增程式電動汽車發動機多工作點控制策略

王笑樂， 干 頻， 陳凌珊 ， 程 偉， 孫逸神

(1.上海工程技術大學 汽車工程學院，上海201620 ;2.上海汽車集團股份有限公司，上海201804)

增程式電動汽車(Extended-Range Electric Vehicle，E-REV)動力系統配備了大功率電池且發動機與驅動輪間無機械連接［1］，發動機工作狀態不受負載需求功率直接影響，發動機控制策略具有多樣性。目前E-REV 發動機常用的控制策略有恒溫器控制、功率跟隨控制以及引申得到的恒溫器+ 功率跟隨控制［2］，三者均存在一定缺陷。恒溫器控制下電池經常大電流充放電，對電池壽命不利;功率跟隨控制下發動機波動頻繁，對發動機的效率、排放及NVH 性能造成影響;恒溫器+功率跟隨控制在一定程度上彌補了各自單獨控制的缺陷，但其主體思想仍基于功率跟隨控制，因此功率跟隨策略的不足在這種模式下依然存在。

多工作點控制策略的思想是使發動機工作于多個效率較高的優秀工作點，既能避免功率跟隨模式下效率不高的缺陷，又能防止恒溫器控制模式下當電池電量(State of Charge，SOC)較低時，整車需求功率過大導致發動機轉速突然升高而引發增程器振動噪聲較大的不足［3-4］。控制策略中工作點的選擇結合車輛行駛的最大需求功率、增程器效率及油耗、發動機轉速等約束條件，各工作點間切換邏輯基于車速、動力電池SOC、整車控制器需求功率而設計。多工作點控制比恒溫器控制更能滿足顧客接受度，由于合理利用了車輛行駛時的路面噪聲和空氣噪聲對發動機噪聲的掩蔽效應，發動機噪音級別隨著車速提高，從而改善了整車NVH 性能［5］。

1 概 述

1.1 E-REV 動力系統工作模式

E-REV 動力系統具有兩個動力源:增程器(發動機發電機組)和動力電池組，使其具備混合動力和純電動車的綜合特征［6］(見圖1)。電量充足時無需增程器額外提供功率僅依靠動力電池驅動電機行駛，具有純電動車零污染、低噪音的優點;隨著行駛里程的增加，當電池電量低至某一門限值，開啟增程器發電驅動車輛，延長續駛里程［7-8］。

具體而言，E-REV 的運行模式有純電動行駛模式、并行驅動模式、行車發電模式和制動能量回收模式，如圖2 所示［9］。

發動機主要在串聯驅動模式和行車充電模式下參與工作，串聯驅動經常出現在中低速加速或高速行駛時，行車充電則主要出現在中低速平穩行駛且電池SOC 值較低時［10］。

圖1 增程式電動汽車動力系統結構Fig.1 Structure of the extended-range electric vehicle’s power system

圖2 E-REV 運行模式Fig.2 Operational mode of the extended-range electric vehicle

1.2 傳統E-REV 發動機控制策略

傳統E-REV 發動機控制策略如圖3 所示。恒溫器控制原理:電池SOC 位于SOCmin和SOCmax之間時，發動機保持前一時刻的工作狀態;SOC ＞SOCmax時，發動機關閉以純電動行駛，動力電池滿足整車所有功率需求;SOC ＜SOCmin時，發動機起動并工作于效率最高點，能量多余的部分給動力電池充電。這種控制策略下發動機在高效率點恒功率輸出，能有效地避免發動機頻繁起停和功率波動，但動力電池經常大電流充放電，對電池壽命極為不利［11］。

圖3 傳統E-REV 發動機控制策略Fig.3 Control strategy of the traditional extended-range electric vehicle’s engine

功率跟隨控制原理:該策略根據整車的功率需求和電池SOC 的狀態確定發動機的工作狀態。只有當電池SOC ＞SOCmax且功率需求小于Pe_low時發動機才關閉，其他情況下發動機實時跟隨負載需求功率。這種控制策略下電池能保持最佳的性能狀態，但發動機波動頻繁，對發動機的效率和油耗及NVH性能不利。

恒溫器+ 功率跟隨控制發動機工作狀態與恒溫器控制相似，不同的是發動機起動后在高效率工作段工作，并可在高效區域任意兩工作點上自由切換，功率不足部分由動力電池提供。這種控制策略下雖然發動機不工作于最優工作點，但一直在效率較高的區域內工作，相對避免了轉速過于頻繁的變化，一定程度上彌補了各自單獨控制的不足，整車效率、油耗和排放得到了優化。但功率跟隨模式下發動機的不足并沒有被完全消除。

