電動汽車增程器動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制研究

張金龍 Anthony David Wearing 陳淵博 王 帆 雍玉芳

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

增程式電動汽車（Range Extended Electric Vehicle；REEV）是電動汽車的一種，其顯著區(qū)別于純電動汽車（Battery Electric Vehicle；BEV）的特征是其具有車載輔助裝置為動力系統(tǒng)提供電能以達(dá)到增加續(xù)航里程的目的。車載輔助裝置一般由發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，二者通過機(jī)械結(jié)構(gòu)連接。由于增程器系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)的存在，故其又具有與傳統(tǒng)燃油車一樣的轉(zhuǎn)矩波動問題，若得不到有效解決會降低動力總成生命周期、影響駕駛員的舒適性、增加NVH 問題等。故研究減小增程器的轉(zhuǎn)矩波動對增程式電動汽車的普及具有重要意義。

國內(nèi)對于轉(zhuǎn)矩波動控制的研究較少。湖南大學(xué)王耀南等對增程式電動汽車動力系統(tǒng)的部件選型、系統(tǒng)配置、控制優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并指出了未來增程器研究值得關(guān)注的問題[1]。同濟(jì)大學(xué)張立軍等建立了某商用車增程器的扭轉(zhuǎn)振動仿真模型，分析得出了扭振產(chǎn)生的原因[2]。國外對轉(zhuǎn)矩波動控制的研究主要集中在混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle；HEV）。法國普瓦提埃大學(xué)的Cauet，S，Njeh，M 等人以速度為參數(shù)設(shè)計了LPV（linear parameter varying）控制策略，通過電機(jī)補償發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動，之后通過仿真和實驗證明了應(yīng)用該控制策略降低轉(zhuǎn)矩波動和速度波動的有效性[3-5]。然而上述降低轉(zhuǎn)矩波動的方法需要使用輔助設(shè)備如電機(jī)、起動機(jī)等對發(fā)動機(jī)進(jìn)行補償，消耗額外的能量，因此會降低系統(tǒng)的效率，同時還需要增加傳感器等額外部件，增加了成本[6]，并且HEV 和REEV 的動力架構(gòu)大為不同，后者轉(zhuǎn)矩不會傳遞到車輪，所以需要不同的控制策略。

因此本文基于某增程器，研究適用于增程式電動汽車的轉(zhuǎn)矩波動控制。對增程器進(jìn)行了定義，分析了增程器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動的原因，基于發(fā)動機(jī)的輸出特性，運用不同的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制策略降低增程器轉(zhuǎn)矩波動并對比不同的控制策略轉(zhuǎn)矩波動降低的效果。

1 增程器的定義

本文中增程器系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。發(fā)動機(jī)為是增程器的能量來源。電機(jī)/發(fā)電機(jī)為永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor；PMSM），具有起動機(jī)（integrated startor generator；ISG）和發(fā)電機(jī)2 種功能。作為起動機(jī)使用時，倒拖發(fā)動機(jī)至發(fā)動機(jī)啟動。作為發(fā)電機(jī)使用時，將發(fā)動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出三相交流電；發(fā)電機(jī)控制器即逆變器（INVERTER）將三相交流電整流成直流電為電池充電。

圖1 增程器系統(tǒng)架構(gòu)圖

增程式電動汽車本質(zhì)上依然是一款電動車，其主要對標(biāo)對象為純電動汽車，因此增程器的開發(fā)要滿足以下主要指標(biāo)。

1）成本低

制約純電動汽車發(fā)展的主要因素之一是當(dāng)前電池成本過高，故增程器要有明顯的成本優(yōu)勢。增程器的成本主要由發(fā)動機(jī)、電機(jī)和控制器組成，其中發(fā)動機(jī)的成本最高，一般占到一半以上，而電機(jī)和控制器發(fā)展較為成熟，成本下降空間有限，因此降低增程器成本的關(guān)鍵在于降低發(fā)動機(jī)的成本。

2）體積小

乘用車常用的高缸數(shù)、大排量發(fā)動機(jī)占用體積過大，加入電機(jī)、控制器等難以布置在有限的空間內(nèi)，故增程器的體積要小。對于發(fā)電機(jī)可以選用軸向磁通電機(jī)、對于發(fā)動機(jī)可以采用低缸數(shù)、小排量的發(fā)動機(jī)以達(dá)到減小體積，提高功率密度的目的。如2014 款寶馬i3 的增程器采用0.65 L 直列兩缸汽油發(fā)動機(jī)[7]。

