增程式电动汽车驱动系统关键技术研究综述

张兵　赵景波

摘要：传统汽车带来的能源和环境问题严重制约着当今汽车产业的发展。增程式电动汽车作为纯电动汽车的平稳过渡车型，以其效率高，电池容量小，行驶里程长等优点受到了广泛关注。针对增程式电动汽车驱动系统的部件选型、参数匹配及控制策略等关键技术问题进行了详细的分析探讨，并指出了在今后的研究工作中值得关注的几个问题。

关键词：增程式电动汽车；驱动系统；增程器；控制策略

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）02-0031-06 有限的石油储量，基于石油燃料的需求和成本的增加，以及空气污染等问题严重制约着传统汽车的可持续发展。增程式电动汽车（Extend-ed-Range Electric Vehicle，E-REV）作为纯电动汽车的平稳过渡车型，受到了政府和企业的广泛关注，在全球引发研究热潮。

国外关于E-REV的研究起步较早，通用、宝马、奥迪及马自达等企业相继开发了众多车型，如雪佛兰Volt、欧宝Ampera、BMW i3和马自达ExtenderEV等。国内汽车企业也逐渐开展了对E-REV的探索与研究，如长城E-REV、奇瑞瑞麒M1-REEV、江淮爱意为E-REV和广汽传祺GA5 REV等。 E-REV通过搭载一个增程器（Range Extend-er，RE）系统，与动力电池一起作为驱动电机的动力源。由于动力模块的增加，整车的控制难度也随之加大。动力匹配的好坏直接影响着整车性能水平。 本文将对E-REV的驱动系统部件选型、参数匹配与控制策略等关键问题进行分析，并指出在今后的研究工作中值得关注的几个问题。

1 驱动系统简介 E-REV驱动系统结构如图1所示，主要由储能系统（动力电池）、动力驱动系统（驱动电机、减速器、差速器）和增程器系统（发动机、发电机）组成。动力电池作为主动力源给驱动电机提供电能，同时也为发动机的起动提供反拖电流；驱动电机经减速器和差速器驱动车轮，保证正常行驶；增程器给驱动电机提供辅助动力并为动力电池充电，增加车辆的续驶里程。

驱动系统是E-REV的“心脏”，恰当的选择动力部件类型以及合理匹配各部件参数，对保证整车的动力性、经济性、排放性和续驶里程要求具有重要的意义。

2 动力部件选型

2.1 驱动电机选型

驱动电机由电机、功率转换器和控制器组成。其工作环境具有工况变化频繁、冲击及振动较大等特点，因而要求驱动电机尺寸小、重量轻、调速范围广、在宽转速和转矩范围内控制简单，成本低，很少需要维护。目前，应用于电动汽车的驱动电机种类及性能对此如表1所示。 永磁同步电机的转子采用永磁体，无绕组、无铜耗，低负荷工作时铁损小。结合表1，虽然具有起动较慢、功率范围较小、控制系统复杂的缺点，但其效率及比功率高、调速范围宽且精度高、运行平稳、可靠性好等优势仍十分明显，是当前E-REV驱动电机较优的选择。

2.2 动力电池选型

电池技术是制约当前电动汽车发展的瓶颈。目前，应用于电动汽车上的电池主要类型及性能如表2所示。

锂离子电池中的磷酸铁锂电池（LiFePO₄）具有比能量和比功率高、充放电性能优良、使用寿命长以及成本较低等优点，是当前E-REV动力电池较理想的选择。

2.3 增程器选型

2.3.1 增程发动机选择

增程器作为整车辅助动力源，只在动力电池电量不足时才启动工作。目前，应用于电动汽车的发动机主要类型及特性对比如表3所示。表中“-”为基准线；“√”代表好；“×”代表差。 结合表3，柴油发动机虽然能量效率高，但它体积大，笨重，NVH性能不好。两冲程汽油机有扫气损失，燃油利用率不高。转子发动机目前仍处于研发阶段，未能批量生产。相比之下，四冲程发动机具有平台更为通用化、制造成本低、技术更加成熟等明显优势，是当前增程发动机较理想的选择。

