軍用增程式電動(dòng)汽車增程器工作點(diǎn)選取策略設(shè)計(jì)

朱辰宇，余卓平，熊 璐，張培志，曾德全

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

0 增程式電動(dòng)汽車概述

增程式電動(dòng)汽車是混合動(dòng)力汽車的一種。它既能夠工作在純電動(dòng)行駛模式，又能夠通過增程器發(fā)電為車輛提供動(dòng)力、為動(dòng)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(dòng)汽車采用如圖1所示的串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組成增程器，車輛靠電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行駛。車輛以動(dòng)力蓄電池作為主要?jiǎng)恿υ矗栽龀唐髯鳛檩o助動(dòng)力源。當(dāng)增程式汽車工作在純電動(dòng)行駛模式下，增程器不工作，動(dòng)力電池作為唯一的能量源，此時(shí)其與純電動(dòng)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(diǎn)。當(dāng)動(dòng)力電池電量低或者動(dòng)力電池輸出功率小于需求功率時(shí)，增程器開始工作，發(fā)出的電能一部分可用于給動(dòng)力電池充電，另一部分可直接提供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。增程器的加入大大延長(zhǎng)了車輛的續(xù)航里程，減少了純電動(dòng)汽車用戶對(duì)此的擔(dān)憂。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

增程式電動(dòng)汽車的諸多優(yōu)點(diǎn)也引起了軍方關(guān)注。軍用特種車輛具有輸出功率大、機(jī)動(dòng)性和通過性強(qiáng)、工作可靠等特點(diǎn)。將增程式混合動(dòng)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(qiáng)動(dòng)力性、隱蔽性、通過性、降低油耗、成為移動(dòng)電站等，使得其能夠更好適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

本文研究對(duì)象是一輛增程式混合動(dòng)力、輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向的水陸兩棲汽車。其底盤傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、車輛實(shí)物分別如圖2、圖3所示。車輛具有兩個(gè)動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)通過機(jī)械連接組成增程器，電機(jī)控制器為四合一控制器，同時(shí)控制散熱風(fēng)扇電機(jī)、發(fā)電機(jī)和兩個(gè)輪邊電機(jī)，動(dòng)力電池給電機(jī)控制器供電。

1 增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)模型建立

為了設(shè)計(jì)旨在提高整車經(jīng)濟(jì)性的增程器不同輸出功率下的工作點(diǎn)選取策略，本文搭建了增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型和增程器模型。

圖2 試驗(yàn)車底盤傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 試驗(yàn)車實(shí)物圖

1.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)是增程器的重要組成部件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的建模對(duì)增程器的控制策略設(shè)計(jì)有很大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，本文中提出的對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的控制是指通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，故不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)復(fù)雜的燃燒過程，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸入、輸出信號(hào)及內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模和參數(shù)擬合的方法對(duì)其建模。

在本文建立的模型中，輸入信號(hào)為油門開度和負(fù)載扭矩，輸出變量為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)為四缸柴油機(jī)，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(dòng)機(jī)在測(cè)功機(jī)上的臺(tái)架測(cè)試并使用多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得了如圖4所示的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與部分負(fù)荷特性圖，即將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩表示為油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的函數(shù)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與部分負(fù)荷特性圖

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量部分需用來克服機(jī)械摩擦阻力，其來源于內(nèi)部各個(gè)部件的相互滑動(dòng)和滾動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦扭矩特性如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦扭矩特性圖

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩是發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃油燃燒產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩克服機(jī)械摩擦阻力輸出至飛輪的扭矩。可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩特性圖如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩特性圖

可以建立發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，其表達(dá)式為：

式中，Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω和n均為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，ω單位為rad/s，n單位為rpm，Tei（α,n）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，α為油門開度，Tf（n）為發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，Tt為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速為：上述發(fā)動(dòng)機(jī)特性均是是穩(wěn)態(tài)下的特性，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)油門是從伺服控制器輸出的模擬電壓值，會(huì)存在一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，這里利用一個(gè)傳遞函數(shù)來描述發(fā)動(dòng)機(jī)力矩的建立過程，即：

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

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖

1.2 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

發(fā)電機(jī)有兩種工作模式，一種是作為起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，另一種是作為發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)配合產(chǎn)生電能。發(fā)電機(jī)使用永磁同步電機(jī)，本文對(duì)發(fā)電機(jī)的模型建立主要包括電機(jī)的外特性、效率特性。其中發(fā)電機(jī)扭矩特性和效率特性通過臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得，如圖8所示，由于試驗(yàn)條件限制，僅測(cè)得發(fā)電機(jī)外特性能夠全部包含發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的特性曲線。

