摘 要：從增程式電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)入手，分析了駕駛性能對(duì)整車(chē)質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)功率的依賴關(guān)系，對(duì)幾種控制邏輯進(jìn)行了討論。在分析各種控制邏輯的基礎(chǔ)上，提出基于電池壽命和最低使用成本的控制方法。與現(xiàn)有的其它控制方法相比，這兩種方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)。它們是根據(jù)車(chē)輛的一些特定的要求提出的，如電池壽命的保修期以及車(chē)輛的使用成本等，具有目的性明確、實(shí)際操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。而且基于最低使用成本的控制方法還具有多模式、對(duì)工況變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)地分析了各種參數(shù)對(duì)基于最低使用成本的控制方法的影響，可用于增程式電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞：車(chē)輛論文發(fā)表,增程式電動(dòng)車(chē),控制邏輯,電池壽命,最低使用成本

　　Abstract：This investigation discussed the design aspect of extended-range electric vehicles (EREV)， analyzed the dependence of their drivability on the power of propulsion system as well as the vehicle mass. Then several control algorithms for such vehicles were compared. Two new control algorithms were proposed based on the understanding of the characteristics of such propulsion systems， and the pros and cons of currently existing control methods. One algorithm determines the upper and lower limits of battery state of charge (SOC) for the use of electricity generator considering battery life. This approach links the use of power batteries to a vehicle’s warranty. Another is the maximum depletion of power batteries before they are re-charged using the power grid， to achieve the minimum cost for the consumer. This control algorithm provides the driver with the option of choosing the appropriate driving mode at the beginning， as well as sufficient flexibility of changing the driving mode during driving. At the end the influence of various system parameters and driving conditions， using the maximum depletion control algorithm， was analyzed， which can be helpful for the design and optimization of extended-range electric vehicles.

　　Key words：extended-range electric vehicle; control algorithm; battery life; maximum depletion

　　能源的緊缺和環(huán)境的日益惡化使清潔能源動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越緊迫，現(xiàn)有的節(jié)能及新能源汽車(chē)中，純電動(dòng)汽車(chē)在節(jié)能及環(huán)保方面都具有很大的優(yōu)越性，它具備使用過(guò)程中零排放、高效率，以及能量來(lái)源多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有很多不足之處，其中最重要的是動(dòng)力電池能量密度低導(dǎo)致的續(xù)駛里程短的問(wèn)題。這直接影響了消費(fèi)者的接受程度，導(dǎo)致了電動(dòng)汽車(chē)作為乘用車(chē)的市場(chǎng)覆蓋面相對(duì)狹窄，于是目前廣泛采用增程式動(dòng)力系統(tǒng)作為從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)向純電動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡。作為一種串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，增程式電動(dòng)汽車(chē)除驅(qū)動(dòng)電池和電機(jī)外，還有一套發(fā)電裝置即增程器，在驅(qū)動(dòng)電池電量不足時(shí)發(fā)電來(lái)滿足驅(qū)動(dòng)需求。由于能量的多次轉(zhuǎn)換必然帶來(lái)一定的能量損失，行駛過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間使用增程器將影響車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性。因此增程式電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵在于系統(tǒng)的控制，包括增程器的使用，以及與動(dòng)力電池的協(xié)調(diào)等。

　　在增程式電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)過(guò)程中，人們提出了多種系統(tǒng)控制邏輯。為了減少使用增程器為動(dòng)力電池充電，再用電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)這一過(guò)程中的能量損失，可按功率需求來(lái)發(fā)電。比如奇瑞汽車(chē)公司的發(fā)明專利[1-2]就是按照發(fā)電需求將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至目標(biāo)發(fā)電轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至目標(biāo)發(fā)電轉(zhuǎn)速點(diǎn)并且穩(wěn)定后，給發(fā)電機(jī)加載。當(dāng)發(fā)電需求改變時(shí)，改變目標(biāo)發(fā)電轉(zhuǎn)速，以尋找新的平衡點(diǎn)。此外，還可先確定電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)的上、下限值，然后按動(dòng)力需求決定增程器的使用。比如北汽新能源汽車(chē)公司的一項(xiàng)發(fā)明就是先確定電池SOC的上、下限值，再根據(jù)駕駛員的擋位信號(hào)和踏板信號(hào)決定增程器的工作模式[3]。這種做法類似于奇瑞汽車(chē)公司的一個(gè)專利：在確定電池SOC上、下限值的基礎(chǔ)上，根據(jù)駕駛需求，如油門(mén)踏板的行程來(lái)決定增程器的使用[4]。而需求功率的多變性又增加了精確地按需求功率來(lái)發(fā)電的技術(shù)難度，解決該問(wèn)題的方法是使發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率保持恒定，即 “定點(diǎn)能量管理策略”[5-7]，根據(jù)需要啟動(dòng)增程器。比如周蘇等人按行駛里程將行駛模式分為短途和長(zhǎng)途兩種 ，短途行駛時(shí)只由蓄電池供電，長(zhǎng)途行駛時(shí)，在蓄電池的SOC達(dá)到其下限值時(shí)增程器以恒定功率發(fā)電。 　　本文以Microsoft ExcelTM[9]為基礎(chǔ)編寫(xiě)了一個(gè)仿真程序，用來(lái)計(jì)算各種工況下不同控制邏輯對(duì)車(chē)輛行駛特征的影響，以及油耗、電耗和總的使用成本對(duì)各種參數(shù)的依賴關(guān)系。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　作為車(chē)輛最重要的基本參數(shù)，滿載質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能起著決定性的作用。它們之間的關(guān)系受車(chē)輛的動(dòng)力匹配原理制約，而這些原理對(duì)各種車(chē)輛，包括傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)，以及混合動(dòng)力汽車(chē)都是通用的。計(jì)算公式可以方便地從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中找到，比如余志生主編的《汽車(chē)?yán)碚摗? [10]，周蘇等人關(guān)于增程式電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的論文[8]，以及查鴻山等人關(guān)于純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配的計(jì)算[11]中都可以找到相關(guān)的計(jì)算公式。利用這些公式可以計(jì)算出為了滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能的要求[12]，以及與整車(chē)質(zhì)量相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)功率值。利用表1中除滿載質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率以外的參數(shù)和這些指標(biāo)的解析解，這些要求可以方便地用圖1顯示出來(lái)。由圖1可以看出，以60 km/h的速度通過(guò)4%的坡度及以30 km/h的速度通過(guò)12%的坡度的要求是最容易得到滿足的，而不低于20%的最大爬坡度對(duì)滿載質(zhì)量和電機(jī)功率的要求最高。對(duì)于加速性能，在15 s內(nèi)從50 km/h加速到80 km/h 比較容易做到，而低速加速(從0到50 km/h)則比較困難。圖1的陰影部分是所有的要求皆能滿足的區(qū)域。由此可知，所需電機(jī)功率隨滿載質(zhì)量快速上升。因此，汽車(chē)輕量化是所有汽車(chē)，包括傳統(tǒng)車(chē)輛和新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的一個(gè)重要因素。