2.3.2 发电机选型 增程模式下，发电机将发动机输出的机械能转化为电能，给驱动电机提供能量，驱动车辆行驶。发电机的选型依据与驱动电机相类似，目前增程式电动汽车的发电机多采用永磁同步电机。

3 驱动系统参数匹配

3.1 驱动电机参数匹配

增程式电动汽车以纯电动驱动为主，驱动电机通过主减速器直接驱动汽车行驶，根据电机低速恒转矩、高速恒功率的外特性，需匹配的驱动电机参数有：基速n₀、最高转速n_max、峰值功率P_max、额定功率P_N、峰值扭矩T_max、额定扭矩T_N。

（1）基速n_n和最高转速n_max

驱动电机的最高转速与汽车的最高车速有直接的关系：式中，i_n为传动系速比，取值为6.4 确定了电机的最高转速，根据即可得到电机的基速。式中，β为基速比，一般取值2～4。

（2）峰值功率P_max和额定功率P_N

驱动电机的峰值功率应达到最高车速、加速性能和爬坡要求所需的最大功率：其中，只为最高车速确定的最大功率，v_max为最高车速，η为传动系效率，P₂为加速性能所需的最大功率，δ为旋转质量换算系数，v_f为加速末速度，v_b为电机基速对应的车速，p_a为空气密度；P₃为最大爬坡度确定的最大功率，v_a为爬坡车速，a_max为最大爬坡度。

因此，驱动电机的峰值功率满足P_max≥max[P₁，P₂P₃]，其额定功率一可按下式计算得到：

P_max=P_N·λ， （6）式中，λ为电机过载系数，一般取值2～3。

（3）峰值扭矩T_max和额定扭矩T_N

根据扭矩一功率关系式：将驱动电机的峰值功率和额定功率分别代入上式即可得到驱动电机的峰值扭矩和额定扭矩。

3.2 动力电池参数匹配

动力电池主要参数根据功率要求和能量要求来选择。

（1）功率要求

动力电池最大放电功率应不小于驱动电机的峰值功率，即：式中，P_{bat_max}为电池最大放电功率，kW；P_acc为汽车附件功率，kW。

又有式中，量为电池最大放电率，h^-1；U_m为直流母线电压，V；C_p为由功率确定的电池容量，Ah。 结合式（8）、（9），可得 （2）能量要求 动力电池容量应满足汽车纯电动里程对能量的要求，即：式中，E_B为电池能量，KW·h；v为汽车匀速行驶的车速，km/h；DOD为电池放电深度，%；η_mc为驱动电机效率；η_b为电池放电效率；η_a为汽车附件能量消耗系数；S₁为纯电动行驶里程，km。

