軍用增程式電動汽車增程器工作點選取策略設(shè)計

朱辰宇，余卓平，熊 璐，張培志，曾德全

（同濟大學(xué)，上海 201804）

0 增程式電動汽車概述

增程式電動汽車是混合動力汽車的一種。它既能夠工作在純電動行駛模式，又能夠通過增程器發(fā)電為車輛提供動力、為動力電池充電。該種車輛僅需較小的電池容量就能夠達(dá)到正常的續(xù)駛里程。

增程式電動汽車采用如圖1所示的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。發(fā)動機與發(fā)電機組成增程器，車輛靠電能驅(qū)動電動機帶動行駛。車輛以動力蓄電池作為主要動力源，以增程器作為輔助動力源。當(dāng)增程式汽車工作在純電動行駛模式下，增程器不工作，動力電池作為唯一的能量源，此時其與純電動汽車工作原理完全相同，具有零油耗、零排放、噪聲小和舒適性好等特點。當(dāng)動力電池電量低或者動力電池輸出功率小于需求功率時，增程器開始工作，發(fā)出的電能一部分可用于給動力電池充電，另一部分可直接提供給電動機驅(qū)動車輛行駛。增程器的加入大大延長了車輛的續(xù)航里程，減少了純電動汽車用戶對此的擔(dān)憂。

圖1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

增程式電動汽車的諸多優(yōu)點也引起了軍方關(guān)注。軍用特種車輛具有輸出功率大、機動性和通過性強、工作可靠等特點。將增程式混合動力系統(tǒng)引入軍用車輛中，可以有效提升軍用車輛的各種性能，如增強動力性、隱蔽性、通過性、降低油耗、成為移動電站等，使得其能夠更好適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境。

本文研究對象是一輛增程式混合動力、輪邊電機驅(qū)動、差動轉(zhuǎn)向的水陸兩棲汽車。其底盤傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)、車輛實物分別如圖2、圖3所示。車輛具有兩個動力源，發(fā)動機與發(fā)電機通過機械連接組成增程器，電機控制器為四合一控制器，同時控制散熱風(fēng)扇電機、發(fā)電機和兩個輪邊電機，動力電池給電機控制器供電。

1 增程式混合動力系統(tǒng)模型建立

為了設(shè)計旨在提高整車經(jīng)濟性的增程器不同輸出功率下的工作點選取策略，本文搭建了增程式混合動力系統(tǒng)模型，包括發(fā)動機模型、發(fā)電機模型和增程器模型。

圖2 試驗車底盤傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

圖3 試驗車實物圖

1.1 柴油發(fā)動機數(shù)學(xué)模型

發(fā)動機是增程器的重要組成部件之一，發(fā)動機的建模對增程器的控制策略設(shè)計有很大影響。發(fā)動機是一個強非線性、強耦合、時變動力學(xué)系統(tǒng)，本文中提出的對于發(fā)動機的控制是指通過控制發(fā)動機油門開度來改變發(fā)動機的輸出扭矩，故不考慮發(fā)動機缸內(nèi)復(fù)雜的燃燒過程，同時對發(fā)動機模型的輸入、輸出信號及內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行簡化，選取利用試驗數(shù)據(jù)建模和參數(shù)擬合的方法對其建模。

在本文建立的模型中，輸入信號為油門開度和負(fù)載扭矩，輸出變量為發(fā)動機輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和燃油消耗量。本文中車輛使用增程器中發(fā)動機為四缸柴油機，排量1.4L，采用渦輪增壓，最大轉(zhuǎn)速4800rpm，最大扭矩212Nm，最大功率70kW。

通過發(fā)動機在測功機上的臺架測試并使用多項式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得了如圖4所示的發(fā)動機外特性與部分負(fù)荷特性圖，即將發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩表示為油門開度、發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速的函數(shù)。