3）效率高

增程器系統(tǒng)效率的計算公式如下：

式中：ηre為增程器的效率；ηe為發(fā)動機(jī)的效率；ηg為發(fā)電機(jī)的效率；ηi為控制器的效率；ηo為其他效率之積。

其中控制器的效率ηi很高，通?？梢赃_(dá)95%以上。

發(fā)動機(jī)的效率ηe具有很大的提升空間。主要原因是傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機(jī)需要在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，而增程器發(fā)動機(jī)不參與直接驅(qū)動車輛，可以一直運行在高效區(qū)，因此可以聚焦特定的運行區(qū)域，開發(fā)高效的增程專用發(fā)動機(jī)。

與發(fā)動機(jī)類似，發(fā)電機(jī)的效率ηg與其運行區(qū)域有關(guān)，因此也可以通過優(yōu)化特定運行區(qū)域來提升整體效率。

4）NVH 性能好

增程式電動汽車相對于純電動汽車NVH 的劣勢主要來自于發(fā)動機(jī)。除了降低增程器本身的NVH問題之外也可以考慮利用其他方式降低乘客對NVH 的感受，如利用路面噪聲、空氣噪聲對發(fā)動機(jī)噪聲的掩蔽效應(yīng)降低高速行駛時的整車噪聲[8]。

2 增程器的轉(zhuǎn)矩波動及其影響

內(nèi)燃機(jī)屬于間隔性工作的熱機(jī)，在一個工作循環(huán)中每個氣缸各發(fā)火一次，各缸爆發(fā)時對曲軸做功，在周期性的轉(zhuǎn)矩激勵下，曲軸輸出端會產(chǎn)生周期性轉(zhuǎn)矩波動。本文中增程器采用的發(fā)動機(jī)在某工況下的曲軸轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩曲線如圖2 所示。

圖2 某工況下發(fā)動機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩曲線

由于內(nèi)燃機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩不能時時平衡，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動。這種波動會使得曲軸的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)上升或下降，這種加速和減速的變化，被稱為曲軸回轉(zhuǎn)不均勻度（Speed Irregularity）?；剞D(zhuǎn)不均勻度計算公式為

式中：σ 為回轉(zhuǎn)不均勻度；ωmax為最大轉(zhuǎn)速；ωmin為最小轉(zhuǎn)速；ωmean為平均轉(zhuǎn)速。

曲軸回轉(zhuǎn)速度的不均勻性，會使曲軸產(chǎn)生振動，對負(fù)載零件產(chǎn)生沖擊，為了改善內(nèi)燃機(jī)運行狀況，一般會在曲軸功率輸出端加裝飛輪。為了研究問題的方便，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算公式簡化如下：

式中：Te為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩；Tload為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J0為內(nèi)燃機(jī)所有運動構(gòu)件換算到曲軸上的轉(zhuǎn)動慣量；α 為角加速度。

式中：ω 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；ω0為初始轉(zhuǎn)速；t 為時間。

由公式（2）、（3）、（4）可知，加裝飛輪可以提高J0從而有助于改善內(nèi)燃機(jī)的曲軸回轉(zhuǎn)不均勻度，當(dāng)飛輪慣量足夠大時，理論上曲軸可以做到勻速轉(zhuǎn)動。

式中：JF為飛輪轉(zhuǎn)動慣量；ρ 為材料密度；b 為輪緣厚度；r1為輪緣內(nèi)徑；r2為輪緣外徑。

由公式（5）可知，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量受尺寸（輪緣外徑、輪緣厚度）和材料（材料密度）的影響。在理想狀態(tài)下，本增程器有3 種飛輪布置方案，轉(zhuǎn)動慣量分別為0.05 kg/m2、0.06 kg/m2和0.13 kg/m2。如圖3 所示為發(fā)動機(jī)在某工況下，分別采用3 種規(guī)格飛輪的回轉(zhuǎn)不均勻度的仿真結(jié)果。

圖3 回轉(zhuǎn)不均勻度仿真結(jié)果

由圖3 可知，隨著飛輪轉(zhuǎn)動慣量的增加，發(fā)動機(jī)回轉(zhuǎn)不均勻度相應(yīng)地有所降低。但在本增程器的開發(fā)過程中，受限于增程器整體重量和體積要求，飛輪慣量受限，因此需從其他方面設(shè)計直接改善轉(zhuǎn)矩波動。