圖4 框中發動機工作點是依據恒溫器+功率跟隨控制策略選擇的，可以看出該策略下發動機轉速范圍從1 300 r/min 至4 500 r/min，車輛正常行駛時由于沒有嚴格的轉速限值，發動機波動頻繁;當需求功率過大且電池SOC 不足時也會引起發動機轉速陡升，雖不會造成動力電池大電流充放電，但是對發動機效率、排放以及NVH 性能都極為不利。

2 多工作點控制策略設計

2.1 設計思路

結合E-REV 樣車及增程器臺架試驗時出現的發動機起停頻繁、高速行駛噪聲明顯以及電池經常大電流充放電等現象［7］，設計發動機控制策略時著重考慮以下幾個方面:

1)優化工作點:結合車輛行駛的最大需求功率、增程器效率及油耗、發動機轉速，確定增程器的最佳工作點或最佳工作區間;基于車速、動力電池SOC 和整車控制器需求功率確定各工作點切換時刻。

圖4 發動機萬有特性曲線Fig.4 Engine’s universal characteristics curve

2)動態波動最小化:減少發動機的起停次數，合理控制發動機轉速，能量允許范圍內盡可能延長純電動行駛時間，使發動機的動態波動最小。

3)合理利用噪聲掩蔽效應:參考車輛行駛時的路面噪聲、空氣噪聲及發動機噪聲水平，確定工作點切換的車速和發動機轉速限值，利用這兩種噪聲的掩蔽效應降低高速行駛時的整車噪聲，低速時掩蔽效果不理想則將發動機轉速控制在合理范圍內，不可過高。

4)限制最低轉速:發動機低轉速運行時普遍燃油效率非常低，因此當轉速低于某一限值且電池電量能夠滿足車輛行駛需求時，可關閉發動機。

5)充電電流及速率控制:穩定增程器輸出功率，從而控制動力電池充電電流及速率，提高電池效率及安全性，延長使用壽命。

2.2 工作點選擇

2.2.1 選擇依據浙江大學張彥廷以電池SOC現值作為切換依據提出了發動機雙工作點控制策略［8］，SOC 達到設定的上限值時發動機切換到高效區內功率較低的工作點;SOC 下降到設定的下限值時發動機切換到高效區內功率較高的工作點。雙工作點控制與恒溫器控制對發動機的控制方法基本相同，只是變為根據電池狀況切換發動機的工作點。存在的問題是:若電池SOC 的范圍選擇較小，發動機需不斷地在兩工作點間切換，對系統穩定工作不利;若電池SOC 的范圍選擇較大，電池壽命和效率將受到影響。針對這個問題，結合所研究的整車及發動機性能參數、發動機萬有特性曲線及車輛動力性能指標，文中提出發動機三工作點控制策略。

不同發動機具有不同的萬有特性曲線，并且它們的高效區形狀差異很大，一般情況下發動機工作點有以下3 種選取情況［9］:

1)發動機萬有特性曲線上高效區的長軸為豎直方向時，可以選取圖5 中a1和b1兩點以及它們連線上的某個點作為發動機的工作點，從而使發動機盡可能工作于最高效率區，其中na1= nb1，Ta＜Tb。由于3 個工作點的轉速相同，所以控制方法可以選擇定轉速控制，只需設定3 個工作點的目標轉矩即可。這種控制方式簡單，并能減少許多控制量。

2)當發動機萬有特性曲線上高效區的長軸為水平方向時，為了使發動機的工作點盡可能 處于最高效率區，可以選取圖5 中a2和b2兩點以及它們連線上的某個點作為發動機的工作點，其中na1＜nb1，Ta= Tb。由于3 個工作點的轉矩相同，所以發動機工作點的控制方法可以選擇定轉矩控制，只需設定目標轉速即可。

3)為使發動機在高效區工作的可能性更高，可選取圖5 中a3和b3兩點以及它們連線上的某個點作為發動機的工作點。三工作點的位置根據高效區形狀的不同而選擇，一般情況下它們的連線與兩條等功率線盡可能成垂直關系，其中na3≠nb3，并且Ta3≠Tb3。由于3 個工作點的轉速和轉矩不同，因此工作點控制方式和控制量相較前兩種復雜。

2.2.2 工作點參數確定 所開發的E-REV 整車技術方案可參考圖1。發動機萬有特性曲線如圖5 所示，整車基本性能參數如表1 所示，發動機性能指標如表2 所示，動力性能指標如表3 所示。

圖5 發動機工作點的選取Fig.5 Selection of the engine’s operating point

表1 整車性能參數Tab.1 Vehicle performance parameters

表2 發動機參數Tab.2 Engine parameters

表3 動力性能指標Tab.3 Power performance parameters

由整車控制器需求功率確定發動機工作點輸出功率，結合發動機萬有特性曲線及發動機轉速、轉矩與輸出功率的關系確定發動機工作點:

1)工作點輸出功率確定:驅動電機峰值功率的選擇要滿足最高車速、最大爬坡度和加速性能的要求。根據最高車速選擇電機的峰值功率［12-13］。最高車速下的驅動電機峰值功率:

加速所需驅動電機電機峰值功率:

最大爬坡度所需驅動電機峰值功率:

其中:f 為滾動阻力系數;m 為半載質量，取1 580 kg;ηT為傳動系效率，取0.92;ηm為驅動電機效率，取0.87;CD為空氣阻力系數;A 為迎風面積，m2;vmax為最高車速，km/h;v 為實時車速，km/h;vm為加速末速，km/h;tm為加速末時間，s;x 為擬合系數，取0.5;δ 為質量轉換系數，取1.2;dt為設計迭代步長，取0.1 s;vc為爬坡車速，km/h;α 為最大坡度角，α =arctan(i)。

驅動電機峰值功率取53 kW，驅動電機可短時間過載運行，由下式可求得其額定功率:

式中λ 為驅動電機載倍數，通常取值1.6 ～2，求得驅動電機額定功率為26.4 ～33 kW，取28 kW。

增程器效率ηre= 0.86，由式(7)可得:滿足車輛行駛要求的發動機最大功率為32.5 kW，考慮到行車充電模式下部分能量用于動力電池充電，發動機峰值功率設為35 kW，同樣以此方式確定串聯驅動模式及行車充電模式下的兩個發動機工作點輸出功率分別為10 kW，20 kW。

2)工作點轉速、轉矩確定:發動機功率與轉速、轉矩關系:

其中:Pe為發動機功率，kW;ne為發動機轉速，r/min;Te為發動機轉矩，N·m。

發動機轉速與其振動噪聲存在一定的非線性正相關［4，14］，轉速越高發動機振動噪聲越劇烈，而轉速過低時發動機效率又會受到影響［15］。因此確定發動機各工作點轉速的思想是:高需求功率工作點在保證功率輸出的前提下，結合發動機等值油耗線，在轉矩輸出正常值范圍內盡可能降低發動機轉速;低需求功率工作點，在滿足功率輸出的情況下為了保證效率，發動機轉速不能過低，同時考慮燃油經濟性因素。由發動機萬有特性圖可得發動機正常工作時扭矩輸出最大值可達95 ～100 N·m，參考等值油耗線，確定三工作點轉速、轉矩值如表4 所示。圖6為所選工作點在萬有特性曲線圖中的位置。

表4 發動機三工作點參數Tab.4 Parameters of the engine’s three operation points

圖6 發動機三工作點選擇Fig.6 Selection of the engine’s three operation points

2.3 控制策略規則

根據動力電池組性能參數、整車需求功率和增程器充電效果等先決條件，以電池充電放電深度均不宜過深及最低SOC 值必須保證為車輛加速提供足夠的功率原則［16］，結合廠家對電池耐久性及系統動力性實測數據多目標優化分析結果，確定關閉和起動增程器的SOC 上下限值分別為SOC_high =0.65 和SOC_low = 0.25，如圖7 所示。

圖7 發動機控制策略Fig.7 Engine’s control strategy

根據整車需求功率、發動機油耗和效率以及NVH 性能確定發動機三工作點，工作點間切換邏輯依據動力電池當前SOC 值以及車速當前值與切換限值設計，既能盡可能延長純電動行駛里程、保證電池不過放，又能利用掩蔽效應降低整車噪聲水平，提高舒適性。三工作點控制策略規則如下:

1)根據整車功率需求、發動機油耗和效率在萬有特性曲線中尋找低、中、高負荷的3 個工作點，輸出功率分別為PL，PM，PH，這3 個點均為相應功率下的燃油經濟性、效率和NVH 性能綜合最優點。

2)設定車速切換上下限值為VH，VL，二者的值分別為80 km/h 和50 km/h。

3)純電動行駛模式下，動力電池提供車輛行駛所有的功率需求。

4)串聯驅動模式及行車充電模式下，采用增程器為主、動力電池為輔的控制模式。第1 種情況當電池能輸出的功率足夠且SOC 值大于設定的下限值時，車速大于VH時發動機工作于高負荷的C 點;車速介于VL～VH時發動機工作在中負荷的B 點;車速小于VL時，發動機工作于低負荷的A 點。第2 種情況當電池能輸出的功率不足且SOC 值小于設定的下限時，判斷車速是否大于VH，當滿足條件時工作在C 點，否則工作在B 點。

第1，2 步中設定的多工作點工作模式以及車速切換限值，降低了某些車速波動較大工況下發動機工作點的切換頻率;第3 步保證了純電動行駛模式下的純動力電池工作狀態;通過第4 步的工作點切換策略，在優化發動機燃油經濟性的基礎上也使得動力電池SOC 穩定在一定的區間內，有利于提高動力電池的效率和使用壽命。

