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燃油增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

2020-03-15 22:18:49·  來(lái)源：《燃油增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述》  
　
0 引言面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候和能源形勢(shì)，電動(dòng)汽車(chē)以其節(jié)能環(huán)保的巨大優(yōu)勢(shì)，受到各國(guó)政府越來(lái)越多的重視?但是，當(dāng)前動(dòng)力電池存在價(jià)格高昂?能量密度較低，以及充電
0 引言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候和能源形勢(shì)，電動(dòng)汽車(chē)以其節(jié)能環(huán)保的巨大優(yōu)勢(shì)，受到各國(guó)政府越來(lái)越多的重視?但是，當(dāng)前動(dòng)力電池存在價(jià)格高昂?能量密度較低，以及充電時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，限制了電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模推廣應(yīng)用?在動(dòng)力電池短期內(nèi)不能獲得較大性能提升的背景下，各種形式的混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)運(yùn)而生?其中，增程式電動(dòng)汽車(chē)作為純電動(dòng)汽車(chē)的平穩(wěn)過(guò)渡車(chē)型，以其效率高?電池容量小，不會(huì)因缺電拋錨等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注?

增程式電動(dòng)汽車(chē)是一種純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)行駛的插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)，其動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力電池系統(tǒng)?動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及增程器和整車(chē)控制系統(tǒng)組成?廣義的增程式電動(dòng)汽車(chē)的增程器動(dòng)力源應(yīng)包含燃料電池?發(fā)動(dòng)機(jī)等多種形式?本文主要論述以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的燃油增程式電動(dòng)汽車(chē)，即狹義的增程式電動(dòng)汽車(chē)?其與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠控制在最優(yōu)工作狀態(tài)，具有排放量小的特點(diǎn)?與純電動(dòng)汽車(chē)相比，所需電池容量要小很多，成本較低且不會(huì)缺電拋錨?與強(qiáng)混合動(dòng)力車(chē)相比，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有機(jī)械耦合，避免了頻繁的工作模式切換?而且，增程器輸出功率和電流可控，能夠采用更靈活的電池充放策略，有利于延長(zhǎng)電池使用壽命?

國(guó)家電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃將純電動(dòng)汽車(chē)?增程式電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)歸為一個(gè)大類，并制定了以小型純電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)作為純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化突破口，開(kāi)發(fā)純電動(dòng)和增程式小型轎車(chē)系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的技術(shù)路線?

國(guó)外，通用汽車(chē)的VOLT增程式電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)上市，歐寶也推出了自己的增程式電動(dòng)廂式車(chē)?近期，寶馬?馬自達(dá)等汽車(chē)企業(yè)也加入了增程式電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)和生產(chǎn)的行列?國(guó)內(nèi)，增程式汽車(chē)的概念首先在南車(chē)時(shí)代電動(dòng)?寧波神馬等企業(yè)的電動(dòng)大巴上得到應(yīng)用?長(zhǎng)城?奇瑞?廣汽和北汽等汽車(chē)企業(yè)也相繼投入到了增程式電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)當(dāng)中?

增程式電動(dòng)汽車(chē)由于動(dòng)力模塊的增加，整車(chē)的控制難度也相應(yīng)地增加?增程式電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的動(dòng)力協(xié)調(diào)和最優(yōu)控制，是增程式電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題?尤其隨著增程式電動(dòng)汽車(chē)的小型化，提高增程式電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性能和單位效率變得尤為重要?動(dòng)力部件效率是增程式電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)效率的決定因素之一?由于增程模塊對(duì)電池充放電的影響，增程式電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電池的選型和控制策略也提出了新的要求?怎樣在變化的工況下提高驅(qū)動(dòng)部件的效率，延長(zhǎng)部件壽命，是增程式電動(dòng)汽車(chē)的主要研究方向?

增程式電動(dòng)汽車(chē)與純電動(dòng)和傳統(tǒng)混合動(dòng)力相比，既有技術(shù)上的通用性，又有其特殊之處?下文將針對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力部件選型?動(dòng)力系統(tǒng)配置?系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與效率優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析?在對(duì)國(guó)內(nèi)外最新的相關(guān)技術(shù)解決方案進(jìn)行比較分析的同時(shí)，指出幾個(gè)今后值得關(guān)注的研究方向?