圖4 發(fā)動機外特性與部分負(fù)荷特性圖

發(fā)動機產(chǎn)生的能量部分需用來克服機械摩擦阻力，其來源于內(nèi)部各個部件的相互滑動和滾動。發(fā)動機內(nèi)部摩擦扭矩主要與轉(zhuǎn)速、溫度有關(guān)，本文使用的發(fā)動機內(nèi)部摩擦扭矩特性如圖5所示。

圖5 發(fā)動機內(nèi)部摩擦扭矩特性圖

發(fā)動機輸出扭矩是發(fā)動機通過燃油燃燒產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩克服機械摩擦阻力輸出至飛輪的扭矩?？梢缘玫桨l(fā)動機輸出扭矩特性圖如圖6所示。

圖6 發(fā)動機輸出扭矩特性圖

可以建立發(fā)動機的動力學(xué)方程，其表達(dá)式為：

式中，Je為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，ω和n均為發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速，ω單位為rad/s，n單位為rpm，Tei（α,n）為發(fā)動機輸出扭矩，α為油門開度，Tf（n）為發(fā)動機阻力矩，Tt為發(fā)動機負(fù)載扭矩。

發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速為：上述發(fā)動機特性均是是穩(wěn)態(tài)下的特性，考慮到發(fā)動機油門是從伺服控制器輸出的模擬電壓值，會存在一個動態(tài)過程，這里利用一個傳遞函數(shù)來描述發(fā)動機力矩的建立過程，即：

發(fā)動機油耗的高低表征發(fā)動機的經(jīng)濟性，在不同的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速工作點中發(fā)動機的油耗量不同，工程上通常使用油耗消耗率來表征發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，燃油消耗率b是指單位之間內(nèi)發(fā)動機油耗量與此時發(fā)動機輸出的實際功的比值。工程上使用發(fā)動機萬有特性來描述燃油消耗率，發(fā)動機萬有特性即是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速對應(yīng)的燃油消耗率（g/kWh）的圖像，通過試驗獲取，本文研究的發(fā)動機的萬有特性如圖7所示。

圖7 發(fā)動機萬有特性圖

1.2 發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

發(fā)電機有兩種工作模式，一種是作為起動電機拖動發(fā)動機起動，另一種是作為發(fā)電機與發(fā)動機配合產(chǎn)生電能。發(fā)電機使用永磁同步電機，本文對發(fā)電機的模型建立主要包括電機的外特性、效率特性。其中發(fā)電機扭矩特性和效率特性通過臺架試驗測得，如圖8所示，由于試驗條件限制，僅測得發(fā)電機外特性能夠全部包含發(fā)動機外特性的特性曲線。

圖8 發(fā)電機扭矩特性和效率特性

1.3 增程器數(shù)學(xué)模型

增程器工作點的控制模式為功率跟隨式，即增程器需要在全功率范圍內(nèi)工作。在同一功率下可以獲取多種轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的組合，因此需要選取增程器各個功率下的工作點。對于發(fā)電機來說，不同的工作點的區(qū)別表現(xiàn)在其效率的不同，發(fā)電機的效率場如圖8所示，可見電機效率與電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩相關(guān)，為了提高能量的利用效率，應(yīng)使發(fā)電機盡可能工作在效率高的區(qū)域。對于發(fā)動機來說，工作點表征了發(fā)動機的油耗特性、排放特性，合理選擇發(fā)動機工作點能夠降低整車油耗、提高整車排放性能，應(yīng)該使發(fā)動機工作在燃油消耗率低，有害氣體排放量低的工作點，由于軍用汽車對尾氣排放不做要求，因此本文僅選擇燃油消耗率作為優(yōu)化目標(biāo)，其優(yōu)化依據(jù)圖7所示的發(fā)動機萬有特性。

