增程式電動汽車發(fā)動機多工作點控制策略

王笑樂， 干 頻， 陳凌珊 ， 程 偉， 孫逸神

(1.上海工程技術大學 汽車工程學院，上海201620 ;2.上海汽車集團股份有限公司，上海201804)

增程式電動汽車(Extended-Range Electric Vehicle，E-REV)動力系統(tǒng)配備了大功率電池且發(fā)動機與驅動輪間無機械連接［1］，發(fā)動機工作狀態(tài)不受負載需求功率直接影響，發(fā)動機控制策略具有多樣性。目前E-REV 發(fā)動機常用的控制策略有恒溫器控制、功率跟隨控制以及引申得到的恒溫器+ 功率跟隨控制［2］，三者均存在一定缺陷。恒溫器控制下電池經常大電流充放電，對電池壽命不利;功率跟隨控制下發(fā)動機波動頻繁，對發(fā)動機的效率、排放及NVH 性能造成影響;恒溫器+功率跟隨控制在一定程度上彌補了各自單獨控制的缺陷，但其主體思想仍基于功率跟隨控制，因此功率跟隨策略的不足在這種模式下依然存在。

多工作點控制策略的思想是使發(fā)動機工作于多個效率較高的優(yōu)秀工作點，既能避免功率跟隨模式下效率不高的缺陷，又能防止恒溫器控制模式下當電池電量(State of Charge，SOC)較低時，整車需求功率過大導致發(fā)動機轉速突然升高而引發(fā)增程器振動噪聲較大的不足［3-4］。控制策略中工作點的選擇結合車輛行駛的最大需求功率、增程器效率及油耗、發(fā)動機轉速等約束條件，各工作點間切換邏輯基于車速、動力電池SOC、整車控制器需求功率而設計。多工作點控制比恒溫器控制更能滿足顧客接受度，由于合理利用了車輛行駛時的路面噪聲和空氣噪聲對發(fā)動機噪聲的掩蔽效應，發(fā)動機噪音級別隨著車速提高，從而改善了整車NVH 性能［5］。

1 概 述

1.1 E-REV 動力系統(tǒng)工作模式

E-REV 動力系統(tǒng)具有兩個動力源:增程器(發(fā)動機發(fā)電機組)和動力電池組，使其具備混合動力和純電動車的綜合特征［6］(見圖1)。電量充足時無需增程器額外提供功率僅依靠動力電池驅動電機行駛，具有純電動車零污染、低噪音的優(yōu)點;隨著行駛里程的增加，當電池電量低至某一門限值，開啟增程器發(fā)電驅動車輛，延長續(xù)駛里程［7-8］。

具體而言，E-REV 的運行模式有純電動行駛模式、并行驅動模式、行車發(fā)電模式和制動能量回收模式，如圖2 所示［9］。

發(fā)動機主要在串聯(lián)驅動模式和行車充電模式下參與工作，串聯(lián)驅動經常出現(xiàn)在中低速加速或高速行駛時，行車充電則主要出現(xiàn)在中低速平穩(wěn)行駛且電池SOC 值較低時［10］。

圖1 增程式電動汽車動力系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of the extended-range electric vehicle’s power system

圖2 E-REV 運行模式Fig.2 Operational mode of the extended-range electric vehicle

1.2 傳統(tǒng)E-REV 發(fā)動機控制策略

傳統(tǒng)E-REV 發(fā)動機控制策略如圖3 所示。恒溫器控制原理:電池SOC 位于SOCmin和SOCmax之間時，發(fā)動機保持前一時刻的工作狀態(tài);SOC ＞SOCmax時，發(fā)動機關閉以純電動行駛，動力電池滿足整車所有功率需求;SOC ＜SOCmin時，發(fā)動機起動并工作于效率最高點，能量多余的部分給動力電池充電。這種控制策略下發(fā)動機在高效率點恒功率輸出，能有效地避免發(fā)動機頻繁起停和功率波動，但動力電池經常大電流充放電，對電池壽命極為不利［11］。

圖3 傳統(tǒng)E-REV 發(fā)動機控制策略Fig.3 Control strategy of the traditional extended-range electric vehicle’s engine