1 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)介紹

動(dòng)力電池系統(tǒng)?動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?增程器和整車(chē)控制系統(tǒng)是增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的4大重要組成部分?動(dòng)力電池系統(tǒng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力的同時(shí)，也為增程器發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)提供反拖電流;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為車(chē)輛提供動(dòng)力輸出，由電機(jī)控制器接受整車(chē)控制器的命令控制車(chē)輛行駛;小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)和與之直接相連的發(fā)電機(jī)組成增程器，通過(guò)將發(fā)電機(jī)的交流電整流成與動(dòng)力電池電壓相匹配的直流給動(dòng)力電池充電;整車(chē)控制系統(tǒng)提供包括增程器的控制?駕駛員輸入信息處理?各動(dòng)力部件的協(xié)調(diào)控制等整車(chē)控制功能?增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?

 
由于發(fā)動(dòng)機(jī)并非常開(kāi)狀態(tài)，也不直接參與動(dòng)力輸出?增程式電動(dòng)汽車(chē)與其他混合動(dòng)力車(chē)在動(dòng)力配置上，具有一定的區(qū)別?有別于傳統(tǒng)串聯(lián)混合車(chē)型采用較大的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供所有電力源，和較小的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)能效的提高;增程式電動(dòng)汽車(chē)的插電式充電模塊實(shí)現(xiàn)電池的外部充電，而只配置小功率的發(fā)電機(jī)滿足擴(kuò)展里程需求?電池容量相對(duì)純電動(dòng)要小，相對(duì)其他混合動(dòng)力車(chē)要大?動(dòng)力配置對(duì)比如圖2所示?

 
由于動(dòng)力部件的增加，動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，使得增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力部件的選型標(biāo)準(zhǔn)具有自己的特點(diǎn)?雖然動(dòng)力耦合的減少，減低了部分能量損耗;但頻繁的電力轉(zhuǎn)換也帶來(lái)了效率的降低?怎樣選擇動(dòng)力部件類型?配置動(dòng)力部件的參數(shù)，在保證系統(tǒng)動(dòng)力性能的情況下使經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)，成為增程式電動(dòng)汽車(chē)首先要解決的問(wèn)題?

2 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力部件的選型比較

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型比較

增程式電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的配置與純電動(dòng)汽車(chē)的配置相同?電動(dòng)汽車(chē)比較高效，且常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有交流三相感應(yīng)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱感應(yīng)電機(jī))?表貼永磁同步電機(jī)?內(nèi)置式永磁同步電機(jī)?開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等?感應(yīng)電機(jī)具有應(yīng)用廣泛?維修方便等優(yōu)點(diǎn);但也存在功率因素較低?變壓變頻控制較復(fù)雜的缺點(diǎn)?永磁交流同步電機(jī)具有較高的效率和較好的動(dòng)力特性;但存在著制造工藝復(fù)雜，受成本影響比較大等問(wèn)題?對(duì)于永磁交流同步電機(jī)而言，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)特性要優(yōu)于表貼永磁同步電機(jī)，但電機(jī)復(fù)雜度卻增加很多?開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?抗擾性強(qiáng)，但存在轉(zhuǎn)矩脈沖和噪聲，以及振動(dòng)問(wèn)題?以雙凸極永磁電機(jī)為代表的定子永磁電機(jī)對(duì)上述優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了融合，雖然增加了復(fù)雜度，也是電機(jī)的可選方案之一?

增程式電動(dòng)車(chē)以純電驅(qū)動(dòng)為主的城市道路作為主要應(yīng)用環(huán)境，電機(jī)效率和功率密度被作為主要考量標(biāo)準(zhǔn)?在相似工況環(huán)境和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率情況下，幾種適用電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率比較如圖3所示?由于電機(jī)的性能受到氣隙?極弧系數(shù)?磁鋼性能?極對(duì)數(shù)等因素的影響，電機(jī)的優(yōu)劣比較具有較大爭(zhēng)議?盡管如此，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)效率高?調(diào)速范圍寬的優(yōu)勢(shì)仍然得以體現(xiàn)，是當(dāng)前增程式電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的較優(yōu)選擇?

 
2.2 動(dòng)力電池的選型比較

電池技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要瓶頸技術(shù)?伴隨著陽(yáng)極材料?陰極材料?隔膜以及電解液材料等電池主要部件的新材料和新工藝的研發(fā)，電池性能不斷得到提升?不同材料的電壓和容量的特性如圖4所示?