通常增程器優(yōu)化使用發(fā)動機的最佳制動燃油消耗率曲線（brake specific fuel consumption，BSFC）來確定發(fā)動機和發(fā)電機工作點，但是由于發(fā)動機最佳燃油消耗率的工作點和電機效率最高的工作點并不一定重合，電機效率高的工作區(qū)域發(fā)動機燃油消耗率反而高。而且，電機控制器將發(fā)電機產(chǎn)生的交流電通過逆變器整流成直流電傳送到直流母線上，逆變器會產(chǎn)生一定的能量消耗，本文使用的電機控制器使用IGBT整流，這里取其效率為96%。因此，應(yīng)該將電機效率、電機控制器效率與發(fā)動機的萬有特性共同考慮，選擇整個發(fā)動機和發(fā)電機工作在具有最高燃油-電能轉(zhuǎn)換效率的工作點，使增程器系統(tǒng)工作在經(jīng)濟性較高的工作區(qū)域。

增程器系統(tǒng)的輸出功率由發(fā)動機、發(fā)電機和電機控制器共同決定，可以用式(4)來表示：

式中，PAPU為增程器發(fā)電功率，單位kW，Tg為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，單位Nm，ng為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，單位rpm，ηg為發(fā)電機效率，ηmc為電機控制器效率，其值為96%。

發(fā)動機曲軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間通過花鍵剛性連接，我們假設(shè)曲軸以及轉(zhuǎn)子為剛體而且二者之間連接沒有縫隙，且能量傳遞效率為100%，那么可以認(rèn)為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Te、轉(zhuǎn)速ne與發(fā)電機轉(zhuǎn)矩Tg、轉(zhuǎn)速ng相同，即：

因此式(4)可表示為：增程器工作點優(yōu)化問題中，優(yōu)化自變量為發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速ne。在車輛行駛過程中，根據(jù)整車功率平衡算法得到的電流Iexp_APU和當(dāng)前發(fā)電機控制器端直流母線電壓Ug可以計算得出增程器系統(tǒng)的需求功率PAPU。由前文可得，在某一工作點下發(fā)動機的燃油消耗率為某一常值，故當(dāng)增程器系統(tǒng)功率為某一值Pi時，其對應(yīng)的發(fā)動機燃油消耗率bi可以用式(8)表示：

考慮到電機效率場，發(fā)動機實際輸出扭矩到電機輸出端存在能量消耗，發(fā)動機燃油消耗率最好的工作區(qū)域并不意味著發(fā)電機的效率同樣高，在設(shè)計策略中希望增程器整體效率高，因此需要計算增程器在某一工作點下的總效率。這里通過能量轉(zhuǎn)遞路徑，引入增程器系統(tǒng)油電轉(zhuǎn)換效率ηapu：

式中，b為發(fā)動機燃油消耗率，q為柴油燃料熱值，這里取q=42.6MJ/kg。通過轉(zhuǎn)換后，可得到增程器系統(tǒng)能量效率場如圖9所示。

圖9 增程器系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率

2 增程器工作點選取策略

通過上文所述的增程式混合動力系統(tǒng)模型，我們可以確定旨在提高整車經(jīng)濟性的增程器工作點選取策略。式(9)即為增程器工作點的優(yōu)化目標(biāo)。在車輛行駛中，根據(jù)對增程器的功率需求合理分配發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)增程器的燃油消耗量最小。

增程器的工作點選取受到以下條件約束：

1）轉(zhuǎn)矩能力限制，如式(10)所示：

式中，Tg-max和Te_max分別為發(fā)電機和發(fā)動機的外特性力矩，單位Nm，它們是關(guān)于轉(zhuǎn)速的函數(shù)。

2）轉(zhuǎn)速能力限制，如式(11)所示：

式中，ng_max和ne_max分別為發(fā)電機和發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)速，nidle為發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速，單位rpm。

3）工作點之間的轉(zhuǎn)速差值。

發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升高時，噪聲和振動會明顯增加，而且若功率增加時發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化趨勢不同，會影響駕駛感覺和舒適性。因此確定功率增大時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，即當(dāng)P1>P2時，n1>n2。

