張兵　趙景波

摘要：傳統汽車帶來的能源和環(huán)境問題嚴重制約著當今汽車產業(yè)的發(fā)展。增程式電動汽車作為純電動汽車的平穩(wěn)過渡車型，以其效率高，電池容量小，行駛里程長等優(yōu)點受到了廣泛關注。針對增程式電動汽車驅動系統的部件選型、參數匹配及控制策略等關鍵技術問題進行了詳細的分析探討，并指出了在今后的研究工作中值得關注的幾個問題。

關鍵詞：增程式電動汽車；驅動系統；增程器；控制策略

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）02-0031-06 有限的石油儲量，基于石油燃料的需求和成本的增加，以及空氣污染等問題嚴重制約著傳統汽車的可持續(xù)發(fā)展。增程式電動汽車（Extend-ed-Range Electric Vehicle，E-REV）作為純電動汽車的平穩(wěn)過渡車型，受到了政府和企業(yè)的廣泛關注，在全球引發(fā)研究熱潮。

國外關于E-REV的研究起步較早，通用、寶馬、奧迪及馬自達等企業(yè)相繼開發(fā)了眾多車型，如雪佛蘭Volt、歐寶Ampera、BMW i3和馬自達ExtenderEV等。國內汽車企業(yè)也逐漸開展了對E-REV的探索與研究，如長城E-REV、奇瑞瑞麒M1-REEV、江淮愛意為E-REV和廣汽傳祺GA5 REV等。 E-REV通過搭載一個增程器（Range Extend-er，RE）系統，與動力電池一起作為驅動電機的動力源。由于動力模塊的增加，整車的控制難度也隨之加大。動力匹配的好壞直接影響著整車性能水平。 本文將對E-REV的驅動系統部件選型、參數匹配與控制策略等關鍵問題進行分析，并指出在今后的研究工作中值得關注的幾個問題。

1 驅動系統簡介 E-REV驅動系統結構如圖1所示，主要由儲能系統（動力電池）、動力驅動系統（驅動電機、減速器、差速器）和增程器系統（發(fā)動機、發(fā)電機）組成。動力電池作為主動力源給驅動電機提供電能，同時也為發(fā)動機的起動提供反拖電流；驅動電機經減速器和差速器驅動車輪，保證正常行駛；增程器給驅動電機提供輔助動力并為動力電池充電，增加車輛的續(xù)駛里程。

驅動系統是E-REV的“心臟”，恰當的選擇動力部件類型以及合理匹配各部件參數，對保證整車的動力性、經濟性、排放性和續(xù)駛里程要求具有重要的意義。

2 動力部件選型

2.1 驅動電機選型

驅動電機由電機、功率轉換器和控制器組成。其工作環(huán)境具有工況變化頻繁、沖擊及振動較大等特點，因而要求驅動電機尺寸小、重量輕、調速范圍廣、在寬轉速和轉矩范圍內控制簡單，成本低，很少需要維護。目前，應用于電動汽車的驅動電機種類及性能對此如表1所示。 永磁同步電機的轉子采用永磁體，無繞組、無銅耗，低負荷工作時鐵損小。結合表1，雖然具有起動較慢、功率范圍較小、控制系統復雜的缺點，但其效率及比功率高、調速范圍寬且精度高、運行平穩(wěn)、可靠性好等優(yōu)勢仍十分明顯，是當前E-REV驅動電機較優(yōu)的選擇。

2.2 動力電池選型

電池技術是制約當前電動汽車發(fā)展的瓶頸。目前，應用于電動汽車上的電池主要類型及性能如表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、使用壽命長以及成本較低等優(yōu)點，是當前E-REV動力電池較理想的選擇。

2.3 增程器選型

2.3.1 增程發(fā)動機選擇

增程器作為整車輔助動力源，只在動力電池電量不足時才啟動工作。目前，應用于電動汽車的發(fā)動機主要類型及特性對比如表3所示。表中“-”為基準線；“√”代表好；“×”代表差。 結合表3，柴油發(fā)動機雖然能量效率高，但它體積大，笨重，NVH性能不好。兩沖程汽油機有掃氣損失，燃油利用率不高。轉子發(fā)動機目前仍處于研發(fā)階段，未能批量生產。相比之下，四沖程發(fā)動機具有平臺更為通用化、制造成本低、技術更加成熟等明顯優(yōu)勢，是當前增程發(fā)動機較理想的選擇。