 
鋰電池磷酸鐵鋰?鈷酸鋰?錳酸鋰及其復(fù)合材料是當(dāng)前動(dòng)力電池正極材料的主流?其中，磷酸鐵鋰電池相對(duì)于鈷酸鋰?錳酸鋰具有較高的比容量，較長(zhǎng)的壽命周期和較低的成本?負(fù)極材料中，碳和石墨材料是主流，鈦酸鋰?鋰單質(zhì)負(fù)極材料也已經(jīng)得到應(yīng)用?磷酸鐵鋰和碳材料組成的電池單體，是當(dāng)前增程式電動(dòng)汽車(chē)電池較為理想的選擇?隨著三元復(fù)合材料?固溶體材料組成的新型電池，以及金屬鋰材料組成的空氣鋰電池技術(shù)的完善與推廣，將會(huì)帶來(lái)動(dòng)力電池性能的大幅提升，也是未來(lái)增程式和純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì)?

2.3 增程器發(fā)動(dòng)機(jī)的選型比較

由于增程式電動(dòng)汽車(chē)的增程器用發(fā)動(dòng)機(jī)只與發(fā)電機(jī)有機(jī)械連接，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況和性能要求降低，發(fā)動(dòng)機(jī)選型自由度增加?幾種可用型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲(noise vibration and harshness，NVH)等性能對(duì)比如表1所示?表1中，“0”為基準(zhǔn)線;“+”表示好;“-”表示差?

 
單活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和兩缸四沖程汽油機(jī)被認(rèn)為是在增程發(fā)電應(yīng)用中最有前景的發(fā)動(dòng)機(jī)?雖然轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)比兩缸四沖程汽油機(jī)單體成本要低，但兩缸四沖程比轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的平臺(tái)更為通用化，降低了制造成本?兩缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟技術(shù)使得其具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前增程器用發(fā)動(dòng)機(jī)較為理想的選擇?隨著轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用增多，其在車(chē)載發(fā)電中的優(yōu)越性能將逐步得到體現(xiàn)?除了常用的發(fā)動(dòng)機(jī)以外，原動(dòng)機(jī)還有許多新穎的選擇，比如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)?小型蒸汽輪機(jī)?直線發(fā)動(dòng)機(jī)等?采用均質(zhì)混合氣壓燃技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)榧狭瞬裼蜋C(jī)和汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，也有望在未來(lái)的增程器上得到應(yīng)用?

由于增程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)比較單一，系統(tǒng)能夠極大簡(jiǎn)化，超負(fù)荷超速以及復(fù)雜的瞬態(tài)工作條件可以不予完全考慮?曲柄和閥都可以做降低摩擦和質(zhì)量的優(yōu)化?由于與負(fù)載和轉(zhuǎn)速需求相獨(dú)立，也允許啟動(dòng)和催化劑加熱過(guò)程的排放優(yōu)化?

2.4 ISG啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的選型比較

啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)(integrated starter generator，ISG)的選型依據(jù)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)類似，發(fā)電和啟動(dòng)一體化設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)提供啟動(dòng)和發(fā)電兩個(gè)不同的工況?感應(yīng)電機(jī)具有低成本?高可靠性的特點(diǎn)?開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有魯棒性和高速操作能力，但發(fā)電工況較低效，且存在較大的紋波?永磁電機(jī)比較高效，但有超速電壓失控的危險(xiǎn)?一體化啟動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)電機(jī)的安裝尺寸?啟動(dòng)力矩?輸出電壓和電流質(zhì)量?工作溫度范圍都有比較苛刻的要求?增程器應(yīng)用中，發(fā)電轉(zhuǎn)速能夠通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速得到主動(dòng)控制，效率較高的永磁電機(jī)是較好的選擇?但是，帶有旋轉(zhuǎn)變壓器的繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)?永磁和激磁繞組混合轉(zhuǎn)子電機(jī)也因特殊的特性受到較大的關(guān)注?與驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在驅(qū)動(dòng)工況相比，ISG電機(jī)大部分時(shí)間工作在發(fā)電工況?發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工況協(xié)調(diào)與優(yōu)化，以及綜合考慮高效工作區(qū)和功率因素是提高增程式電動(dòng)汽車(chē)燃油性能的關(guān)鍵?