由于發(fā)動機及發(fā)電機響應(yīng)需要時間，轉(zhuǎn)速的建立是相對滯后的，因此在相鄰工作點之間轉(zhuǎn)速差值不能太大，否則在轉(zhuǎn)速控制中會出現(xiàn)劇烈抖動，功率輸出不容易穩(wěn)定。

本文以1kW為精度，對增程器運行的全工況所需求的期望功率工作點進(jìn)行優(yōu)化。圖10給出了不同給定功率下增程器的可行工作點曲線，對于每一條曲線，找出其在增程器能量轉(zhuǎn)換效率圖上的效率最高點，得到如圖11中星號連接成的最佳燃油經(jīng)濟性曲線。根據(jù)該曲線，可以求得增程器在每一輸出功率PAPU0下的工作點（Te0，ne0，PAPU0），并且最終確定增程器最大功率為65kW。

圖10 不同功率下增程器可行工作點圖

圖11 增程器最佳燃油經(jīng)濟性曲線圖

根據(jù)最佳燃油經(jīng)濟性曲線，確定了每一輸出功率 PAPU0下最佳經(jīng)濟性對應(yīng)的輸出扭矩Te0和輸出轉(zhuǎn)速ne0。根據(jù)圖6所示的發(fā)動機輸出扭矩特性圖可以反推出不同輸出功率所對應(yīng)的油門踏板開度。最終結(jié)果如圖12 所示。

圖12 最佳燃油經(jīng)濟性下的油門開度-輸出功率圖

3 工作點選取策略實車試驗驗證

為了驗證上文工作點選取策略的有效性，我們進(jìn)行了實車試驗驗證。驗證結(jié)果分為以下三個部分：

3.1 輸出功率跟隨驗證

在不同時段給定系統(tǒng)的需求功率的條件下，系統(tǒng)輸出功率如圖13所示。

圖中的紅線為需求功率，藍(lán)線為輸出功率，由式(7)得到。由圖13可知，在不同時間段下，系統(tǒng)輸出功率在需求功率±1kW范圍內(nèi)振蕩，這是由電機機械功率與電磁功率不平衡，電機的電流、電壓周期性變化引起的，屬于正?，F(xiàn)象。總體而言，系統(tǒng)的輸出功率能夠較穩(wěn)定地跟隨需求功率。

3.2 輸出電機轉(zhuǎn)速跟隨驗證

不同時段系統(tǒng)的需求電機轉(zhuǎn)速、輸出電機轉(zhuǎn)速如圖14所示。

圖13 系統(tǒng)輸出功率跟隨圖

圖14 系統(tǒng)輸出電機轉(zhuǎn)速跟隨圖

在給定系統(tǒng)需求功率后，可以通過圖11所示的增程器最佳燃油經(jīng)濟性曲線求出系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)速。由圖14可知，系統(tǒng)的輸出電機轉(zhuǎn)速除在需求功率跳變時有較大振蕩（圖中紅線直角處常伴隨藍(lán)色尖角）外，可以很好地跟隨需求電機轉(zhuǎn)速，振蕩幅度不超過±20rpm，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。

3.3 輸出油門開度跟隨驗證

不同時段系統(tǒng)的需求油門開度、輸出油門開度如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)輸出油門開度跟隨圖

在給定系統(tǒng)需求功率后，可以通過圖12所示的增程器最佳燃油經(jīng)濟性下的油門開度-輸出功率曲線求出系統(tǒng)的需求油門開度。由圖15可知，系統(tǒng)的輸出油門開度響應(yīng)迅速，且只有±1%的振蕩，這是由輸出油門開度步長為1%決定的，屬于正?，F(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文搭建了針對軍用增程式電動汽車的混合動力系統(tǒng)模型，設(shè)計了旨在提高整車經(jīng)濟性的增程器不同輸出功率下的工作點選取策略，通過實車試驗驗證了策略的有效性。該控制策略作為增程式電動汽車整車管理策略的重要組成部分，對于提高整車經(jīng)濟性，提升整車的續(xù)駛里程有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周飛鯤.純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究[D].吉林大學(xué),2013.

