張金龍 Anthony David Wearing 陳淵博 王 帆 雍玉芳

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

增程式電動汽車（Range Extended Electric Vehicle；REEV）是電動汽車的一種，其顯著區(qū)別于純電動汽車（Battery Electric Vehicle；BEV）的特征是其具有車載輔助裝置為動力系統(tǒng)提供電能以達到增加續(xù)航里程的目的。車載輔助裝置一般由發(fā)動機和發(fā)電機組成，二者通過機械結構連接。由于增程器系統(tǒng)中發(fā)動機的存在，故其又具有與傳統(tǒng)燃油車一樣的轉矩波動問題，若得不到有效解決會降低動力總成生命周期、影響駕駛員的舒適性、增加NVH 問題等。故研究減小增程器的轉矩波動對增程式電動汽車的普及具有重要意義。

國內(nèi)對于轉矩波動控制的研究較少。湖南大學王耀南等對增程式電動汽車動力系統(tǒng)的部件選型、系統(tǒng)配置、控制優(yōu)化等關鍵技術進行了研究，并指出了未來增程器研究值得關注的問題[1]。同濟大學張立軍等建立了某商用車增程器的扭轉振動仿真模型，分析得出了扭振產(chǎn)生的原因[2]。國外對轉矩波動控制的研究主要集中在混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle；HEV）。法國普瓦提埃大學的Cauet，S，Njeh，M 等人以速度為參數(shù)設計了LPV（linear parameter varying）控制策略，通過電機補償發(fā)動機的轉矩波動，之后通過仿真和實驗證明了應用該控制策略降低轉矩波動和速度波動的有效性[3-5]。然而上述降低轉矩波動的方法需要使用輔助設備如電機、起動機等對發(fā)動機進行補償，消耗額外的能量，因此會降低系統(tǒng)的效率，同時還需要增加傳感器等額外部件，增加了成本[6]，并且HEV 和REEV 的動力架構大為不同，后者轉矩不會傳遞到車輪，所以需要不同的控制策略。

因此本文基于某增程器，研究適用于增程式電動汽車的轉矩波動控制。對增程器進行了定義，分析了增程器產(chǎn)生轉矩波動的原因，基于發(fā)動機的輸出特性，運用不同的動態(tài)轉矩控制策略降低增程器轉矩波動并對比不同的控制策略轉矩波動降低的效果。

1 增程器的定義

本文中增程器系統(tǒng)的架構如圖1 所示。發(fā)動機為是增程器的能量來源。電機/發(fā)電機為永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor；PMSM），具有起動機（integrated startor generator；ISG）和發(fā)電機2 種功能。作為起動機使用時，倒拖發(fā)動機至發(fā)動機啟動。作為發(fā)電機使用時，將發(fā)動機輸入的機械能轉換為電能，輸出三相交流電；發(fā)電機控制器即逆變器（INVERTER）將三相交流電整流成直流電為電池充電。

圖1 增程器系統(tǒng)架構圖

增程式電動汽車本質(zhì)上依然是一款電動車，其主要對標對象為純電動汽車，因此增程器的開發(fā)要滿足以下主要指標。

1）成本低

制約純電動汽車發(fā)展的主要因素之一是當前電池成本過高，故增程器要有明顯的成本優(yōu)勢。增程器的成本主要由發(fā)動機、電機和控制器組成，其中發(fā)動機的成本最高，一般占到一半以上，而電機和控制器發(fā)展較為成熟，成本下降空間有限，因此降低增程器成本的關鍵在于降低發(fā)動機的成本。

2）體積小

乘用車常用的高缸數(shù)、大排量發(fā)動機占用體積過大，加入電機、控制器等難以布置在有限的空間內(nèi)，故增程器的體積要小。對于發(fā)電機可以選用軸向磁通電機、對于發(fā)動機可以采用低缸數(shù)、小排量的發(fā)動機以達到減小體積，提高功率密度的目的。如2014 款寶馬i3 的增程器采用0.65 L 直列兩缸汽油發(fā)動機[7]。

