电动汽车增程器动态转矩控制研究

张金龙 Anthony David Wearing 陈渊博 王 帆 雍玉芳

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

增程式电动汽车（Range Extended Electric Vehicle；REEV）是电动汽车的一种，其显著区别于纯电动汽车（Battery Electric Vehicle；BEV）的特征是其具有车载辅助装置为动力系统提供电能以达到增加续航里程的目的。车载辅助装置一般由发动机和发电机组成，二者通过机械结构连接。由于增程器系统中发动机的存在，故其又具有与传统燃油车一样的转矩波动问题，若得不到有效解决会降低动力总成生命周期、影响驾驶员的舒适性、增加NVH 问题等。故研究减小增程器的转矩波动对增程式电动汽车的普及具有重要意义。

国内对于转矩波动控制的研究较少。湖南大学王耀南等对增程式电动汽车动力系统的部件选型、系统配置、控制优化等关键技术进行了研究，并指出了未来增程器研究值得关注的问题[1]。同济大学张立军等建立了某商用车增程器的扭转振动仿真模型，分析得出了扭振产生的原因[2]。国外对转矩波动控制的研究主要集中在混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle；HEV）。法国普瓦提埃大学的Cauet，S，Njeh，M 等人以速度为参数设计了LPV（linear parameter varying）控制策略，通过电机补偿发动机的转矩波动，之后通过仿真和实验证明了应用该控制策略降低转矩波动和速度波动的有效性[3-5]。然而上述降低转矩波动的方法需要使用辅助设备如电机、起动机等对发动机进行补偿，消耗额外的能量，因此会降低系统的效率，同时还需要增加传感器等额外部件，增加了成本[6]，并且HEV 和REEV 的动力架构大为不同，后者转矩不会传递到车轮，所以需要不同的控制策略。

因此本文基于某增程器，研究适用于增程式电动汽车的转矩波动控制。对增程器进行了定义，分析了增程器产生转矩波动的原因，基于发动机的输出特性，运用不同的动态转矩控制策略降低增程器转矩波动并对比不同的控制策略转矩波动降低的效果。

1 增程器的定义

本文中增程器系统的架构如图1 所示。发动机为是增程器的能量来源。电机/发电机为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor；PMSM），具有起动机（integrated startor generator；ISG）和发电机2 种功能。作为起动机使用时，倒拖发动机至发动机启动。作为发电机使用时，将发动机输入的机械能转换为电能，输出三相交流电；发电机控制器即逆变器（INVERTER）将三相交流电整流成直流电为电池充电。

图1 增程器系统架构图

增程式电动汽车本质上依然是一款电动车，其主要对标对象为纯电动汽车，因此增程器的开发要满足以下主要指标。

1）成本低

制约纯电动汽车发展的主要因素之一是当前电池成本过高，故增程器要有明显的成本优势。增程器的成本主要由发动机、电机和控制器组成，其中发动机的成本最高，一般占到一半以上，而电机和控制器发展较为成熟，成本下降空间有限，因此降低增程器成本的关键在于降低发动机的成本。

2）体积小

乘用车常用的高缸数、大排量发动机占用体积过大，加入电机、控制器等难以布置在有限的空间内，故增程器的体积要小。对于发电机可以选用轴向磁通电机、对于发动机可以采用低缸数、小排量的发动机以达到减小体积，提高功率密度的目的。如2014 款宝马i3 的增程器采用0.65 L 直列两缸汽油发动机[7]。

3）效率高

增程器系统效率的计算公式如下：

式中：ηre为增程器的效率；ηe为发动机的效率；ηg为发电机的效率；ηi为控制器的效率；ηo为其他效率之积。

其中控制器的效率ηi很高，通常可以达95%以上。

发动机的效率ηe具有很大的提升空间。主要原因是传统燃油车发动机需要在较大的转速范围内运行，而增程器发动机不参与直接驱动车辆，可以一直运行在高效区，因此可以聚焦特定的运行区域，开发高效的增程专用发动机。

与发动机类似，发电机的效率ηg与其运行区域有关，因此也可以通过优化特定运行区域来提升整体效率。

4）NVH 性能好

增程式电动汽车相对于纯电动汽车NVH 的劣势主要来自于发动机。除了降低增程器本身的NVH问题之外也可以考虑利用其他方式降低乘客对NVH 的感受，如利用路面噪声、空气噪声对发动机噪声的掩蔽效应降低高速行驶时的整车噪声[8]。

2 增程器的转矩波动及其影响

内燃机属于间隔性工作的热机，在一个工作循环中每个气缸各发火一次，各缸爆发时对曲轴做功，在周期性的转矩激励下，曲轴输出端会产生周期性转矩波动。本文中增程器采用的发动机在某工况下的曲轴转角-转矩曲线如图2 所示。

