型、參數(shù)匹配與控制策略等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，并指出在今后的研究工作中值得關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 E-REV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)（動(dòng)力電池）、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、差速器）和增程器系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)）組成。動(dòng)力電池作為主動(dòng)力源給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，同時(shí)也為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)提供反拖電流；驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器和差速器驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，保證正常行駛；增程器給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供輔助動(dòng)力并為動(dòng)力電池充電，增加車(chē)輛的續(xù)駛里程。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是E-REV的“心臟”，恰當(dāng)?shù)倪x擇動(dòng)力部件類(lèi)型以及合理匹配各部件參數(shù)，對(duì)保證整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和續(xù)駛里程要求具有重要的意義。

2 動(dòng)力部件選型

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器和控制器組成。其工作環(huán)境具有工況變化頻繁、沖擊及振動(dòng)較大等特點(diǎn)，因而要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)尺寸小、重量輕、調(diào)速范圍廣、在寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)控制簡(jiǎn)單，成本低，很少需要維護(hù)。目前，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類(lèi)及性能對(duì)此如表1所示。 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁體，無(wú)繞組、無(wú)銅耗，低負(fù)荷工作時(shí)鐵損小。結(jié)合表1，雖然具有起動(dòng)較慢、功率范圍較小、控制系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)，但其效率及比功率高、調(diào)速范圍寬且精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好等優(yōu)勢(shì)仍十分明顯，是當(dāng)前E-REV驅(qū)動(dòng)電機(jī)較優(yōu)的選擇。

2.2 動(dòng)力電池選型

電池技術(shù)是制約當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸。目前，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上的電池主要類(lèi)型及性能如表2所示。

鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池（LiFePO₄）具有比能量和比功率高、充放電性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前E-REV動(dòng)力電池較理想的選擇。

2.3 增程器選型

2.3.1 增程發(fā)動(dòng)機(jī)選擇

增程器作為整車(chē)輔助動(dòng)力源，只在動(dòng)力電池電量不足時(shí)才啟動(dòng)工作。目前，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要類(lèi)型及特性對(duì)比如表3所示。表中“-”為基準(zhǔn)線(xiàn)；“√”代表好；“×”代表差。 結(jié)合表3，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)雖然能量效率高，但它體積大，笨重，NVH性能不好。兩沖程汽油機(jī)有掃氣損失，燃油利用率不高。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)目前仍處于研發(fā)階段，未能批量生產(chǎn)。相比之下，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有平臺(tái)更為通用化、制造成本低、技術(shù)更加成熟等明顯優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前增程發(fā)動(dòng)機(jī)較理想的選擇。

2.3.2 發(fā)電機(jī)選型 增程模式下，發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。發(fā)電機(jī)的選型依據(jù)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相類(lèi)似，目前增程式電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)電機(jī)多采用永磁同步電機(jī)。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

增程式電動(dòng)汽車(chē)以純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)為主，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)主減速器直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，根據(jù)電機(jī)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的外特性，需匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)有：基速n₀、最高轉(zhuǎn)速n_max、峰值功率P_max、額定功率P_N、峰值扭矩T_max、額定扭矩T_N。

（1）基速n_n和最高轉(zhuǎn)速n_max

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與汽車(chē)的最高車(chē)速有直接的關(guān)系：式中，i_n為傳動(dòng)系速比，取值為6.4 確定了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，根據(jù)即可得到電機(jī)的基速。式中，β為基速比，一般取值2～4。

（2）峰值功率P_max和額定功率P_N

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)達(dá)到最高車(chē)速、加速性能和爬坡要求所需的最大功率：其中，只為最高車(chē)速確定的最大功率，v_max為最高車(chē)速，η為傳動(dòng)系效率，P₂為加速性能所需的最大功率，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，v_f為加速末速度，v_b為電機(jī)基速對(duì)應(yīng)的車(chē)速，p_a為空氣密度；P₃為最大爬坡度確定的最大功率，v_a為爬坡車(chē)速，a_max為最大爬坡度。