3）效率高

增程器系統(tǒng)效率的計算公式如下：

式中：ηre為增程器的效率；ηe為發(fā)動機的效率；ηg為發(fā)電機的效率；ηi為控制器的效率；ηo為其他效率之積。

其中控制器的效率ηi很高，通?？梢赃_95%以上。

發(fā)動機的效率ηe具有很大的提升空間。主要原因是傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機需要在較大的轉速范圍內(nèi)運行，而增程器發(fā)動機不參與直接驅動車輛，可以一直運行在高效區(qū)，因此可以聚焦特定的運行區(qū)域，開發(fā)高效的增程專用發(fā)動機。

與發(fā)動機類似，發(fā)電機的效率ηg與其運行區(qū)域有關，因此也可以通過優(yōu)化特定運行區(qū)域來提升整體效率。

4）NVH 性能好

增程式電動汽車相對于純電動汽車NVH 的劣勢主要來自于發(fā)動機。除了降低增程器本身的NVH問題之外也可以考慮利用其他方式降低乘客對NVH 的感受，如利用路面噪聲、空氣噪聲對發(fā)動機噪聲的掩蔽效應降低高速行駛時的整車噪聲[8]。

2 增程器的轉矩波動及其影響

內(nèi)燃機屬于間隔性工作的熱機，在一個工作循環(huán)中每個氣缸各發(fā)火一次，各缸爆發(fā)時對曲軸做功，在周期性的轉矩激勵下，曲軸輸出端會產(chǎn)生周期性轉矩波動。本文中增程器采用的發(fā)動機在某工況下的曲軸轉角-轉矩曲線如圖2 所示。

圖2 某工況下發(fā)動機的曲軸轉角-轉矩曲線

由于內(nèi)燃機的輸出轉矩和負載轉矩不能時時平衡，因而產(chǎn)生轉矩波動。這種波動會使得曲軸的轉速出現(xiàn)上升或下降，這種加速和減速的變化，被稱為曲軸回轉不均勻度（Speed Irregularity）。回轉不均勻度計算公式為

式中：σ 為回轉不均勻度；ωmax為最大轉速；ωmin為最小轉速；ωmean為平均轉速。

曲軸回轉速度的不均勻性，會使曲軸產(chǎn)生振動，對負載零件產(chǎn)生沖擊，為了改善內(nèi)燃機運行狀況，一般會在曲軸功率輸出端加裝飛輪。為了研究問題的方便，發(fā)動機轉速計算公式簡化如下：

式中：Te為發(fā)動機轉矩；Tload為負載轉矩；J0為內(nèi)燃機所有運動構件換算到曲軸上的轉動慣量；α 為角加速度。

式中：ω 為發(fā)動機轉速；ω0為初始轉速；t 為時間。

由公式（2）、（3）、（4）可知，加裝飛輪可以提高J0從而有助于改善內(nèi)燃機的曲軸回轉不均勻度，當飛輪慣量足夠大時，理論上曲軸可以做到勻速轉動。

式中：JF為飛輪轉動慣量；ρ 為材料密度；b 為輪緣厚度；r1為輪緣內(nèi)徑；r2為輪緣外徑。

由公式（5）可知，飛輪的轉動慣量受尺寸（輪緣外徑、輪緣厚度）和材料（材料密度）的影響。在理想狀態(tài)下，本增程器有3 種飛輪布置方案，轉動慣量分別為0.05 kg/m2、0.06 kg/m2和0.13 kg/m2。如圖3 所示為發(fā)動機在某工況下，分別采用3 種規(guī)格飛輪的回轉不均勻度的仿真結果。

圖3 回轉不均勻度仿真結果

由圖3 可知，隨著飛輪轉動慣量的增加，發(fā)動機回轉不均勻度相應地有所降低。但在本增程器的開發(fā)過程中，受限于增程器整體重量和體積要求，飛輪慣量受限，因此需從其他方面設計直接改善轉矩波動。