图2 某工况下发动机的曲轴转角-转矩曲线

由于内燃机的输出转矩和负载转矩不能时时平衡，因而产生转矩波动。这种波动会使得曲轴的转速出现上升或下降，这种加速和减速的变化，被称为曲轴回转不均匀度（Speed Irregularity）。回转不均匀度计算公式为

式中：σ 为回转不均匀度；ωmax为最大转速；ωmin为最小转速；ωmean为平均转速。

曲轴回转速度的不均匀性，会使曲轴产生振动，对负载零件产生冲击，为了改善内燃机运行状况，一般会在曲轴功率输出端加装飞轮。为了研究问题的方便，发动机转速计算公式简化如下：

式中：Te为发动机转矩；Tload为负载转矩；J0为内燃机所有运动构件换算到曲轴上的转动惯量；α 为角加速度。

式中：ω 为发动机转速；ω0为初始转速；t 为时间。

由公式（2）、（3）、（4）可知，加装飞轮可以提高J0从而有助于改善内燃机的曲轴回转不均匀度，当飞轮惯量足够大时，理论上曲轴可以做到匀速转动。

式中：JF为飞轮转动惯量；ρ 为材料密度；b 为轮缘厚度；r1为轮缘内径；r2为轮缘外径。

由公式（5）可知，飞轮的转动惯量受尺寸（轮缘外径、轮缘厚度）和材料（材料密度）的影响。在理想状态下，本增程器有3 种飞轮布置方案，转动惯量分别为0.05 kg/m2、0.06 kg/m2和0.13 kg/m2。如图3 所示为发动机在某工况下，分别采用3 种规格飞轮的回转不均匀度的仿真结果。

图3 回转不均匀度仿真结果

由图3 可知，随着飞轮转动惯量的增加，发动机回转不均匀度相应地有所降低。但在本增程器的开发过程中，受限于增程器整体重量和体积要求，飞轮惯量受限，因此需从其他方面设计直接改善转矩波动。

3 动态转矩控制降低转矩波动

根据前文中对增程器的定义，本文中增程器发电机选用永磁同步电机PMSM，发动机的转矩波动如图4 所示。

增程器的发电机通常采用恒转矩控制策略，即控制发电机转矩等于发动机输出的平均转矩。

式中：Te_mean为发动机平均转矩；Tg_mean为发电机平均转矩。

由图4 可知，发动机曲轴所受到的和转矩始终是波动的，定义转矩波动如下：

式中：Tr为转矩波动；Te为发动机转矩。

为了直观地评价发动机曲轴上的转矩波动大小，定义平均转矩波动Tr_mean：

式中：Tr_mean为平均转矩波动；Tc为循环波动周期。

根据公式（7）、（8），可得出发电机在恒转矩控制下的转矩波动和平均转矩波动如图4 所示。

从图5 中可知，增程器的转矩波动是很大的。平均转矩波动为87.05 N·m。为了降低转矩波动，从而降低对增程器的影响，根据公式（7），可以考虑在转矩波动较大区域采用动态转矩控制。

图4 增程器恒转矩控制策略

图5 恒转矩控制转矩波动和平均转矩波动

值得注意的是，动态转矩控制时发电机不能对发动机的负转矩进行补偿，否则发电机会消耗电能做功，影响系统效率。因此设计控制策略的原则为在不降低增程器系统效率和输出功率的前提下，降低转矩波动。据此，同时综合考虑发电机控制器的能力，本文提供了以下2 种动态控制策略：

1）正转矩区控制法

即在发动机负转矩区不施加负载，只对正转矩区施加负载，动态转矩控制如图6 所示，转矩波动和平均转矩波动如图7 所示。计算得出平均转矩波动为71.48 N·m。

图6 正转矩区控制法

图7 正转矩区控制法转矩波动

2）抵消负转矩区法

注意到发动机负转矩区域较小，考虑选取负转矩区域前一段正转矩区域对其进行抵消。动态转矩控制如图8 所示，转矩波动和平均转矩波动如图9所示。计算得出平均转矩波动为61.90 N·m。

图8 抵消负转矩区法控制策略

图9 抵消负转矩区法转矩波动

4 结论

为了降低增程器的转矩波动，根据发动机的转矩输出特点，设计了不同的动态转矩控制策略，经过计算对比得出如下结论：

1）通过对比图5、7、9 可知，应用的动态转矩控制相对于恒转矩控制具有降低总体转矩波动和平均转矩波动的作用，其中平均转矩波动分别降低了17.89%和28.89%。

2）通过对比图7 和图9 可知，应用不同的动态转矩控制策略具有不同的效果。策略二相对于策略一转矩波动和平均转矩波动较小。但是由于其施加的动态转矩更大，所以发电机电枢电流的有效值会变大。这2 种动态控制策略都需要重新评估对发电机的影响。

3）限于作者水平，本文没有对转矩波动产生的NVH 等问题作进一步分析，后续会对应用动态转矩控制进行包括NVH、效率等在内的多维度量化分析。