2.3.2 發(fā)電機選型 增程模式下，發(fā)電機將發(fā)動機輸出的機械能轉化為電能，給驅動電機提供能量，驅動車輛行駛。發(fā)電機的選型依據與驅動電機相類似，目前增程式電動汽車的發(fā)電機多采用永磁同步電機。

3 驅動系統參數匹配

3.1 驅動電機參數匹配

增程式電動汽車以純電動驅動為主，驅動電機通過主減速器直接驅動汽車行駛，根據電機低速恒轉矩、高速恒功率的外特性，需匹配的驅動電機參數有：基速n₀、最高轉速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和最高轉速n_max

驅動電機的最高轉速與汽車的最高車速有直接的關系：式中，i_n為傳動系速比，取值為6.4 確定了電機的最高轉速，根據即可得到電機的基速。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

驅動電機的峰值功率應達到最高車速、加速性能和爬坡要求所需的最大功率：其中，只為最高車速確定的最大功率，v_max為最高車速，η為傳動系效率，P₂為加速性能所需的最大功率，δ為旋轉質量換算系數，v_f為加速末速度，v_b為電機基速對應的車速，p_a為空氣密度；P₃為最大爬坡度確定的最大功率，v_a為爬坡車速，a_max為最大爬坡度。

因此，驅動電機的峰值功率滿足P_max≥max[P₁，P₂P₃]，其額定功率一可按下式計算得到：

P_max=P_N·λ， （6）式中，λ為電機過載系數，一般取值2～3。

（3）峰值扭矩T_max和額定扭矩T_N

根據扭矩一功率關系式：將驅動電機的峰值功率和額定功率分別代入上式即可得到驅動電機的峰值扭矩和額定扭矩。

3.2 動力電池參數匹配

動力電池主要參數根據功率要求和能量要求來選擇。

（1）功率要求

動力電池最大放電功率應不小于驅動電機的峰值功率，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為直流母線電壓，V；C_p為由功率確定的電池容量，Ah。 結合式（8）、（9），可得 （2）能量要求 動力電池容量應滿足汽車純電動里程對能量的要求，即：式中，E_B為電池能量，KW·h；v為汽車勻速行駛的車速，km/h；DOD為電池放電深度，%；η_mc為驅動電機效率；η_b為電池放電效率；η_a為汽車附件能量消耗系數；S₁為純電動行駛里程，km。

又有式中，C_E為電池容量，Ah。 將上式進行轉換，可得

3.3 增程器參數匹配

3.3.1 增程發(fā)動機參數匹配

增程器是為了在動力電池電量不足的情況下，輸出功率以滿足汽車的行駛需求。增程發(fā)動機的最大輸出功率應滿足：式中，η_gen為發(fā)電機的發(fā)電效率。

3.3.2 發(fā)電機參數匹配 增程器的輸出功率需要保證汽車以一定車速勻速行駛的要求。式中，v為汽車勻速行駛的車速，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，驅動系統各部件在滿足整車動力性的基礎上，機械和電氣部件之間的配合影響著整車的燃油經濟性。 近年來，關于E-REV控制策略的研究主要有基于規(guī)則的邏輯門限值、模糊邏輯、神經網絡以及自適應控制策略。對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 該控制策略根據電池SOC的門限值決定增程器的開啟與關閉。設定SOC上下限值，當電池SOC高于上限值SOC_max時，增程發(fā)動機關閉，動力電池提供整車能量需求；當電池SOC低于下限值SOC_min時，增程發(fā)動機起動，并工作于最優(yōu)效率點，驅動發(fā)電機運轉發(fā)電，給驅動電機提供能量，保證車輛繼續(xù)行駛，多余能量將用于補給動力電池；當電池SOC位于上下限值之間時，增程發(fā)動機保持前一時刻的工作狀態(tài)。此控制策略的優(yōu)點是發(fā)動機易于控制，能保持在低油耗、高效率點恒功率輸出，有效避免發(fā)動機頻繁啟停和功率波動。缺點是能量傳遞鏈長，效率損失較大，整車能量效率低；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 該控制策略根據電池SOC及整車功率需求確定增程器的開啟與關閉。增程發(fā)動機實時跟隨負載的功率需求，工作在設定的經濟區(qū)內，而非固定的工作點上；只有當電池SOC大于上限值SOC_max功率需求小于P_{e_low}時，發(fā)動機才關閉。此控制策略的優(yōu)點是發(fā)動機以恒定范圍的功率輸出，減少了動力電池充放電循環(huán)且不被過放。缺點是發(fā)動機工作在區(qū)間內，波動頻繁，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合的綜合控制策略。發(fā)動機工作在效率較高的區(qū)域，避免了轉速過于頻繁變化。此控制策略在整車效率、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。