3 動態(tài)轉矩控制降低轉矩波動

根據(jù)前文中對增程器的定義，本文中增程器發(fā)電機選用永磁同步電機PMSM，發(fā)動機的轉矩波動如圖4 所示。

增程器的發(fā)電機通常采用恒轉矩控制策略，即控制發(fā)電機轉矩等于發(fā)動機輸出的平均轉矩。

式中：Te_mean為發(fā)動機平均轉矩；Tg_mean為發(fā)電機平均轉矩。

由圖4 可知，發(fā)動機曲軸所受到的和轉矩始終是波動的，定義轉矩波動如下：

式中：Tr為轉矩波動；Te為發(fā)動機轉矩。

為了直觀地評價發(fā)動機曲軸上的轉矩波動大小，定義平均轉矩波動Tr_mean：

式中：Tr_mean為平均轉矩波動；Tc為循環(huán)波動周期。

根據(jù)公式（7）、（8），可得出發(fā)電機在恒轉矩控制下的轉矩波動和平均轉矩波動如圖4 所示。

從圖5 中可知，增程器的轉矩波動是很大的。平均轉矩波動為87.05 N·m。為了降低轉矩波動，從而降低對增程器的影響，根據(jù)公式（7），可以考慮在轉矩波動較大區(qū)域采用動態(tài)轉矩控制。

圖4 增程器恒轉矩控制策略

圖5 恒轉矩控制轉矩波動和平均轉矩波動

值得注意的是，動態(tài)轉矩控制時發(fā)電機不能對發(fā)動機的負轉矩進行補償，否則發(fā)電機會消耗電能做功，影響系統(tǒng)效率。因此設計控制策略的原則為在不降低增程器系統(tǒng)效率和輸出功率的前提下，降低轉矩波動。據(jù)此，同時綜合考慮發(fā)電機控制器的能力，本文提供了以下2 種動態(tài)控制策略：

1）正轉矩區(qū)控制法

即在發(fā)動機負轉矩區(qū)不施加負載，只對正轉矩區(qū)施加負載，動態(tài)轉矩控制如圖6 所示，轉矩波動和平均轉矩波動如圖7 所示。計算得出平均轉矩波動為71.48 N·m。

圖6 正轉矩區(qū)控制法

圖7 正轉矩區(qū)控制法轉矩波動

2）抵消負轉矩區(qū)法

注意到發(fā)動機負轉矩區(qū)域較小，考慮選取負轉矩區(qū)域前一段正轉矩區(qū)域對其進行抵消。動態(tài)轉矩控制如圖8 所示，轉矩波動和平均轉矩波動如圖9所示。計算得出平均轉矩波動為61.90 N·m。

圖8 抵消負轉矩區(qū)法控制策略

圖9 抵消負轉矩區(qū)法轉矩波動

4 結論

為了降低增程器的轉矩波動，根據(jù)發(fā)動機的轉矩輸出特點，設計了不同的動態(tài)轉矩控制策略，經(jīng)過計算對比得出如下結論：

1）通過對比圖5、7、9 可知，應用的動態(tài)轉矩控制相對于恒轉矩控制具有降低總體轉矩波動和平均轉矩波動的作用，其中平均轉矩波動分別降低了17.89%和28.89%。

2）通過對比圖7 和圖9 可知，應用不同的動態(tài)轉矩控制策略具有不同的效果。策略二相對于策略一轉矩波動和平均轉矩波動較小。但是由于其施加的動態(tài)轉矩更大，所以發(fā)電機電樞電流的有效值會變大。這2 種動態(tài)控制策略都需要重新評估對發(fā)電機的影響。

3）限于作者水平，本文沒有對轉矩波動產(chǎn)生的NVH 等問題作進一步分析，后續(xù)會對應用動態(tài)轉矩控制進行包括NVH、效率等在內(nèi)的多維度量化分析。