[2]尹安東.基于混合系統(tǒng)理論的混合動力客車控制策略和參數(shù)優(yōu)化研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[3]葉先軍.單軸ISG混合動力汽車轉(zhuǎn)矩分配控制策略的研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[4]吳迪.ISG混合動力汽車能量優(yōu)化管理策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[5]朱明方.并聯(lián)混合動力汽車控制策略和軟件設(shè)計的研究[D].吉林大學(xué),2004.

[6]易文平.增程式電動汽車輔助動力系統(tǒng)的電磁干擾分析與預(yù)測[D].吉林大學(xué),2016.

[7]陳辛波,劉浩,鐘再敏,等.分布式驅(qū)動電動汽車的開發(fā)和行駛能耗優(yōu)化分析[J].汽車技術(shù),2014(7):39-43.

[8]董欣陽.增程式電動轎車動力系統(tǒng)控制策略設(shè)計及優(yōu)化研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2015.

[9]王慶年,曾小華,王偉華.混合動力技術(shù)在軍用汽車上的應(yīng)用[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工),2003,33(1):38-41.

[10]萬仁君.電動汽車分布式控制系統(tǒng)的總線調(diào)度與整車控制策略的研究[D].天津大學(xué),2004.

[11]盧兵.前后軸獨立驅(qū)動增程式電動車輛整車控制策略研究[D]. 北京理工大學(xué),2015.

[12]劉吉順,李駿,劉明輝,趙子亮,郭洪江. 純電動轎車整車控制策略開發(fā)與試驗研究[A].中國智能交通協(xié)會.第六屆中國智能交通年會暨第七屆國際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集（下冊）——新能源汽車[C].中國智能交通協(xié)會,2011:9.

[13]徐群群,宋珂,洪先建,等.基于自適應(yīng)遺傳算法的增程式電動汽車能量管理策略優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2012(10):19-23.

[14]申永鵬,王耀南,孟步敏.電動汽車增程器燃油效率優(yōu)化控制[J]. 控制理論與應(yīng)用,2014(6):701-708.

[15]左義和,項昌樂,閆清東.基于功率跟隨的混聯(lián)混合動力汽車控制策略[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(12):23-29.

[16]嚴(yán)海波,樓狄明,徐寧,等.電動公交客車用增程器控制策略試驗研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2016,45(4):1-7.

[17]Millo F,Rolando L, Mallamo F, et al. Development of an optimal strategy for the energy management of a range-extended electric vehicle with additional noise, vibration and harshness constraints[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering,2013, 227(1):4-16.

[18]Li J, Jin X, Xiong R.Multi-objective optimization study of energy management strategy and economic analysis for a range-extended electric bus[J].Applied Energy,2016.

[19]Du J, Chen J,Song Z, et al. Design method of a power management strategy for variable battery capacities range-extended electric vehicles to improve energy efficiency and cost-effectiveness[J]. Energy,2017,121:32-42.

[20]Rez L V, Pilotta E A.Optimal power split in a hybrid electric vehicle using direct transcription of an optimal control problem[J]. Mathematics & Computers in Simulation,2009,79(6):1959-1970.

[21]Hemi H, Ghouili J, Cheriti A. A real time fuzzy logic power management strategy for a fuel cell vehicle[J].Energy Conversion & Management,2014,80(4):63-70.

[22]Feldkamp L,Abou-Nasr M, Kolmanovsky I V. Recurrent neural network training for energy management of a mild Hybrid Electric Vehicle with an ultra-capacitor[A].Computational Intelligence in Vehicles and Vehicular Systems, 2009. CIVVS‘09.IEEE Workshop on.IEEE[C],2009:29-36.

[23]Mura R, Utkin V,Onori S. Energy Management Design in Hybrid Electric Vehicles:A Novel Optimality and Stability Framework[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2015, 23(4):1307-1322.