3 動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制降低轉(zhuǎn)矩波動

根據(jù)前文中對增程器的定義，本文中增程器發(fā)電機(jī)選用永磁同步電機(jī)PMSM，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動如圖4 所示。

增程器的發(fā)電機(jī)通常采用恒轉(zhuǎn)矩控制策略，即控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于發(fā)動機(jī)輸出的平均轉(zhuǎn)矩。

式中：Te_mean為發(fā)動機(jī)平均轉(zhuǎn)矩；Tg_mean為發(fā)電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩。

由圖4 可知，發(fā)動機(jī)曲軸所受到的和轉(zhuǎn)矩始終是波動的，定義轉(zhuǎn)矩波動如下：

式中：Tr為轉(zhuǎn)矩波動；Te為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。

為了直觀地評價發(fā)動機(jī)曲軸上的轉(zhuǎn)矩波動大小，定義平均轉(zhuǎn)矩波動Tr_mean：

式中：Tr_mean為平均轉(zhuǎn)矩波動；Tc為循環(huán)波動周期。

根據(jù)公式（7）、（8），可得出發(fā)電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩波動和平均轉(zhuǎn)矩波動如圖4 所示。

從圖5 中可知，增程器的轉(zhuǎn)矩波動是很大的。平均轉(zhuǎn)矩波動為87.05 N·m。為了降低轉(zhuǎn)矩波動，從而降低對增程器的影響，根據(jù)公式（7），可以考慮在轉(zhuǎn)矩波動較大區(qū)域采用動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。

圖4 增程器恒轉(zhuǎn)矩控制策略

圖5 恒轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩波動和平均轉(zhuǎn)矩波動

值得注意的是，動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制時發(fā)電機(jī)不能對發(fā)動機(jī)的負(fù)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補償，否則發(fā)電機(jī)會消耗電能做功，影響系統(tǒng)效率。因此設(shè)計控制策略的原則為在不降低增程器系統(tǒng)效率和輸出功率的前提下，降低轉(zhuǎn)矩波動。據(jù)此，同時綜合考慮發(fā)電機(jī)控制器的能力，本文提供了以下2 種動態(tài)控制策略：

1）正轉(zhuǎn)矩區(qū)控制法

即在發(fā)動機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)不施加負(fù)載，只對正轉(zhuǎn)矩區(qū)施加負(fù)載，動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制如圖6 所示，轉(zhuǎn)矩波動和平均轉(zhuǎn)矩波動如圖7 所示。計算得出平均轉(zhuǎn)矩波動為71.48 N·m。

圖6 正轉(zhuǎn)矩區(qū)控制法

圖7 正轉(zhuǎn)矩區(qū)控制法轉(zhuǎn)矩波動

2）抵消負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)法

注意到發(fā)動機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)域較小，考慮選取負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)域前一段正轉(zhuǎn)矩區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行抵消。動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制如圖8 所示，轉(zhuǎn)矩波動和平均轉(zhuǎn)矩波動如圖9所示。計算得出平均轉(zhuǎn)矩波動為61.90 N·m。

圖8 抵消負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)法控制策略

圖9 抵消負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)法轉(zhuǎn)矩波動

4 結(jié)論

為了降低增程器的轉(zhuǎn)矩波動，根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出特點，設(shè)計了不同的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制策略，經(jīng)過計算對比得出如下結(jié)論：

1）通過對比圖5、7、9 可知，應(yīng)用的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制相對于恒轉(zhuǎn)矩控制具有降低總體轉(zhuǎn)矩波動和平均轉(zhuǎn)矩波動的作用，其中平均轉(zhuǎn)矩波動分別降低了17.89%和28.89%。

2）通過對比圖7 和圖9 可知，應(yīng)用不同的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制策略具有不同的效果。策略二相對于策略一轉(zhuǎn)矩波動和平均轉(zhuǎn)矩波動較小。但是由于其施加的動態(tài)轉(zhuǎn)矩更大，所以發(fā)電機(jī)電樞電流的有效值會變大。這2 種動態(tài)控制策略都需要重新評估對發(fā)電機(jī)的影響。

3）限于作者水平，本文沒有對轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生的NVH 等問題作進(jìn)一步分析，后續(xù)會對應(yīng)用動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行包括NVH、效率等在內(nèi)的多維度量化分析。