圖8 發(fā)電機(jī)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(diǎn)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(gè)功率下的工作點(diǎn)。對(duì)于發(fā)電機(jī)來說，不同的工作點(diǎn)的區(qū)別表現(xiàn)在其效率的不同，發(fā)電機(jī)的效率場(chǎng)如圖8所示，可見電機(jī)效率與電機(jī)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(jī)盡可能工作在效率高的區(qū)域。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說，工作點(diǎn)表征了發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗特性、排放特性，合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)能夠降低整車油耗、提高整車排放性能，應(yīng)該使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率低，有害氣體排放量低的工作點(diǎn)，由于軍用汽車對(duì)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(dòng)機(jī)萬有特性。

通常增程器優(yōu)化使用發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳制動(dòng)燃油消耗率曲線（brake specific fuel consumption，BSFC）來確定發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗率的工作點(diǎn)和電機(jī)效率最高的工作點(diǎn)并不一定重合，電機(jī)效率高的工作區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率反而高。而且，電機(jī)控制器將發(fā)電機(jī)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(huì)產(chǎn)生一定的能量消耗，本文使用的電機(jī)控制器使用IGBT整流，這里取其效率為96%。因此，應(yīng)該將電機(jī)效率、電機(jī)控制器效率與發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性共同考慮，選擇整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作在具有最高燃油-電能轉(zhuǎn)換效率的工作點(diǎn)，使增程器系統(tǒng)工作在經(jīng)濟(jì)性較高的工作區(qū)域。

增程器系統(tǒng)的輸出功率由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩，單位Nm，ng為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位rpm，ηg為發(fā)電機(jī)效率，ηmc為電機(jī)控制器效率，其值為96%。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te、轉(zhuǎn)速ne與發(fā)電機(jī)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(diǎn)優(yōu)化問題中，優(yōu)化自變量為發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)控制器端直流母線電壓Ug可以計(jì)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(diǎn)下發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，其對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率bi可以用式(8)表示：

考慮到電機(jī)效率場(chǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩到電機(jī)輸出端存在能量消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率最好的工作區(qū)域并不意味著發(fā)電機(jī)的效率同樣高，在設(shè)計(jì)策略中希望增程器整體效率高，因此需要計(jì)算增程器在某一工作點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(chǎng)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(diǎn)選取策略

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

增程器的工作點(diǎn)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(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，nidle為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，單位rpm。

3）工作點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)速差值。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，噪聲和振動(dòng)會(huì)明顯增加，而且若功率增加時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)不同，會(huì)影響駕駛感覺和舒適性。因此確定功率增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，即當(dāng)P1>P2時(shí)，n1>n2。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)響應(yīng)需要時(shí)間，轉(zhuǎn)速的建立是相對(duì)滯后的，因此在相鄰工作點(diǎn)之間轉(zhuǎn)速差值不能太大，否則在轉(zhuǎn)速控制中會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，功率輸出不容易穩(wěn)定。

本文以1kW為精度，對(duì)增程器運(yùn)行的全工況所需求的期望功率工作點(diǎn)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(diǎn)曲線，對(duì)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(diǎn)，得到如圖11中星號(hào)連接成的最佳燃油經(jīng)濟(jì)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(diǎn)（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(diǎn)圖

圖11 增程器最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線圖

根據(jù)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線，確定了每一輸出功率 PAPU0下最佳經(jīng)濟(jì)性對(duì)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(dòng)機(jī)輸出扭矩特性圖可以反推出不同輸出功率所對(duì)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(jì)性下的油門開度-輸出功率圖

3 工作點(diǎn)選取策略實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上文工作點(diǎn)選取策略的有效性，我們進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果分為以下三個(gè)部分：

3.1 輸出功率跟隨驗(yàn)證

在不同時(shí)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(shí)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(jī)機(jī)械功率與電磁功率不平衡，電機(jī)的電流、電壓周期性變化引起的，屬于正常現(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(jī)轉(zhuǎn)速跟隨驗(yàn)證

不同時(shí)段系統(tǒng)的需求電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出電機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速除在需求功率跳變時(shí)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(jī)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(yàn)證

不同時(shí)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(jì)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(zhǎng)為1%決定的，屬于正常現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

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

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