3 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)配置

3.1 增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力配置的要素

增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的配置包括:驅(qū)動(dòng)電機(jī)?動(dòng)力電池?增程器用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)匹配?同時(shí)，還應(yīng)考慮空調(diào)和電附件對(duì)整車(chē)的影響?雖然動(dòng)力配置首先基于車(chē)輛的大小與定位，但動(dòng)力系統(tǒng)的配置仍然具有一定的通用準(zhǔn)則?已經(jīng)上市和正在研發(fā)的幾款增程式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)配置如表2所示?

 
3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力配置

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇在考慮功率因素?效率的同時(shí)，還需要考慮電機(jī)特性的影響?效率分布的高效區(qū)域應(yīng)該與電機(jī)常態(tài)工作區(qū)盡可能相一致?驅(qū)動(dòng)電機(jī)的配置依據(jù)如圖5所示?恒轉(zhuǎn)矩的大小決定了車(chē)的啟動(dòng)性能;切換點(diǎn)決定了車(chē)的加速性能;最大功率輸出決定了車(chē)的車(chē)速范圍?功率密度?動(dòng)態(tài)性能等指標(biāo)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇中要綜合考慮?

 
由于決定電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的額定功率的是加速的需求，而不是最高巡航車(chē)速或爬坡能力，所以加速性能是電動(dòng)汽車(chē)首先要考慮的指標(biāo)?加速時(shí)間ta為時(shí)間相對(duì)速度變化率的積分，通過(guò)如下公式計(jì)算:

 
式中:Pt/V為牽引力，

 
Mgfr 為滾動(dòng)阻力；(1/2) ρaCDAfV² 為空氣阻力；ρa為空氣密度；CD 為空氣阻力系數(shù)；Af 為迎風(fēng)面積；M 為整車(chē)質(zhì)量；g 為重力加速度；Pt 為牽引功率；V 為車(chē)速；Vb 為基速；Vf 為目標(biāo)轉(zhuǎn)速；Tp 為牽引力；ig 為傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比；io 為末端傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)比；ηt 為傳動(dòng)效率；rd 為有效車(chē)輪半徑；fr 為滾動(dòng)阻力系數(shù)；δ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)，考慮了起因于旋轉(zhuǎn)組件角動(dòng)量的等效質(zhì)量的增加，轎車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式表示，具體為 

 
由于在基速以下電動(dòng)汽車(chē)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，公式(1)的第一個(gè)積分項(xiàng)中V取為基速Vb?通常，初始加速時(shí)間的計(jì)算忽略阻力，簡(jiǎn)化為

 
加速期間平均的抗阻力牽引功率為

 
式中車(chē)速表示為

 
從零車(chē)速加速到Vf所需的總牽引功率為

 
在小功率低傳動(dòng)比裝置中，最高車(chē)時(shí)牽引力和阻力達(dá)到式(5)所示的平衡方程?

 
爬坡性能可以初略估算為

 
3.3 電池容量的配置

電動(dòng)機(jī)功率保證了加速和爬坡性能，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)功率保證車(chē)輛在平坦或低坡度路面上的恒速行駛需求?對(duì)于增程式電動(dòng)汽車(chē)而言，電池的設(shè)計(jì)容量應(yīng)該使得全電動(dòng)行程(all electric range，AER)滿足日常駕駛需求?續(xù)駛里程與電池電量和燃油間的關(guān)系受到不同駕駛工況?車(chē)輛能耗分布?整車(chē)控制策略的影響?針對(duì)目標(biāo)增程式電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型(具體參數(shù)表見(jiàn)附錄A)，對(duì)幾種典型的駕駛工況下的純電驅(qū)動(dòng)能量消耗進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖6所示?

 
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)調(diào)查，城市工況一半以上的每日駕駛行程小于60km，當(dāng)然具體城市的調(diào)查數(shù)據(jù)有一定差別?根據(jù)增程式電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)初衷，電池的容量應(yīng)該滿足大部分工況純電驅(qū)動(dòng)的需求?與此同時(shí)，增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的選擇，也與電池容量的配置相關(guān)?電池容量的估算公式如式(7)—(9)所示?

