趙建新，吳 舟，王自立，牛振華

(安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引言

作為解決能源匱乏問(wèn)題和汽車(chē)尾氣引發(fā)的氣候問(wèn)題的最佳方案之一，純電動(dòng)汽車(chē)已成為紅海世界并被世界各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注[1]。到2035年，節(jié)能汽車(chē)與新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量各占50%，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，隨著純電動(dòng)汽車(chē)電池的技術(shù)性能等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，并逐步走向成熟，純電動(dòng)汽車(chē)將會(huì)接近或者達(dá)到燃油汽車(chē)的性能水平[2]。

近年來(lái)，隨著純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，由于電池容量的限制，純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程較短，而提高純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程在很大程度上可以緩解用戶(hù)的“里程焦慮”，合理的續(xù)駛里程可以指導(dǎo)用戶(hù)出行。盡管我國(guó)出臺(tái)了一系列的補(bǔ)貼政策，但是受限于純電動(dòng)汽車(chē)一次充電的續(xù)駛里程太短、售價(jià)過(guò)高以及充電設(shè)施不健全等因素導(dǎo)致我國(guó)消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)認(rèn)可度不高。以往的研究表明行駛工況對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的控制策略和能量消耗方面有較大的影響，同一款汽車(chē)在不同工況下的續(xù)駛里程差異較大[3-5]。除此之外，在行駛的過(guò)程中影響車(chē)輛續(xù)駛里程的因素有多種，包括駕駛員的操作特性、車(chē)輛自身的參數(shù)、道路及環(huán)境等等。本文以某型號(hào)商用車(chē)為例，根據(jù)純電動(dòng)商用汽車(chē)的控制原理，確定提高續(xù)駛里程的措施主要有電機(jī)控制、動(dòng)力電池管理和整車(chē)設(shè)計(jì)方面，分別對(duì)其控制策略的優(yōu)化進(jìn)行分析，從而提出提高續(xù)駛里程的措施。

1 電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)工作原理

要想提高純電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程，首先要知道純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)是如何工作，以某款商用車(chē)為例，其控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，通過(guò)駕駛者控制踏板及檔位操作、動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)信息及車(chē)輛自身狀態(tài)的判斷，給出模擬電子信號(hào)給控制器或處理器，選擇驅(qū)動(dòng)模式后，由控制器或處理器將模擬信號(hào)處理后控制電動(dòng)機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速及正反轉(zhuǎn)。純電動(dòng)車(chē)是指以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車(chē)輛，其由電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)組成[6]。結(jié)合控制系統(tǒng)原理圖，可知提高措施主要有三方面：1、電機(jī)控制；2、動(dòng)力電池管理；3、整車(chē)設(shè)計(jì)。分別對(duì)其介紹如下：

(1)整車(chē)控制部分:

整車(chē)控制部分主要是判斷操縱者意愿，根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)和電池、電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)合理分配；

(2)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分:

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)部分功能是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換的子系統(tǒng)，其功能是接受整車(chē)控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛、轉(zhuǎn)向和再生制動(dòng)回饋能量，同時(shí)監(jiān)控電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)并故障報(bào)警和處理。

(3)電池、電池管理和電壓轉(zhuǎn)化部分:

這部分的作用主要是進(jìn)行能量的貯存及能量的釋放、需要電壓的轉(zhuǎn)換和電池狀態(tài)的檢測(cè)等等。

整車(chē)控制(VCU)、電池管理(BMS)及電機(jī)管理(MCU)三個(gè)部分的結(jié)構(gòu)如圖2:

2 電機(jī)控制方面

2.1 使電機(jī)工作在高效率區(qū)間

(1)普通單電機(jī)在低速、高速輕載等情況下，效率降低較多

通常電機(jī)的最高工作效率區(qū)在高轉(zhuǎn)速區(qū)域(>4000rpm)，對(duì)應(yīng)的車(chē)速大致為65～80km/h，如圖3所示。在高效率區(qū)間方面，電動(dòng)機(jī)雖然比內(nèi)燃機(jī)大的多，但是汽車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求范圍太寬：良好的的加速能力和爬坡性能需要大的扭矩，而速度從0到100km/h以上則對(duì)轉(zhuǎn)速范圍區(qū)間有非常高的要求。

雖然在大部分中高速工況下，電動(dòng)機(jī)的效率都能很高，但是在市內(nèi)低速重載、低速起步、低速輕載、高速輕載等情況下，電動(dòng)機(jī)的效率相對(duì)于高效率區(qū)間會(huì)下降20～30%。因此，使電機(jī)工作在高效率區(qū)間是很關(guān)鍵的一步。

如果設(shè)計(jì)單電機(jī)能夠滿(mǎn)足高扭矩和高轉(zhuǎn)速的區(qū)間，則設(shè)計(jì)及制造的困難程度大，車(chē)身總重量也會(huì)大。