因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率滿(mǎn)足P_max≥max[P₁，P₂P₃]，其額定功率一可按下式計(jì)算得到：

P_max=P_N·λ， （6）式中，λ為電機(jī)過(guò)載系數(shù)，一般取值2～3。

（3）峰值扭矩T_max和額定扭矩T_N

根據(jù)扭矩一功率關(guān)系式：將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率和額定功率分別代入上式即可得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩和額定扭矩。

3.2 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

動(dòng)力電池主要參數(shù)根據(jù)功率要求和能量要求來(lái)選擇。

（1）功率要求

動(dòng)力電池最大放電功率應(yīng)不小于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率，即：式中，P_{bat_max}為電池最大放電功率，kW；P_acc為汽車(chē)附件功率，kW。

又有式中，量為電池最大放電率，h^-1；U_m為直流母線(xiàn)電壓，V；C_p為由功率確定的電池容量，Ah。 結(jié)合式（8）、（9），可得 （2）能量要求 動(dòng)力電池容量應(yīng)滿(mǎn)足汽車(chē)純電動(dòng)里程對(duì)能量的要求，即：式中，E_B為電池能量，KW·h；v為汽車(chē)勻速行駛的車(chē)速，km/h；DOD為電池放電深度，%；η_mc為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率；η_b為電池放電效率；η_a為汽車(chē)附件能量消耗系數(shù)；S₁為純電動(dòng)行駛里程，km。

又有式中，C_E為電池容量，Ah。 將上式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得

3.3 增程器參數(shù)匹配

3.3.1 增程發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

增程器是為了在動(dòng)力電池電量不足的情況下，輸出功率以滿(mǎn)足汽車(chē)的行駛需求。增程發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率應(yīng)滿(mǎn)足：式中，η_gen為發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

3.3.2 發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配 增程器的輸出功率需要保證汽車(chē)以一定車(chē)速勻速行駛的要求。式中，v為汽車(chē)勻速行駛的車(chē)速，km/h。

4 控制策略研究

4.1 控制策略方法 控制策略是E-REV研發(fā)的重點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件在滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，機(jī)械和電氣部件之間的配合影響著整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。 近年來(lái)，關(guān)于E-REV控制策略的研究主要有基于規(guī)則的邏輯門(mén)限值、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及自適應(yīng)控制策略。對(duì)增程模式下增程器控制策略研究主要有以下三種： （1）恒功率控制策略 該控制策略根據(jù)電池SOC的門(mén)限值決定增程器的開(kāi)啟與關(guān)閉。設(shè)定SOC上下限值，當(dāng)電池SOC高于上限值SOC_max時(shí)，增程發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，動(dòng)力電池提供整車(chē)能量需求；當(dāng)電池SOC低于下限值SOC_min時(shí)，增程發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并工作于最優(yōu)效率點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，保證車(chē)輛繼續(xù)行駛，多余能量將用于補(bǔ)給動(dòng)力電池；當(dāng)電池SOC位于上下限值之間時(shí)，增程發(fā)動(dòng)機(jī)保持前一時(shí)刻的工作狀態(tài)。此控制策略的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)易于控制，能保持在低油耗、高效率點(diǎn)恒功率輸出，有效避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停和功率波動(dòng)。缺點(diǎn)是能量傳遞鏈長(zhǎng)，效率損失較大，整車(chē)能量效率低；電池頻繁大電流充、放電，降低電池壽命。 （2）功率跟隨控制策略 該控制策略根據(jù)電池SOC及整車(chē)功率需求確定增程器的開(kāi)啟與關(guān)閉。增程發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)跟隨負(fù)載的功率需求，工作在設(shè)定的經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，而非固定的工作點(diǎn)上；只有當(dāng)電池SOC大于上限值SOC_max功率需求小于P_{e_low}時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才關(guān)閉。此控制策略的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定范圍的功率輸出，減少了動(dòng)力電池充放電循環(huán)且不被過(guò)放。缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作在區(qū)間內(nèi)，波動(dòng)頻繁，降低了效率和影響排放。

