沃藍(lán)達(dá)增程汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)分析

陸孟雄

摘要：研究雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及控制方式。具體分析沃藍(lán)達(dá)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳遞與動(dòng)力控制的方式與沃藍(lán)達(dá)幾種工作模式及工作原理，并用ADVIsoR軟件進(jìn)行仿真分析。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車(chē)；增程器；動(dòng)力控制系統(tǒng)；ADVISOR軟件；仿真分析

1引言

增程式電動(dòng)汽車(chē)是一款從傳統(tǒng)汽車(chē)往純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一種過(guò)渡車(chē)型。增程式電動(dòng)汽車(chē)雖然使用了內(nèi)燃機(jī)，但是這個(gè)內(nèi)燃機(jī)是作為給蓄電池組提供電能的來(lái)源。主要使用電動(dòng)機(jī)作為整車(chē)動(dòng)力來(lái)源，搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)是為了給低于規(guī)定值的蓄電池組充電的。整車(chē)的行駛過(guò)程中完全利用純電驅(qū)動(dòng)，所以是純電動(dòng)類(lèi)汽車(chē)中的增程式電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)最重要的技術(shù)瓶頸在于為整車(chē)提供動(dòng)力的蓄電池組，現(xiàn)在電池組低能量密度和昂貴的制造成本致使設(shè)計(jì)師在持續(xù)行駛里程和成本之間難以取舍。同時(shí)增程式電動(dòng)汽車(chē)使用的動(dòng)力蓄電池組差不多只有純電動(dòng)汽車(chē)的一半，這樣既能夠提供同樣的動(dòng)力性能又能給車(chē)主提供滿(mǎn)意的持續(xù)行駛里程。在現(xiàn)有蓄電池應(yīng)用以及制作水準(zhǔn)下，對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，增程式電動(dòng)汽車(chē)的制造成本比純電動(dòng)汽車(chē)要少20%，因此增程式電動(dòng)汽車(chē)可以看作為傳統(tǒng)汽車(chē)往純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中的一種過(guò)渡車(chē)型。

2沃藍(lán)達(dá)增程式電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

如下圖1為沃藍(lán)達(dá)增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中包括兩個(gè)部分：電氣部分、機(jī)械部分。電氣連接是通過(guò)單實(shí)線表示的，機(jī)械連接是由雙實(shí)線表示的，虛線部分表示的是增程器單元。

2.1電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)

沃藍(lán)達(dá)增程式汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)跟傳統(tǒng)普通的純電動(dòng)汽車(chē)整體結(jié)構(gòu)組成是完全相同，主要其中包括了以下幾個(gè)方面：電子控制單元、傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)輪。正是由于電動(dòng)機(jī)是增程式電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)中比較重要的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，所以電動(dòng)機(jī)的最大功率及最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須要滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的設(shè)計(jì)需要。

a.最高車(chē)速工況

增程器啟動(dòng)以后，會(huì)按照恒定功率輸出，而這個(gè)就取決于之前預(yù)定的工作節(jié)點(diǎn)。還有電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是依靠其中的一些部分電能用來(lái)驅(qū)動(dòng)，而另一部分電能是用來(lái)給蓄電池組充電。當(dāng)蓄電池組SOC（剩余電量跟額定電量的比值）提高至之前所預(yù)定的SOC上限值時(shí)，增程器可以選擇關(guān)閉或怠速運(yùn)行。這樣的控制策略具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：增程器可以運(yùn)行在尾氣排放跟低油耗區(qū)域，主要的增程模式蓄電池組放電電流上下波動(dòng)幅度較大，而且蓄電池組經(jīng)常會(huì)陷入深度放電循環(huán)狀態(tài)，蓄電池使用壽命會(huì)被大大削弱。

3.2.2功率跟隨模式：

在這種控制策略下蓄電池組SOC還有汽車(chē)行駛需要以及增程器的工作狀態(tài)關(guān)系到增程器的啟動(dòng)還有停止。增程器會(huì)因?yàn)檐?chē)輪功率需求高或者蓄電池組SOC值的變化而選擇啟動(dòng)還是停止工作。而在蓄電池組SOC高于預(yù)設(shè)上限閥值時(shí)，增程器則停止運(yùn)行。同時(shí)還設(shè)立一些保持狀態(tài)區(qū)，在這些區(qū)域內(nèi)，增程器在前面開(kāi)啟，則后面也會(huì)保持開(kāi)啟狀態(tài)；在前面處于關(guān)閉狀態(tài)，則在后面也會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)增程器開(kāi)始工作時(shí)，輸出功率的大小是依據(jù)汽車(chē)負(fù)載的不同來(lái)決定。這樣的控制策略有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：將蓄電池組的損失降低到最低，但是增程器會(huì)經(jīng)常處于啟動(dòng)跟停止的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載比較小的時(shí)候，整車(chē)的排放和效率可能會(huì)受到影響。

3.2.3恒溫器跟功率相結(jié)合的模式：

這種控制策略結(jié)合了上面兩種控制策略，讓增程器和蓄電池都工作在效率比較高的范圍內(nèi)，這樣就很好的解決了增程器廢氣排放問(wèn)題和蓄電池使用壽命的問(wèn)題。就算車(chē)輛需求大功率行駛的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)實(shí)行功率跟隨控制方案，從而使蓄電池避免大功率放電；而車(chē)輛需求小功率運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)時(shí)的SOC狀態(tài)，決定關(guān)閉還是繼續(xù)開(kāi)啟增程器，從而提高了系統(tǒng)的工作效率，改善廢氣排放問(wèn)題。