功率跟隨控制原理:該策略根據(jù)整車的功率需求和電池SOC 的狀態(tài)確定發(fā)動機的工作狀態(tài)。只有當電池SOC ＞SOCmax且功率需求小于Pe_low時發(fā)動機才關閉，其他情況下發(fā)動機實時跟隨負載需求功率。這種控制策略下電池能保持最佳的性能狀態(tài)，但發(fā)動機波動頻繁，對發(fā)動機的效率和油耗及NVH性能不利。

恒溫器+ 功率跟隨控制發(fā)動機工作狀態(tài)與恒溫器控制相似，不同的是發(fā)動機起動后在高效率工作段工作，并可在高效區(qū)域任意兩工作點上自由切換，功率不足部分由動力電池提供。這種控制策略下雖然發(fā)動機不工作于最優(yōu)工作點，但一直在效率較高的區(qū)域內工作，相對避免了轉速過于頻繁的變化，一定程度上彌補了各自單獨控制的不足，整車效率、油耗和排放得到了優(yōu)化。但功率跟隨模式下發(fā)動機的不足并沒有被完全消除。

圖4 框中發(fā)動機工作點是依據(jù)恒溫器+功率跟隨控制策略選擇的，可以看出該策略下發(fā)動機轉速范圍從1 300 r/min 至4 500 r/min，車輛正常行駛時由于沒有嚴格的轉速限值，發(fā)動機波動頻繁;當需求功率過大且電池SOC 不足時也會引起發(fā)動機轉速陡升，雖不會造成動力電池大電流充放電，但是對發(fā)動機效率、排放以及NVH 性能都極為不利。

2 多工作點控制策略設計

2.1 設計思路

結合E-REV 樣車及增程器臺架試驗時出現(xiàn)的發(fā)動機起停頻繁、高速行駛噪聲明顯以及電池經常大電流充放電等現(xiàn)象［7］，設計發(fā)動機控制策略時著重考慮以下幾個方面:

1)優(yōu)化工作點:結合車輛行駛的最大需求功率、增程器效率及油耗、發(fā)動機轉速，確定增程器的最佳工作點或最佳工作區(qū)間;基于車速、動力電池SOC 和整車控制器需求功率確定各工作點切換時刻。

圖4 發(fā)動機萬有特性曲線Fig.4 Engine’s universal characteristics curve

2)動態(tài)波動最小化:減少發(fā)動機的起停次數(shù)，合理控制發(fā)動機轉速，能量允許范圍內盡可能延長純電動行駛時間，使發(fā)動機的動態(tài)波動最小。

3)合理利用噪聲掩蔽效應:參考車輛行駛時的路面噪聲、空氣噪聲及發(fā)動機噪聲水平，確定工作點切換的車速和發(fā)動機轉速限值，利用這兩種噪聲的掩蔽效應降低高速行駛時的整車噪聲，低速時掩蔽效果不理想則將發(fā)動機轉速控制在合理范圍內，不可過高。

4)限制最低轉速:發(fā)動機低轉速運行時普遍燃油效率非常低，因此當轉速低于某一限值且電池電量能夠滿足車輛行駛需求時，可關閉發(fā)動機。

5)充電電流及速率控制:穩(wěn)定增程器輸出功率，從而控制動力電池充電電流及速率，提高電池效率及安全性，延長使用壽命。

2.2 工作點選擇

2.2.1 選擇依據(jù)浙江大學張彥廷以電池SOC現(xiàn)值作為切換依據(jù)提出了發(fā)動機雙工作點控制策略［8］，SOC 達到設定的上限值時發(fā)動機切換到高效區(qū)內功率較低的工作點;SOC 下降到設定的下限值時發(fā)動機切換到高效區(qū)內功率較高的工作點。雙工作點控制與恒溫器控制對發(fā)動機的控制方法基本相同，只是變?yōu)楦鶕?jù)電池狀況切換發(fā)動機的工作點。存在的問題是:若電池SOC 的范圍選擇較小，發(fā)動機需不斷地在兩工作點間切換，對系統(tǒng)穩(wěn)定工作不利;若電池SOC 的范圍選擇較大，電池壽命和效率將受到影響。針對這個問題，結合所研究的整車及發(fā)動機性能參數(shù)、發(fā)動機萬有特性曲線及車輛動力性能指標，文中提出發(fā)動機三工作點控制策略。