又有式中，C_E为电池容量，Ah。 将上式进行转换，可得

3.3 增程器参数匹配

3.3.1 增程发动机参数匹配

增程器是为了在动力电池电量不足的情况下，输出功率以满足汽车的行驶需求。增程发动机的最大输出功率应满足：式中，η_gen为发电机的发电效率。

3.3.2 发电机参数匹配 增程器的输出功率需要保证汽车以一定车速匀速行驶的要求。式中，v为汽车匀速行驶的车速，km/h。

4 控制策略研究

4.1 控制策略方法 控制策略是E-REV研发的重点，驱动系统各部件在满足整车动力性的基础上，机械和电气部件之间的配合影响着整车的燃油经济性。 近年来，关于E-REV控制策略的研究主要有基于规则的逻辑门限值、模糊逻辑、神经网络以及自适应控制策略。对增程模式下增程器控制策略研究主要有以下三种： （1）恒功率控制策略 该控制策略根据电池SOC的门限值决定增程器的开启与关闭。设定SOC上下限值，当电池SOC高于上限值SOC_max时，增程发动机关闭，动力电池提供整车能量需求；当电池SOC低于下限值SOC_min时，增程发动机起动，并工作于最优效率点，驱动发电机运转发电，给驱动电机提供能量，保证车辆继续行驶，多余能量将用于补给动力电池；当电池SOC位于上下限值之间时，增程发动机保持前一时刻的工作状态。此控制策略的优点是发动机易于控制，能保持在低油耗、高效率点恒功率输出，有效避免发动机频繁启停和功率波动。缺点是能量传递链长，效率损失较大，整车能量效率低；电池频繁大电流充、放电，降低电池寿命。 （2）功率跟随控制策略 该控制策略根据电池SOC及整车功率需求确定增程器的开启与关闭。增程发动机实时跟随负载的功率需求，工作在设定的经济区内，而非固定的工作点上；只有当电池SOC大于上限值SOC_max功率需求小于P_{e_low}时，发动机才关闭。此控制策略的优点是发动机以恒定范围的功率输出，减少了动力电池充放电循环且不被过放。缺点是发动机工作在区间内，波动频繁，降低了效率和影响排放。

（3）恒功率+功率跟随控制策略

该控制策略是将前两者相结合的综合控制策略。发动机工作在效率较高的区域，避免了转速过于频繁变化。此控制策略在整车效率、油耗和排放方面得到了一定的优化控制。但其功率跟随控制策略的不足仍得到了体现。

4.2 控制策略优化

在E-REV开发过程中，协调动力电池和增程器的能量供应，控制增程器在满足整车需求的前提下燃油消耗最少，排放最低一直是研发的重点，由于上述控制策略均存在着不足之处，所以需对控制策略进行优化设计。

文献提出了对多工作点控制策略的发动机输出功率值进行多目标优化及对模糊控制策略的隶属度函数进行优化，最终降低了燃油消耗，提高了经济性。文献提出了使发动机工作于效率较高的两、三个工作点的增程器多工作点优化控制策略，既能避免在功率跟随控制策略下效率不高的缺陷，又能防止在恒功率控制策略下，发动机工作点转速较高，整车噪音较大的不足。文献提出了一种鲁棒线性变参数控制方法，实现了对增程器的输出电压的稳定控制，取得了较好的抗负载扰动效果。文献构造了增程器油耗和排放多目标优化模型，分析了转速、转矩约束条件，采用多目标粒子群算法和加权尺度法对多目标优化模型进行了求解，得出了增程器系统的最优全局工作点和各功率条件下的多目标最优曲线。文献提出了一种基于滑模变结构的增程器工作点控制方法，该方法采用两个滑模控制器将增程器控制在其最佳燃油效率区域，其中一个滑模控制器用于调整节气门开度，从而实现对发动机转速的控制；另一个滑模控制器用于调整电机控制器的给定转矩，从而实现对发动机转矩的控制。文献提出了一种基于改进型动态规划算法的优化控制策略，采用发动机的功率一效率模型，通过对发动机和电池输出功率的优化，实现了整车油耗的优化，文献将发动机的效率看作功率的非线性函数，采用非线性规划方法来求解增程器的效率优化控制问题。

5 结语

增程式电动汽车具备纯电动汽车节能、环保、经济和性能优良等全部优点，同时又克服了纯电动汽车电池蓄电能力不足，续驶里程不理想的缺点，将拥有广阔的市场前景。

增程式电动汽车的经济性能和整车效率的提高，依赖于对驱动系统部件的更深入研究。在今后的研究工作中应特别关注以下几个问题：

（1）能源转换效率进一步提升。在增程式工作模式下，E-REV能源转换效率尚不能达到机械耦合混合动力车型的水平，仍存在较大的提升空间。

（2）控制策略进一步完善。目前针对E-REV控制策略研究仍不够成熟，后续可以针对控制策略进行更深入的探索，对比不同优化方法的优劣，综合考虑得出最佳选择。

（3）在增程式电动汽车的实际开发中，整车及控制策略的建模仿真终究偏理论，缺乏说服力。后续研究中应一方面搭建硬件在环仿真平台，另一方面进行实车测试，充分验证系统部件的选型、参数的匹配以及设计的控制策略的正确性和可行性。

责任编辑 祁秀春