（3）恒功率+功率跟隨控制策略

該控制策略是將前兩者相結(jié)合的綜合控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在效率較高的區(qū)域，避免了轉(zhuǎn)速過(guò)于頻繁變化。此控制策略在整車(chē)效率、油耗和排放方面得到了一定的優(yōu)化控制。但其功率跟隨控制策略的不足仍得到了體現(xiàn)。

4.2 控制策略?xún)?yōu)化

在E-REV開(kāi)發(fā)過(guò)程中，協(xié)調(diào)動(dòng)力電池和增程器的能量供應(yīng)，控制增程器在滿(mǎn)足整車(chē)需求的前提下燃油消耗最少，排放最低一直是研發(fā)的重點(diǎn)，由于上述控制策略均存在著不足之處，所以需對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)提出了對(duì)多工作點(diǎn)控制策略的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率值進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化及對(duì)模糊控制策略的隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終降低了燃油消耗，提高了經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)提出了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于效率較高的兩、三個(gè)工作點(diǎn)的增程器多工作點(diǎn)優(yōu)化控制策略，既能避免在功率跟隨控制策略下效率不高的缺陷，又能防止在恒功率控制策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速較高，整車(chē)噪音較大的不足。文獻(xiàn)提出了一種魯棒線(xiàn)性變參數(shù)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)增程器的輸出電壓的穩(wěn)定控制，取得了較好的抗負(fù)載擾動(dòng)效果。文獻(xiàn)構(gòu)造了增程器油耗和排放多目標(biāo)優(yōu)化模型，分析了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩約束條件，采用多目標(biāo)粒子群算法和加權(quán)尺度法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行了求解，得出了增程器系統(tǒng)的最優(yōu)全局工作點(diǎn)和各功率條件下的多目標(biāo)最優(yōu)曲線(xiàn)。文獻(xiàn)提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的增程器工作點(diǎn)控制方法，該方法采用兩個(gè)滑模控制器將增程器控制在其最佳燃油效率區(qū)域，其中一個(gè)滑?？刂破饔糜谡{(diào)整節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；另一個(gè)滑?？刂破饔糜谡{(diào)整電機(jī)控制器的給定轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。文獻(xiàn)提出了一種基于改進(jìn)型動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的優(yōu)化控制策略，采用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率一效率模型，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電池輸出功率的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)油耗的優(yōu)化，文獻(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)的效率看作功率的非線(xiàn)性函數(shù)，采用非線(xiàn)性規(guī)劃方法來(lái)求解增程器的效率優(yōu)化控制問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

增程式電動(dòng)汽車(chē)具備純電動(dòng)汽車(chē)節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和性能優(yōu)良等全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了純電動(dòng)汽車(chē)電池蓄電能力不足，續(xù)駛里程不理想的缺點(diǎn)，將擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

增程式電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性能和整車(chē)效率的提高，依賴(lài)于對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的更深入研究。在今后的研究工作中應(yīng)特別關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）能源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升。在增程式工作模式下，E-REV能源轉(zhuǎn)換效率尚不能達(dá)到機(jī)械耦合混合動(dòng)力車(chē)型的水平，仍存在較大的提升空間。

（2）控制策略進(jìn)一步完善。目前針對(duì)E-REV控制策略研究仍不夠成熟，后續(xù)可以針對(duì)控制策略進(jìn)行更深入的探索，對(duì)比不同優(yōu)化方法的優(yōu)劣，綜合考慮得出最佳選擇。

（3）在增程式電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際開(kāi)發(fā)中，整車(chē)及控制策略的建模仿真終究偏理論，缺乏說(shuō)服力。后續(xù)研究中應(yīng)一方面搭建硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，另一方面進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，充分驗(yàn)證系統(tǒng)部件的選型、參數(shù)的匹配以及設(shè)計(jì)的控制策略的正確性和可行性。

責(zé)任編輯 祁秀春