不同發(fā)動機具有不同的萬有特性曲線，并且它們的高效區(qū)形狀差異很大，一般情況下發(fā)動機工作點有以下3 種選取情況［9］:

1)發(fā)動機萬有特性曲線上高效區(qū)的長軸為豎直方向時，可以選取圖5 中a1和b1兩點以及它們連線上的某個點作為發(fā)動機的工作點，從而使發(fā)動機盡可能工作于最高效率區(qū)，其中na1= nb1，Ta＜Tb。由于3 個工作點的轉速相同，所以控制方法可以選擇定轉速控制，只需設定3 個工作點的目標轉矩即可。這種控制方式簡單，并能減少許多控制量。

2)當發(fā)動機萬有特性曲線上高效區(qū)的長軸為水平方向時，為了使發(fā)動機的工作點盡可能 處于最高效率區(qū)，可以選取圖5 中a2和b2兩點以及它們連線上的某個點作為發(fā)動機的工作點，其中na1＜nb1，Ta= Tb。由于3 個工作點的轉矩相同，所以發(fā)動機工作點的控制方法可以選擇定轉矩控制，只需設定目標轉速即可。

3)為使發(fā)動機在高效區(qū)工作的可能性更高，可選取圖5 中a3和b3兩點以及它們連線上的某個點作為發(fā)動機的工作點。三工作點的位置根據(jù)高效區(qū)形狀的不同而選擇，一般情況下它們的連線與兩條等功率線盡可能成垂直關系，其中na3≠nb3，并且Ta3≠Tb3。由于3 個工作點的轉速和轉矩不同，因此工作點控制方式和控制量相較前兩種復雜。

2.2.2 工作點參數(shù)確定 所開發(fā)的E-REV 整車技術方案可參考圖1。發(fā)動機萬有特性曲線如圖5 所示，整車基本性能參數(shù)如表1 所示，發(fā)動機性能指標如表2 所示，動力性能指標如表3 所示。

圖5 發(fā)動機工作點的選取Fig.5 Selection of the engine’s operating point

表1 整車性能參數(shù)Tab.1 Vehicle performance parameters

表2 發(fā)動機參數(shù)Tab.2 Engine parameters

表3 動力性能指標Tab.3 Power performance parameters

由整車控制器需求功率確定發(fā)動機工作點輸出功率，結合發(fā)動機萬有特性曲線及發(fā)動機轉速、轉矩與輸出功率的關系確定發(fā)動機工作點:

1)工作點輸出功率確定:驅動電機峰值功率的選擇要滿足最高車速、最大爬坡度和加速性能的要求。根據(jù)最高車速選擇電機的峰值功率［12-13］。最高車速下的驅動電機峰值功率:

加速所需驅動電機電機峰值功率:

最大爬坡度所需驅動電機峰值功率:

其中:f 為滾動阻力系數(shù);m 為半載質量，取1 580 kg;ηT為傳動系效率，取0.92;ηm為驅動電機效率，取0.87;CD為空氣阻力系數(shù);A 為迎風面積，m2;vmax為最高車速，km/h;v 為實時車速，km/h;vm為加速末速，km/h;tm為加速末時間，s;x 為擬合系數(shù)，取0.5;δ 為質量轉換系數(shù)，取1.2;dt為設計迭代步長，取0.1 s;vc為爬坡車速，km/h;α 為最大坡度角，α =arctan(i)。

驅動電機峰值功率取53 kW，驅動電機可短時間過載運行，由下式可求得其額定功率:

式中λ 為驅動電機載倍數(shù)，通常取值1.6 ～2，求得驅動電機額定功率為26.4 ～33 kW，取28 kW。

增程器效率ηre= 0.86，由式(7)可得:滿足車輛行駛要求的發(fā)動機最大功率為32.5 kW，考慮到行車充電模式下部分能量用于動力電池充電，發(fā)動機峰值功率設為35 kW，同樣以此方式確定串聯(lián)驅動模式及行車充電模式下的兩個發(fā)動機工作點輸出功率分別為10 kW，20 kW。

2)工作點轉速、轉矩確定:發(fā)動機功率與轉速、轉矩關系:

其中:Pe為發(fā)動機功率，kW;ne為發(fā)動機轉速，r/min;Te為發(fā)動機轉矩，N·m。

發(fā)動機轉速與其振動噪聲存在一定的非線性正相關［4，14］，轉速越高發(fā)動機振動噪聲越劇烈，而轉速過低時發(fā)動機效率又會受到影響［15］。因此確定發(fā)動機各工作點轉速的思想是:高需求功率工作點在保證功率輸出的前提下，結合發(fā)動機等值油耗線，在轉矩輸出正常值范圍內盡可能降低發(fā)動機轉速;低需求功率工作點，在滿足功率輸出的情況下為了保證效率，發(fā)動機轉速不能過低，同時考慮燃油經濟性因素。由發(fā)動機萬有特性圖可得發(fā)動機正常工作時扭矩輸出最大值可達95 ～100 N·m，參考等值油耗線，確定三工作點轉速、轉矩值如表4 所示。圖6為所選工作點在萬有特性曲線圖中的位置。

表4 發(fā)動機三工作點參數(shù)Tab.4 Parameters of the engine’s three operation points

圖6 發(fā)動機三工作點選擇Fig.6 Selection of the engine’s three operation points

2.3 控制策略規(guī)則

根據(jù)動力電池組性能參數(shù)、整車需求功率和增程器充電效果等先決條件，以電池充電放電深度均不宜過深及最低SOC 值必須保證為車輛加速提供足夠的功率原則［16］，結合廠家對電池耐久性及系統(tǒng)動力性實測數(shù)據(jù)多目標優(yōu)化分析結果，確定關閉和起動增程器的SOC 上下限值分別為SOC_high =0.65 和SOC_low = 0.25，如圖7 所示。

圖7 發(fā)動機控制策略Fig.7 Engine’s control strategy

根據(jù)整車需求功率、發(fā)動機油耗和效率以及NVH 性能確定發(fā)動機三工作點，工作點間切換邏輯依據(jù)動力電池當前SOC 值以及車速當前值與切換限值設計，既能盡可能延長純電動行駛里程、保證電池不過放，又能利用掩蔽效應降低整車噪聲水平，提高舒適性。三工作點控制策略規(guī)則如下:

1)根據(jù)整車功率需求、發(fā)動機油耗和效率在萬有特性曲線中尋找低、中、高負荷的3 個工作點，輸出功率分別為PL，PM，PH，這3 個點均為相應功率下的燃油經濟性、效率和NVH 性能綜合最優(yōu)點。

2)設定車速切換上下限值為VH，VL，二者的值分別為80 km/h 和50 km/h。

3)純電動行駛模式下，動力電池提供車輛行駛所有的功率需求。

4)串聯(lián)驅動模式及行車充電模式下，采用增程器為主、動力電池為輔的控制模式。第1 種情況當電池能輸出的功率足夠且SOC 值大于設定的下限值時，車速大于VH時發(fā)動機工作于高負荷的C 點;車速介于VL～VH時發(fā)動機工作在中負荷的B 點;車速小于VL時，發(fā)動機工作于低負荷的A 點。第2 種情況當電池能輸出的功率不足且SOC 值小于設定的下限時，判斷車速是否大于VH，當滿足條件時工作在C 點，否則工作在B 點。

第1，2 步中設定的多工作點工作模式以及車速切換限值，降低了某些車速波動較大工況下發(fā)動機工作點的切換頻率;第3 步保證了純電動行駛模式下的純動力電池工作狀態(tài);通過第4 步的工作點切換策略，在優(yōu)化發(fā)動機燃油經濟性的基礎上也使得動力電池SOC 穩(wěn)定在一定的區(qū)間內，有利于提高動力電池的效率和使用壽命。

3 控制策略仿真分析

基于Matlab/Simulink 軟件完成多工作點控制策略的模型搭建，AVL-Cruise 軟件搭建整車仿真模型，二者聯(lián)合完成離線仿真驗證。在Cruise 軟件中依次選擇整車模塊、發(fā)動機模塊、電池模塊、電機模塊以及Matlab 接口的Matlab DLL 模塊等，從界面中輸入配置參數(shù)，建立機械連接，完成的整車模型如圖8所示。圖中方框內表示的是Cruise 中的數(shù)據(jù)連接，相當于整車的CAN 通信，模型中Matlab DLL 模塊與整車模塊的數(shù)據(jù)連接模擬控制器與整車的直接通信，是建模仿真的關鍵。Simulink 中發(fā)動機開關模型如圖9 所示，發(fā)動機工作狀態(tài)控制模型如圖10 所示。

