增程式電動汽車研究

摘 要：本文對增程式電動汽車的工作模式進行分析，并對不同模式下增程式電動汽車的工作特點進行簡要分析，對比各個工作模式下的整車特性;對不同控制策略進行對比分析，主要比較恒功率（恒溫器）控制策略、功率跟隨控制策略和綜合控制策略下的整車特性及各個控制方式的優缺點，為后續進行增程器優化控制提供基礎。

關鍵詞：增程式電動汽車;工作模式;控制策略

中圖分類號：U469.72+2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0108-02

隨著社會的進步及科學技術水平不斷提高，全球化石能源的高度開發利用使化石能源的短缺問題急劇加快。近年來，全世界人均汽車保有量快速增長，汽車在給人類出行帶來巨大便利的同時，其石油燃燒、整車噪聲、尾氣排放也給社會環境帶來巨大污染[1]。

1 增程式電動汽車概述

純電動汽車是一種以電能驅動的車輛，其在行駛過程中沒有化石燃料的燃燒，所以沒有尾氣排放，而且噪聲低。但是，純電動汽車的動力電池耐久性、大容量、充電問題、使用壽命及續航問題一直是行業內亟待解決的難題。增程式電動汽車作為傳統燃油汽車向純電動汽車過渡的產物，其組成部分主要包含動力電池、驅動電機、增程器（內燃機和發電機）以及整車的控制系統。增程器內發動機的功率及轉矩需求并沒有傳統燃油車大，一般可以選擇較低排放的發動機。增程式電動汽車不僅具有傳統燃油汽車的動力性能，而且還具有純電動汽車零排放、低噪聲等優點。

與傳統燃油汽車和純電動汽車相比，增程式電動汽車增加了部分動力部件，動力系統結構也產生了一定變化，使得對其動力部件的選型標準具有自己的特點。雖然動力耦合的減少降低了部分能量損耗，但頻繁的動力-電力轉換也帶來了效率的降低。如何選擇動力部件類型、配置合適的各個動力部件參數，使得在保證整車動力性能的情況下使經濟性能達到最優，成為增程式電動汽車需要解決的重要問題。

2 增程式電動汽車的工作模式

根據不同的行駛工況，可以將增程式電動汽車分為三種運行模式。

2.1 純電動運行模式

增程式電動汽車通過外接電源給動力電池充電。在整車行駛過程中，只使用動力電池驅動整車行駛，增程器處于關閉狀態，保持一種備用狀態，實現了零排放[2]。

2.2 混合動力運行模式

當行駛時所需的功率大于動力電池能提供的功率時，即在加速或爬坡過程中，增程器提供部分輔助動力用于驅動整車的正常運行。增程器提供的能量多余部分用于動力電池充電，并且在制動過程中還可以回收部分制動能量。

2.3 增程運行模式

動力電池的電量低于最低下限值時，起動增程器，通過增程器提供的能量用于整車驅動形式和給動力電池充電，使整車的續航里程得到保證。

3 增程器的控制策略

增程式電動汽車增程器的控制對整車動力性能和經濟性能具有重要作用，因此，制定有效的增程器控制策略對保證整車燃油經濟性和動力性十分必要。對增程式電動汽車增程器控制策略的研究重點從以下幾方面進行：①通過結合發動機體與發電機的轉矩-轉速特性曲線，得到增程器的最佳工作點/最佳工作區間;②對增程器發動機工作轉速進行控制，使發動機的動態波動達到最小;③在增程器發動機工作過程中，當轉速低于下限值時，停止使用發動機，保證發動機的燃油效率;④發動機的頻繁起停對動力電池的使用壽命有很大影響，應減少發動機的啟停次數;⑤在電量保持模式下，為保持動力電池的使用壽命，減少動力電池荷電狀態波動。

3.1 恒溫器控制策略

恒溫器控制策略的效果圖如圖1所示。

具體的控制模式為：當電池SOCmin≤SOC≤SOCmax時，發動機保持前一時刻的工作狀態;當電池SOCmax≤SOC時，發動機處于關閉狀態，動力電池提供整車需求的功率;當電池SOC≤SOCmin時，起動增程器，使發動機工作在最高效率點，發動機運行輸出的能量除了間接驅動整車運行外，多余的能量提供給動力電池充電。在恒溫器控制策略下，增程器發動機始終保持在高效率點下恒功率運行，避免了發動機的頻繁啟停和功率波動，保護了發動機的使用壽命。此外，增程式電動汽車在運行過程中，由于工況的變化，使得增程的需求功率處于不斷波動狀態，這就要求增程器輸出的功率也應滿足該要求。但是，發動機恒功率輸出，存在提供過功率現象，該部分功率提供給動力電池進行充電，會造成動力電池經常處于大電流充放電模式下，對維護電池壽命極為不利。

3.2 功率跟隨控制策略

功率跟隨控制策略的控制效果如圖2所示，該控制策略根據整車運行時的功率需求和動力電池SOC值的狀態來確定增程器的工作狀態。只有當動力電池SOCmax≤SOC且需求功率小于Pe_low時，發動機才處于關閉狀態。當動力電池的SOC值處于其他情況下時，增程器根據整車負載的功率需求進行實時調整。在功率跟隨控制策略下，能保持動力電池始終處于最佳的工作性能狀態，但增程器的頻繁波動對發動機的燃油效率和排放不利。

3.3 恒溫器+功率跟隨控制策略

恒溫器+功率跟隨控制策略效果如圖3所示，該控制策略模式下增程器發動機的運行狀態與恒溫器控制策略時發動機的工作狀態存在相似之處，兩者之間的差異是：在發動機起動后，該控制策略下發動機工作在高效率區域內，增程器提供的功率不能滿足整車功率需求時，動力電池提供不足的功率。在恒溫器+功率跟隨控制策略下，發動機沒有工作在最優工作點，但是發動機始終處于較高效率范圍內工作。此外，該工作方式有效避免了發動機轉速頻繁變化的影響。恒溫器+功率跟隨控制模式在一定程度上對恒溫器控制策略和功率跟隨控制策略單獨控制不足，使增程式電動汽車的整車效率、燃油消耗和尾氣排放得到了相對的優化。但是，該控制策略依然以功率跟隨控制策略為主題思想，并且與恒溫器控制策略結合。

4 結語

本文簡要介紹了增程式電動汽車的工作模式，分析各工作模式下整車的工作特點;對恒溫器控制策略、功率跟隨控制策略和恒溫器+功率跟隨控制策略的特點進行對比分析，區分三種控制策略的優缺點，為研究增程式電動汽車增程器控制提供理論基礎。

參考文獻：

[1]吳苗苗，張歡園.增程式電動汽車[J].汽車工程師，2013（11）：59-61.

[2]王耀南，孟步敏，申永鵬，等.燃油增程式電動汽車動力系統關鍵技術綜述[J].中國電機工程學報，2014（27）：4629-4639.