4.2 控制策略優(yōu)化

在E-REV開發(fā)過程中，協調動力電池和增程器的能量供應，控制增程器在滿足整車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，由于上述控制策略均存在著不足之處，所以需對控制策略進行優(yōu)化設計。

文獻提出了對多工作點控制策略的發(fā)動機輸出功率值進行多目標優(yōu)化及對模糊控制策略的隸屬度函數進行優(yōu)化，最終降低了燃油消耗，提高了經濟性。文獻提出了使發(fā)動機工作于效率較高的兩、三個工作點的增程器多工作點優(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)動機工作點轉速較高，整車噪音較大的不足。文獻提出了一種魯棒線性變參數控制方法，實現了對增程器的輸出電壓的穩(wěn)定控制，取得了較好的抗負載擾動效果。文獻構造了增程器油耗和排放多目標優(yōu)化模型，分析了轉速、轉矩約束條件，采用多目標粒子群算法和加權尺度法對多目標優(yōu)化模型進行了求解，得出了增程器系統的最優(yōu)全局工作點和各功率條件下的多目標最優(yōu)曲線。文獻提出了一種基于滑模變結構的增程器工作點控制方法，該方法采用兩個滑?？刂破鲗⒃龀唐骺刂圃谄渥罴讶加托蕝^(qū)域，其中一個滑模控制器用于調整節(jié)氣門開度，從而實現對發(fā)動機轉速的控制；另一個滑?？刂破饔糜谡{整電機控制器的給定轉矩，從而實現對發(fā)動機轉矩的控制。文獻提出了一種基于改進型動態(tài)規(guī)劃算法的優(yōu)化控制策略，采用發(fā)動機的功率一效率模型，通過對發(fā)動機和電池輸出功率的優(yōu)化，實現了整車油耗的優(yōu)化，文獻將發(fā)動機的效率看作功率的非線性函數，采用非線性規(guī)劃方法來求解增程器的效率優(yōu)化控制問題。

5 結語

增程式電動汽車具備純電動汽車節(jié)能、環(huán)保、經濟和性能優(yōu)良等全部優(yōu)點，同時又克服了純電動汽車電池蓄電能力不足，續(xù)駛里程不理想的缺點，將擁有廣闊的市場前景。

增程式電動汽車的經濟性能和整車效率的提高，依賴于對驅動系統部件的更深入研究。在今后的研究工作中應特別關注以下幾個問題：

（1）能源轉換效率進一步提升。在增程式工作模式下，E-REV能源轉換效率尚不能達到機械耦合混合動力車型的水平，仍存在較大的提升空間。

（2）控制策略進一步完善。目前針對E-REV控制策略研究仍不夠成熟，后續(xù)可以針對控制策略進行更深入的探索，對比不同優(yōu)化方法的優(yōu)劣，綜合考慮得出最佳選擇。

（3）在增程式電動汽車的實際開發(fā)中，整車及控制策略的建模仿真終究偏理論，缺乏說服力。后續(xù)研究中應一方面搭建硬件在環(huán)仿真平臺，另一方面進行實車測試，充分驗證系統部件的選型、參數的匹配以及設計的控制策略的正確性和可行性。

責任編輯 祁秀春