3.2.4優(yōu)化算法控制策略：

上面所提到的控制策略簡(jiǎn)單易懂易與實(shí)現(xiàn)控制、各方面性能都不錯(cuò)，但還是不能使整個(gè)系統(tǒng)提高燃料經(jīng)濟(jì)性或達(dá)到最佳排放要求。基于此問(wèn)題我們又提出另外一種控制策略，那就是等效燃料消耗控制策略，這種控制策略的基于優(yōu)化算法的的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)控制策略實(shí)現(xiàn)控制的方法其實(shí)也相對(duì)簡(jiǎn)單，那就是把蓄電池消耗的能量通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成增程器提供的能量，從而跟組成整車(chē)燃油消耗模型，其中包括增程器實(shí)際燃油消耗率等。那怎么計(jì)算此模型最小值呢？我們選用增程器的工作點(diǎn)是工作點(diǎn)中的最小值。選用最小點(diǎn)能夠得到系統(tǒng)最小的燃油經(jīng)濟(jì)性，但是在實(shí)際使用過(guò)程中不太能夠估算出整車(chē)的等效燃料消耗量。

3.2.5智能控制策略：

這種控制策略運(yùn)用的是智能控制，模糊邏輯控制、遺傳算法控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制都屬于智能控制，在蓄電池組和增程器之間匹配負(fù)載所需要的功率。

4沃藍(lán)達(dá)增程器電動(dòng)汽車(chē)ADVISOR仿真分析

ADVISOR是MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下的一系列模型、數(shù)據(jù)和腳本文件，它在給定的道路循環(huán)條件下利用車(chē)輛各部分參數(shù)，能快速地分析傳統(tǒng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性等各種性能。使用ADVISOR對(duì)沃藍(lán)達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，其中選用CYC NEDC做為此次工況的仿真工況。仿真了沃藍(lán)達(dá)增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)跟蓄電池系統(tǒng)的關(guān)系。具體仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

在仿真界面通過(guò)各種選項(xiàng)選擇所需要的項(xiàng)目，并在后面輸入所需數(shù)據(jù)，來(lái)完成仿真的第一步工作。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選用64kwh，因?yàn)槲炙{(lán)達(dá)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為64kwh。蓄電池組選用鉛酸蓄電池，本來(lái)沃藍(lán)達(dá)的蓄電池是鋰電池，但是因?yàn)檫@個(gè)軟件中鋰電池的型號(hào)只要一種，所以我選用參數(shù)非常接近的鉛酸蓄電池。沃藍(lán)達(dá)發(fā)電機(jī)為55kw，傳遞效率為0.88.因?yàn)殡姍C(jī)的功率需要跟發(fā)電機(jī)接近，所以選用51kw的參數(shù)，傳遞效率為0.98。上述為參數(shù)的選定。

圖2是仿真中汽車(chē)循環(huán)工況的選擇，這次仿真選用的是新歐洲循環(huán)工況cYc

3沃藍(lán)達(dá)增程式動(dòng)力控制系統(tǒng)能量管理策略

V能量控制策略是沃藍(lán)達(dá)增程式動(dòng)力控制系統(tǒng)所運(yùn)用的，而這種能量控制策略是想盡可能少的用到增程器來(lái)給蓄電池組充電，讓汽車(chē)以純電動(dòng)模式工作，將廢氣污染物的排放量降到最低。當(dāng)蓄電池組的電量耗盡后，增程器開(kāi)始啟動(dòng)，根據(jù)不同運(yùn)行形式，沃藍(lán)達(dá)可以根據(jù)不同路況、不能的運(yùn)行方式進(jìn)行能量控制策略。

3.1增程器跟原車(chē)電源關(guān)聯(lián)不大

增程器（Range Extended）即用來(lái)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，又給汽車(chē)動(dòng)力蓄電池組進(jìn)行充電。這種能量運(yùn)算策略非常簡(jiǎn)單，在控制方面非?？煽浚a(chǎn)方面也比較方便，整體性能不錯(cuò)，這樣降低了電力能量從增程器到汽車(chē)動(dòng)力蓄電池組的傳遞中的損失。直接選用蓄電池作為增程器的電動(dòng)汽車(chē)適合這樣的控制策略。而且還有一種增程器是使用發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池來(lái)提供能量，不方便保障增程器和原車(chē)蓄電池組得到最高程度的匹配，不容易獲得整車(chē)系統(tǒng)效率最佳狀態(tài)這是這樣控制策略存在的問(wèn)題。

3.2增程器跟原車(chē)電源相互接合

按照不同的能量控制策略主要分成以下幾種不同的形式：

3.2.1恒溫器模式：NEDC。下方顯示的是此種工況下車(chē)輛的信息。

將參數(shù)輸入后，可以得到圖3所示結(jié)果。

5結(jié)論

當(dāng)蓄電池電量SOC值曲線下降到0.4之前時(shí)，增程發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，開(kāi)始給蓄電池組充電，此時(shí)的排放也處于峰值。隨著蓄電池電量SOC值的提升，排放基本接近于零。當(dāng)蓄電池電量充滿(mǎn)時(shí)，增程發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，直到下一次蓄電池電量低至0.4。從圖4右側(cè)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)每百公里油耗在4.6左右，相比于傳統(tǒng)汽車(chē)已經(jīng)達(dá)到了很好的節(jié)油減排的效果。