 
式中:Etotal為車(chē)輛的電池總能量;Ereq為車(chē)輛的需求能量;Tcyc為工況循環(huán)時(shí)間;Pbatt為電池放電功率;Ebatt_sp為電池消耗能量;Edri為驅(qū)動(dòng)能量消耗;Eacc為附件能量消耗;Egen為有效制動(dòng)回饋能量?通常，為了保護(hù)電池，荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的取值限Smin保持在25%~35%，Smax保持在70%~95%?

3.4 增程器的配置

增程器的配置包括了ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩部分?除了整體的發(fā)電效率滿足整車(chē)的基本功率需求之外，增程發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率分布應(yīng)該盡可能的一致，以期達(dá)到整體的效率最優(yōu)?功率需求的估算如下式所示:

 
式中:Peng為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率;ηgen為發(fā)電效率?目標(biāo)車(chē)型增程器的效率分布情況如圖7所示?

 
 
由于APU單元和其他動(dòng)力單元間具有較大的干擾，為了規(guī)避這種干擾，除了控制方法上的考慮，整流模塊上的優(yōu)化也是必要的?

4 增程式電動(dòng)汽車(chē)協(xié)調(diào)控制與能效優(yōu)化

4.1 增程式電動(dòng)汽車(chē)的能量流向

增程器的獨(dú)立能量供給提供了多種工作模式的選擇?在日常的使用中，可將增程器關(guān)閉，僅由電池提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力?這樣既可以通過(guò)提高增程器功率輸出提升整車(chē)動(dòng)力性能，又可以根據(jù)動(dòng)力消耗發(fā)電維持荷電狀態(tài)(SOC)，還可以通過(guò)功率補(bǔ)償方式獲得電池使用壽命的增加?相應(yīng)控制方式下，各個(gè)動(dòng)力部件的協(xié)調(diào)既可以通過(guò)手動(dòng)需求輸入實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)整車(chē)行駛工況的狀態(tài)識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)?無(wú)論采用哪種工作模式，采用適當(dāng)?shù)牟呗?，在協(xié)調(diào)控制動(dòng)力部件工作的同時(shí)，提升整車(chē)的能效水平是非常重要的?

整車(chē)動(dòng)力部件設(shè)計(jì)定型后，效率的優(yōu)化主要通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn):

1)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最低油耗區(qū)或最低特定污染物排放的區(qū)域，或通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化方法獲得帕累托(pareto)最優(yōu)解;

2)最大化再生制動(dòng)能量利用;

3)通過(guò)需求導(dǎo)向的控制策略降低附加能量消耗?在考慮能量?jī)?yōu)化的同時(shí)，需要對(duì)過(guò)流?過(guò)溫等危險(xiǎn)工況進(jìn)行限制?目標(biāo)車(chē)型典型工況下能量損耗分析如圖8所示?

 
4.2 充電效率與熱管理

充電效率與負(fù)載情況相關(guān)，隨著電池SOC和其他狀態(tài)的改變?動(dòng)力輸出的變化，充電的效率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變?最新的零電壓隔行掃描boost電路，通過(guò)適當(dāng)?shù)牟呗裕沟肁C到DC轉(zhuǎn)換已經(jīng)能夠做到如圖9所示的效率?怎樣在變化的工況下提升能量使用效率，是增程式電動(dòng)汽車(chē)控制亟待解決的問(wèn)題?

 
由于動(dòng)力電池不僅有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的充放電，也有輔助動(dòng)力裝置(auxiliary power unit，APU)為其充電，使得動(dòng)力電池的充放電變的更加頻繁，電池的松弛效應(yīng)和滯后效應(yīng)更加明顯?溫度對(duì)電池的充放電有很大的影響，在不同的溫度下電池表現(xiàn)出的充放電特性如圖10所示?在不同的荷電狀態(tài)下，電池的充放電功率會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生變化?

 
為了保證頻繁充放電情況下電池組的溫度適應(yīng)性，控制系統(tǒng)的策略需要特別考慮?特殊的電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)也有助于電池能效的提升?電池均衡設(shè)備和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)也是可選的方案?值得注意的是，電池的熱處理需要綜合考慮多種因素的影響?

4.3 控制策略研究

增程式電動(dòng)汽車(chē)作為串混車(chē)的一種，與串混車(chē)一樣，為了達(dá)到整體的狀態(tài)最優(yōu)，需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)增程式電動(dòng)汽車(chē)的能量管理?針對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)，電池充放電策略的示意如圖11所示?