圖8 E-REV 整車模型Fig.8 Full vehicle model of the extended-range electric vehicle

分別以NEDC、FTP72 工況為例對控制策略模型進行仿真試驗分析，工況速度、加速度、減速度以及行駛距離的時間歷程曲線如圖9 所示;驅動電機跟隨駕駛員需求輸出的功率、轉速及轉矩曲線如圖10 所示?？梢钥闯?，仿真試驗中實際車速完全符合工況車速的要求，控制模型可以很好地將駕駛員意圖轉化為車輛控制信號。

圖10 驅動電機功率、轉速、轉矩曲線Fig.10 Curves of the drive motor’s power，rotate speed and torque

圖11 是兩種工況下發(fā)動機功率、轉速及轉矩曲線，可以看出發(fā)動機能很好地控制在目標工作點上運行，輸出功率能夠達到計算的需求功率，系統(tǒng)對變換工作點的控制指令響應速度快，動態(tài)波動小;轉速基本恒定地維持在3 個目標轉速，峰值轉速維持在3 530 轉以下，發(fā)動機噪聲基本能夠被高速行駛時的路面噪聲和空氣噪聲所遮蔽。圖12 是兩種工況下動力電池SOC 的變化曲線。試驗過程中電池SOC 值始終在0.65 至0.25 之間變化，并且上升階段斜率基本固定，證明發(fā)動機恒定功率輸出方式穩(wěn)定了電池充電速率，達到控制策略的預期效果。表5列出NEDC、FTP72 兩種工況下油耗及排放的仿真結果，結果顯示車輛經濟性、排放性能夠滿足設計指標及國家相關指標要求，證明多工作點控制策略的可行性和正確性。

圖11 發(fā)動機功率、轉速、轉矩曲線Fig.11 Curves of the engine’s power，rotate speed and torque

圖12 動力電池SOC 變化曲線Fig.12 Curves of the power battery’s state of charge

表5 發(fā)動機油耗及排放仿真試驗結果Tab.5 Results of the engine’s fuel-consumption and exhaust performance simulation test

4 結 語

在分析E-REV 發(fā)動機傳統(tǒng)控制策略的基礎上，結合增程器臺架及E-REV 整車試驗出現(xiàn)的問題，提出發(fā)動機多工作點控制思想。針對E-REV 增程器設計具體實例，采用發(fā)動機三工作點控制策略，運用Matlab/Simulink 軟件完成控制策略模型搭建，AVL-Cruise 軟件完成整車及工況模型搭建并聯(lián)合完成離線仿真試驗，驗證了控制策略的可行性和正確性。試驗中發(fā)動機能很好地控制在目標工作點上運行，對變換工作點的控制指令響應速度快，動態(tài)波動小;轉速基本恒定地維持在3 個目標轉速，峰值轉速保持在3 530 r/min 以下，發(fā)動機噪聲基本被高速行駛時的路面噪聲和空氣噪聲遮蔽;兩種工況試驗過程中電池SOC 值始終在0.65 至0.25 之間變化，并且SOC 上升階段斜率基本固定，充電速率穩(wěn)定，達到了控制策略的預期效果。

文中提出的發(fā)動機多工作點控制策略，在以下幾方面可以繼續(xù)深入研究:

1)工作點的選擇可基于發(fā)動機輸出功率、效率、油耗、排放性、車速等多個約束條件，利用現(xiàn)代智能優(yōu)化算法進行多目標優(yōu)化，精確選定工作點。

2)策略中工作點間的切換指令是瞬態(tài)階躍信號，會引起發(fā)動機轉速、轉矩的突變，未來可對工作點切換過程進行詳細研究，采取其他線性或非線性控制信號調節(jié)轉速變化過程。

3)建立路面噪聲、空氣噪聲與車速的準確對應關系，精確控制發(fā)動機峰值轉速，最大限度利用這兩種噪聲的掩蔽效果降低高速行駛時的整車噪聲。

4)繼續(xù)進行增程器臺架試驗及整車道路試驗，驗證控制策略的實際效果，有條件的實驗室還可利用消聲室或半消聲室進行整車NVH 試驗，評價控制策略對車輛噪聲的影響。

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