3 控制策略仿真分析

基于Matlab/Simulink 軟件完成多工作點控制策略的模型搭建，AVL-Cruise 軟件搭建整車仿真模型，二者聯合完成離線仿真驗證。在Cruise 軟件中依次選擇整車模塊、發動機模塊、電池模塊、電機模塊以及Matlab 接口的Matlab DLL 模塊等，從界面中輸入配置參數，建立機械連接，完成的整車模型如圖8所示。圖中方框內表示的是Cruise 中的數據連接，相當于整車的CAN 通信，模型中Matlab DLL 模塊與整車模塊的數據連接模擬控制器與整車的直接通信，是建模仿真的關鍵。Simulink 中發動機開關模型如圖9 所示，發動機工作狀態控制模型如圖10 所示。

圖8 E-REV 整車模型Fig.8 Full vehicle model of the extended-range electric vehicle

分別以NEDC、FTP72 工況為例對控制策略模型進行仿真試驗分析，工況速度、加速度、減速度以及行駛距離的時間歷程曲線如圖9 所示;驅動電機跟隨駕駛員需求輸出的功率、轉速及轉矩曲線如圖10 所示。可以看出，仿真試驗中實際車速完全符合工況車速的要求，控制模型可以很好地將駕駛員意圖轉化為車輛控制信號。

圖10 驅動電機功率、轉速、轉矩曲線Fig.10 Curves of the drive motor’s power，rotate speed and torque

圖11 是兩種工況下發動機功率、轉速及轉矩曲線，可以看出發動機能很好地控制在目標工作點上運行，輸出功率能夠達到計算的需求功率，系統對變換工作點的控制指令響應速度快，動態波動小;轉速基本恒定地維持在3 個目標轉速，峰值轉速維持在3 530 轉以下，發動機噪聲基本能夠被高速行駛時的路面噪聲和空氣噪聲所遮蔽。圖12 是兩種工況下動力電池SOC 的變化曲線。試驗過程中電池SOC 值始終在0.65 至0.25 之間變化，并且上升階段斜率基本固定，證明發動機恒定功率輸出方式穩定了電池充電速率，達到控制策略的預期效果。表5列出NEDC、FTP72 兩種工況下油耗及排放的仿真結果，結果顯示車輛經濟性、排放性能夠滿足設計指標及國家相關指標要求，證明多工作點控制策略的可行性和正確性。

圖11 發動機功率、轉速、轉矩曲線Fig.11 Curves of the engine’s power，rotate speed and torque

圖12 動力電池SOC 變化曲線Fig.12 Curves of the power battery’s state of charge

表5 發動機油耗及排放仿真試驗結果Tab.5 Results of the engine’s fuel-consumption and exhaust performance simulation test

4 結 語

在分析E-REV 發動機傳統控制策略的基礎上，結合增程器臺架及E-REV 整車試驗出現的問題，提出發動機多工作點控制思想。針對E-REV 增程器設計具體實例，采用發動機三工作點控制策略，運用Matlab/Simulink 軟件完成控制策略模型搭建，AVL-Cruise 軟件完成整車及工況模型搭建并聯合完成離線仿真試驗，驗證了控制策略的可行性和正確性。試驗中發動機能很好地控制在目標工作點上運行，對變換工作點的控制指令響應速度快，動態波動小;轉速基本恒定地維持在3 個目標轉速，峰值轉速保持在3 530 r/min 以下，發動機噪聲基本被高速行駛時的路面噪聲和空氣噪聲遮蔽;兩種工況試驗過程中電池SOC 值始終在0.65 至0.25 之間變化，并且SOC 上升階段斜率基本固定，充電速率穩定，達到了控制策略的預期效果。

文中提出的發動機多工作點控制策略，在以下幾方面可以繼續深入研究:

1)工作點的選擇可基于發動機輸出功率、效率、油耗、排放性、車速等多個約束條件，利用現代智能優化算法進行多目標優化，精確選定工作點。

2)策略中工作點間的切換指令是瞬態階躍信號，會引起發動機轉速、轉矩的突變，未來可對工作點切換過程進行詳細研究，采取其他線性或非線性控制信號調節轉速變化過程。

3)建立路面噪聲、空氣噪聲與車速的準確對應關系，精確控制發動機峰值轉速，最大限度利用這兩種噪聲的掩蔽效果降低高速行駛時的整車噪聲。

4)繼續進行增程器臺架試驗及整車道路試驗，驗證控制策略的實際效果，有條件的實驗室還可利用消聲室或半消聲室進行整車NVH 試驗，評價控制策略對車輛噪聲的影響。

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