 
針對(duì)適用于增程式電動(dòng)汽車(chē)的控制策略，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多的研究?Wirasingba等將控制策略歸類為基于規(guī)則的和基于規(guī)劃的2個(gè)大類，并對(duì)電量維持(charge sustaining，CS)和電量耗盡(charge depleting，CD)兩種模式下的確定性規(guī)則?模糊規(guī)則?全局優(yōu)化以及實(shí)時(shí)優(yōu)化進(jìn)行了論述?Salmasi等分別對(duì)線性規(guī)劃?最優(yōu)控制?隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃?遺傳算法進(jìn)行了比較論述，并提到了一種基于GPS的整車(chē)能量流控制策略?同時(shí)，對(duì)控制策略發(fā)展方向進(jìn)行了說(shuō)明?Bashash等提出了綜合考慮排放和電池壽命的控制策略?Richter等提出一種基于路況的增程式電動(dòng)汽車(chē)控制方法?動(dòng)力結(jié)構(gòu)上的通用性，使得一些串聯(lián)式混合動(dòng)力的控制技術(shù)也適用于增程式電動(dòng)汽車(chē)?

由于動(dòng)力電池具有小電流放電比高電流放電容量大，淺充淺放能夠有效延長(zhǎng)電池使用周期的特點(diǎn)?增程器的存在使得動(dòng)力系統(tǒng)的能量流向能夠通過(guò)一定的控制策略得到優(yōu)化，達(dá)到延長(zhǎng)續(xù)駛里程和提升電池性能的目的?優(yōu)化的有效性已經(jīng)得到驗(yàn)證，合適的優(yōu)化策略能夠相對(duì)單點(diǎn)效率最優(yōu)充電，提升10%~15%的系統(tǒng)效率?

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電的增程概念在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)生之初就已經(jīng)被提出，其發(fā)展受到技術(shù)條件的限制，多次的電力轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致了燃油效率的降低?但是，插電式和車(chē)載充電的結(jié)合，以及能源轉(zhuǎn)換效率的提高帶來(lái)了增程式電動(dòng)汽車(chē)的新生?

隨著技術(shù)的不斷提升，成本的不斷降低，環(huán)保高效的電動(dòng)汽車(chē)取代傳統(tǒng)燃油車(chē)是大勢(shì)所趨?但在電池容量，充放電時(shí)間還不能完全滿足當(dāng)前純電動(dòng)汽車(chē)需求的情況下，采用純電驅(qū)動(dòng)的增程式電動(dòng)汽車(chē)具有較大的應(yīng)用背景?而模塊化，便攜式的增程設(shè)備必將是純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展道路上的一大亮點(diǎn)?

電動(dòng)汽車(chē)，增程式電動(dòng)汽車(chē)安全性和效率的提高，依賴于對(duì)動(dòng)力部件的深入理解?我們需要對(duì)動(dòng)力部件的特性進(jìn)行更為深入的研究，限制車(chē)載充電的不利影響，充分發(fā)掘充電能量控制的用途和效益，推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)普及進(jìn)程?在未來(lái)的研究工作中下列問(wèn)題應(yīng)得到特別的關(guān)注和研究:

1) 能源轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升?雖然在純電工況下，增程式電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于其他混合動(dòng)力汽車(chē)?但是，在充電工況下，電流耦合的增程式電動(dòng)汽車(chē)還不能達(dá)到機(jī)械耦合混合動(dòng)力車(chē)型的水平，仍然具有較大的提升空間?

2) 模塊化，可拆卸式增程單元的應(yīng)用研究?由于模塊化涉及到增程單元通信的通用化，對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性，動(dòng)力操控穩(wěn)定性等問(wèn)題?安全?高效?通用性好的增程模塊具有較大研究?jī)r(jià)值?

3) 與微網(wǎng)?智能電網(wǎng)?車(chē)路協(xié)同等新技術(shù)的結(jié)合?增程式電動(dòng)汽車(chē)本身就構(gòu)成了一個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)，其充電方式的多樣化，帶來(lái)了接入模式和控制模式靈活性?在微網(wǎng)和大電網(wǎng)相結(jié)合的大背景下，增程式電動(dòng)汽車(chē)與智能電網(wǎng)和車(chē)路協(xié)同控制的結(jié)合也是研究方向之一?
 
 
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