(2)雙電機(jī)可以提高高效率區(qū)間

可以通過(guò)搭配不同的電機(jī)構(gòu)成雙電機(jī)系統(tǒng)，能使系統(tǒng)工作的高效率區(qū)間大大增大，提升在低速重載、高速輕載等情況下的效率。雙電機(jī)系統(tǒng)還可以提高制動(dòng)時(shí)能量回收的效率。驅(qū)動(dòng)效率和回收效率是不同模式下的兩種效率，兩者其實(shí)是一回事，當(dāng)在電動(dòng)模式下工作的時(shí)候是驅(qū)動(dòng)效率，在發(fā)電模式下工作的時(shí)候就是回收效率，雙電機(jī)模式下會(huì)擁有更多的高能量回收效率區(qū)間，從而可以提高制動(dòng)能量回收的效率。使用雙電機(jī)系統(tǒng)還可以解決單電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力中斷的問(wèn)題。單個(gè)電機(jī)可以通過(guò)搭配多檔位變速箱達(dá)到更高的效率，但是如果搭配變速箱，在變速的過(guò)程中就會(huì)有換檔動(dòng)力中斷的現(xiàn)象，而使用雙電機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制則不會(huì)出現(xiàn)此情況。

以某車(chē)型為例，以下幾種階段是雙電機(jī)系統(tǒng)在不同的速度工況下是如何配合工作，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率，其中TM電機(jī)負(fù)責(zé)主驅(qū)，BM電機(jī)負(fù)責(zé)輔助。

在低速范圍內(nèi)，TM 電機(jī)工作。 當(dāng)需要全加速時(shí)，BM電機(jī)與1檔連接。 兩者扭矩耦合，疊加扭矩7S左右即可輕松實(shí)現(xiàn)百公里加速；

在中高速范圍內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)工作條件自動(dòng)選擇工作電機(jī)，使系統(tǒng)始終處于高效率范圍內(nèi)；

在高速輕載范圍內(nèi)，系統(tǒng)將BM電機(jī)連接到2檔，通過(guò)轉(zhuǎn)速耦合，兩臺(tái)電機(jī)仍可在高效段工作。

2.1 最大限度增加能量回收

制動(dòng)能量回收控制的工作原理是電動(dòng)車(chē)在制動(dòng)和滑行的時(shí)候，永磁同步電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，發(fā)出三相交流電，通過(guò)電機(jī)控制器轉(zhuǎn)變成動(dòng)力電池的高壓直流電，給動(dòng)力電池充電，在足夠的制動(dòng)扭矩的基礎(chǔ)上最大限度地回收能量，以滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)安全距離和制動(dòng)性能。

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，再生制動(dòng)力矩完成制動(dòng)，保證制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。電機(jī)制動(dòng)能力受限于最大制動(dòng)力矩和功率限制，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較大，再生制動(dòng)力矩也不可能超過(guò)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大扭矩。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較大，即當(dāng)?shù)孛娓街υ黾訒r(shí)，電機(jī)的最大再生制動(dòng)力只能滿(mǎn)足部分制動(dòng)強(qiáng)度需求，其他制動(dòng)需求由液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供。電機(jī)再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)的結(jié)合使得制動(dòng)力的分配控制策略更加的復(fù)雜，必須在保證車(chē)輛運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理分配，否則會(huì)影響實(shí)際的控制效果，具體是否需要電機(jī)制動(dòng)，且能否滿(mǎn)足能量回收條件，取決于車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行工況。若只以增大能量回收為目標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重降低整車(chē)動(dòng)力性和舒適性，甚至影響其它零部件壽命和人身安全。能量回收條件較為苛刻，如果回收能量≤回收過(guò)程所消耗的能量，能量回收得不償失。此外，能量回收還受當(dāng)前動(dòng)力電池允許的最大回充電流和SOC限制。

3 動(dòng)力電池管理方面

3.1 續(xù)駛里程估算

續(xù)航里程計(jì)算功能，根據(jù)BMS剩余電量和單位能耗行駛的里程數(shù)，計(jì)算出車(chē)輛的續(xù)駛里程。

計(jì)算公式：

總能量=SOC*當(dāng)前電池最大電壓(V)*電池額定電量(Ah)

單位能耗 = SOC變化量*電壓變化量*電量變化量

續(xù)航里程Sres=單位能耗行駛里程*(總能量-∑單位能耗)

從公式可知，續(xù)駛里程取決于動(dòng)力電池總能量，重點(diǎn)影響參數(shù)為電池電壓和電量；因此，當(dāng)電池匹配和選型確定后，從整車(chē)能量管理角度考慮，續(xù)駛里程幾乎沒(méi)有太大優(yōu)化空間。

