沃藍(lán)達(dá)增程汽車動力傳動控制系統(tǒng)分析

陸孟雄

摘要：研究雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)增程式電動汽車動力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及控制方式。具體分析沃藍(lán)達(dá)電動汽車動力傳遞與動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：增程式電動汽車；增程器；動力控制系統(tǒng)；ADVISOR軟件；仿真分析

1引言

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

2沃藍(lán)達(dá)增程式電動車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

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

2.1電力驅(qū)動子系統(tǒng)

沃藍(lán)達(dá)增程式汽車的電力驅(qū)動子系統(tǒng)跟傳統(tǒng)普通的純電動汽車整體結(jié)構(gòu)組成是完全相同，主要其中包括了以下幾個方面：電子控制單元、傳動裝置和驅(qū)動輪。正是由于電動機(jī)是增程式電動汽車控制系統(tǒng)中比較重要的動力驅(qū)動裝置，所以電動機(jī)的最大功率及最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須要滿足驅(qū)動車輛的設(shè)計需要。

a.最高車速工況

增程器啟動以后，會按照恒定功率輸出，而這個就取決于之前預(yù)定的工作節(jié)點。還有電機(jī)的運轉(zhuǎn)是依靠其中的一些部分電能用來驅(qū)動，而另一部分電能是用來給蓄電池組充電。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，增程器可以選擇關(guān)閉或怠速運行。這樣的控制策略具有以下幾個優(yōu)點：增程器可以運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幅度較大，而且蓄電池組經(jīng)常會陷入深度放電循環(huán)狀態(tài)，蓄電池使用壽命會被大大削弱。

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)系到增程器的啟動還有停止。增程器會因為車輪功率需求高或者蓄電池組SOC值的變化而選擇啟動還是停止工作。而在蓄電池組SOC高于預(yù)設(shè)上限閥值時，增程器則停止運行。同時還設(shè)立一些保持狀態(tài)區(qū)，在這些區(qū)域內(nèi)，增程器在前面開啟，則后面也會保持開啟狀態(tài)；在前面處于關(guān)閉狀態(tài)，則在后面也會處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)增程器開始工作時，輸出功率的大小是依據(jù)汽車負(fù)載的不同來決定。這樣的控制策略有以下幾個優(yōu)點：將蓄電池組的損失降低到最低，但是增程器會經(jīng)常處于啟動跟停止的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載比較小的時候，整車的排放和效率可能會受到影響。

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題和蓄電池使用壽命的問題。就算車輛需求大功率行駛的時候，系統(tǒng)會實行功率跟隨控制方案，從而使蓄電池避免大功率放電；而車輛需求小功率運行，系統(tǒng)會實時監(jiān)控當(dāng)時的SOC狀態(tài)，決定關(guān)閉還是繼續(xù)開啟增程器，從而提高了系統(tǒng)的工作效率，改善廢氣排放問題。

3.2.4優(yōu)化算法控制策略：

上面所提到的控制策略簡單易懂易與實現(xiàn)控制、各方面性能都不錯，但還是不能使整個系統(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)上實現(xiàn)的。整個控制策略實現(xiàn)控制的方法其實也相對簡單，那就是把蓄電池消耗的能量通過計算轉(zhuǎn)換成增程器提供的能量，從而跟組成整車燃油消耗模型，其中包括增程器實際燃油消耗率等。那怎么計算此模型最小值呢？我們選用增程器的工作點是工作點中的最小值。選用最小點能夠得到系統(tǒng)最小的燃油經(jīng)濟(jì)性，但是在實際使用過程中不太能夠估算出整車的等效燃料消耗量。

3.2.5智能控制策略：

這種控制策略運用的是智能控制，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)增程器電動汽車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)條件下利用車輛各部分參數(shù)，能快速地分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車和混合動力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性以及排放性等各種性能。使用ADVISOR對沃藍(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)增程式電動汽車的動力系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)系統(tǒng)跟蓄電池系統(tǒng)的關(guān)系。具體仿真數(shù)據(jù)見表1。

在仿真界面通過各種選項選擇所需要的項目，并在后面輸入所需數(shù)據(jù)，來完成仿真的第一步工作。發(fā)動機(jī)參數(shù)選用64kwh，因為沃藍(lán)達(dá)的發(fā)動機(jī)參數(shù)為64kwh。蓄電池組選用鉛酸蓄電池，本來沃藍(lán)達(dá)的蓄電池是鋰電池，但是因為這個軟件中鋰電池的型號只要一種，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.因為電機(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)增程式動力控制系統(tǒng)所運用的，而這種能量控制策略是想盡可能少的用到增程器來給蓄電池組充電，讓汽車以純電動模式工作，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，增程器開始啟動，根據(jù)不同運行形式，沃藍(lán)達(dá)可以根據(jù)不同路況、不能的運行方式進(jìn)行能量控制策略。

3.1增程器跟原車電源關(guān)聯(lián)不大

增程器（Range Extended）即用來負(fù)責(zé)驅(qū)動電機(jī)，又給汽車動力蓄電池組進(jìn)行充電。這種能量運算策略非常簡單，在控制方面非?？煽浚a(chǎn)方面也比較方便，整體性能不錯，這樣降低了電力能量從增程器到汽車動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汽車適合這樣的控制策略。而且還有一種增程器是使用發(fā)動機(jī)或燃料電池來提供能量，不方便保障增程器和原車蓄電池組得到最高程度的匹配，不容易獲得整車系統(tǒng)效率最佳狀態(tài)這是這樣控制策略存在的問題。

3.2增程器跟原車電源相互接合

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，增程發(fā)動機(jī)啟動，開始給蓄電池組充電，此時的排放也處于峰值。隨著蓄電池電量SOC值的提升，排放基本接近于零。當(dāng)蓄電池電量充滿時，增程發(fā)動機(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)動機(jī)工作時每百公里油耗在4.6左右，相比于傳統(tǒng)汽車已經(jīng)達(dá)到了很好的節(jié)油減排的效果。