3.2 改善能量管理，降低不必要能量使用率

(1)適當(dāng)提高動(dòng)力電池SOC的使用范圍

適當(dāng)提高動(dòng)力電池SOC使用窗口，如[10, 100]%。需要注意動(dòng)力電池在低SOC情況下的輸出電流/功率限制，需要保證輸出的功率限制能夠滿(mǎn)足固定勻速時(shí)的功率需求；同時(shí)為了盡可能多的接受回收的能量，應(yīng)滿(mǎn)足所設(shè)定的峰值充電功率/回充功率要求。

各單體SOC一致性很大程度上決定了動(dòng)力電池組放電能力，因此動(dòng)力電池的充放電能力受單體充放電能力的影響，其中在低溫、低SOC的情況下，單體電池的充點(diǎn)電能力會(huì)受到限制；在低溫、高SOC的情況下，單體電池的充電/回充功率也會(huì)受到影響[7]。因此，動(dòng)力電池SOC的設(shè)定范圍應(yīng)結(jié)合整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)峰值功率需求確定。

SOC可用范圍的大小關(guān)鍵還取決于鋰離子電池參數(shù)的準(zhǔn)確性和BMS算法的準(zhǔn)確性。同時(shí)在確保電池安全運(yùn)行的前提下，面對(duì)各種工作條件，BMS策略和算法不能一刀切，需在多個(gè)層次上準(zhǔn)確實(shí)施[8]。在鋰離子電池安全運(yùn)行的前提下最大限度的發(fā)揮電池能力，優(yōu)化最大化SOC使用范圍。

(2)降低車(chē)輛附件能耗

在車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)輛上的其他電氣設(shè)備的功率需求會(huì)消耗一部分電能。這些電氣設(shè)備包括除了由用戶(hù)操作的空調(diào)、娛樂(lè)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)之外，還有車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中自身需要消耗的電能，例如各個(gè)控制器的電源消耗，熱管理系統(tǒng)的消耗(比如冷卻電機(jī)，水泵、冷卻風(fēng)扇)等等[9]。在保證車(chē)輛正常運(yùn)行的情況下，降低這部分的電氣附件能耗或者使用更加節(jié)能的硬件，也有利于提高續(xù)航里程。

4 整車(chē)設(shè)計(jì)方面

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。整車(chē)行駛的續(xù)駛里程便是電池供給電機(jī)的能量克服整車(chē)的行駛阻力產(chǎn)生位移的一個(gè)過(guò)程。因此要想提升續(xù)駛里程，最核心也是最基礎(chǔ)的方式就是開(kāi)源節(jié)流，所謂節(jié)流之一就是降低整車(chē)的行駛阻力。

由整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型可得整車(chē)阻力公式如下：

因此，降低能耗的方式就是降低各個(gè)部件的阻力：在輪胎和地面的阻力方面，如使用低滾阻輪胎、整車(chē)輕量化；在車(chē)輛自身阻力方面，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)控制策略、由IGBT到SIC的轉(zhuǎn)變等提高控制器的效率，通過(guò)合理選擇線型材料、優(yōu)化熱管理、合理選擇電機(jī)、多電機(jī)功率分配等來(lái)提高電機(jī)自身效率，另外還可以從減速器、差速器、輪轂及傳動(dòng)軸等方面進(jìn)行優(yōu)化，提升效率；在風(fēng)阻系數(shù)方面，如使用更加平整的底盤(pán)、低風(fēng)阻車(chē)輪、整車(chē)造型優(yōu)化、電子后視鏡優(yōu)化等；在迎風(fēng)面積方面，例如可以?xún)?yōu)化乘坐空間、降低車(chē)高等；此外，在高低壓電器、電池放電效率及策略、能量回收等方面進(jìn)行優(yōu)化。

在整車(chē)控制策略?xún)?yōu)化方面，可使車(chē)輛運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)模式。經(jīng)濟(jì)模式主要是指車(chē)輛以較低的速度在平直路面上行駛，速度沒(méi)有太大變化或盡可能的勻速行駛模式，此時(shí)可以使電機(jī)工作在高效區(qū)，提高能量利用率，延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程；同時(shí)整車(chē)降低或關(guān)閉其它用電設(shè)備。若為測(cè)試工況可設(shè)置為勻速行駛；但如果是實(shí)際行駛工況，經(jīng)濟(jì)模式下動(dòng)力性大大降低。或可以考慮的方面包括：減小力矩輸出；如果行駛工況有較多的大距離滑行，可以減小或關(guān)閉滑行制動(dòng)回饋。

5 結(jié)論

以某型號(hào)商用車(chē)為例，在樣車(chē)驗(yàn)證的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分別從電機(jī)控制、動(dòng)力電池管理、整車(chē)設(shè)計(jì)等方面的研究分析，對(duì)提升商用車(chē)?yán)m(xù)駛里程的相關(guān)措施進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的樣車(chē)驗(yàn)證，該措施可以有效提升純電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程，為后期電動(dòng)車(chē)新車(chē)型提供了相關(guān)的技術(shù)參考。