　　圖1中的實(shí)心圓點(diǎn)是選取的一個(gè)參考系統(tǒng)，用于系統(tǒng)的計(jì)算和模擬。由圖1可知，對(duì)1 400 kg的滿載質(zhì)量來(lái)說(shuō)，30 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法滿足最大爬坡度和低速加速的要求。但考慮到電機(jī)的峰值功率通常遠(yuǎn)高于其額定功率，如果過(guò)載系數(shù)取為2.0，則額定功率為30 kW的電機(jī)足以滿足所有要求。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文的計(jì)算中沒(méi)有考慮除驅(qū)動(dòng)以外的其它電器，如電子設(shè)備、空調(diào)、轉(zhuǎn)向助力、冷卻系統(tǒng)等。

　　2 系統(tǒng)能耗計(jì)算

　　在增程式電動(dòng)汽車(chē)的使用中，驅(qū)動(dòng)能量可以來(lái)自蓄電池，也可以由增程器發(fā)電提供。其中蓄電池組的能量主要來(lái)自駐車(chē)充電，加上制動(dòng)能回收產(chǎn)生的電能。制動(dòng)能的回收量主要由回收效率和駕駛工況決定。如果能有效地回收，制動(dòng)能發(fā)電可以提供相當(dāng)大比例的能量用于驅(qū)動(dòng)。因此，提高制動(dòng)能回收效率應(yīng)作為電動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化的一個(gè)重要目標(biāo)。

　　電池組的選擇和使用除了考慮充、放電特性、容量等以外，一個(gè)重要的考慮因素是充-放電幅度，因?yàn)樗�直接決定了電池壽命。圖2 是4種常用電池的使用壽命(循環(huán)次數(shù))與充-放電幅度之間的關(guān)系。電池壽命試驗(yàn)通常是在特定的條件下對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)的充放電，直至電池容量小于其額定容量的80%為止。可以看出對(duì)于相同充-放電幅度，鎳氫電池的壽命最長(zhǎng)，鋰離子電池稍差，而鉛酸電池壽命最短。能量密度也存在類似關(guān)系。圖2所示的依賴關(guān)系還應(yīng)該與充-放電擺幅的中間值有關(guān)，但這方面的研究較少。對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，為提高續(xù)駛里程必須允許電池組最大程度地放電。因此，電池組的壽命比較短，且其平均壽命是可以預(yù)測(cè)的。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)中常用的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，80%的充-放電幅度對(duì)應(yīng)約2 000個(gè)使用周期，20%的充-放電幅度對(duì)應(yīng)約15 000個(gè)使用周期，而10%的放電幅度能達(dá)到約42 000個(gè)使用周期。因此從電池壽命和更換電池成本的角度來(lái)看，使用較小的充-放電幅度是比較理想的選擇。由于增程式電動(dòng)汽車(chē)的增程器可以隨時(shí)發(fā)電，減小充 -放電幅度，從而延長(zhǎng)了電池的使用壽命。使用小幅度充、放電機(jī)制應(yīng)該把電池組的更換費(fèi)用納入到運(yùn)行/維護(hù)成本的計(jì)算才有意義。

　　由于對(duì)動(dòng)力電池的性能缺乏完整的了解，以及單體電池之間通常存在的不均勻性，導(dǎo)致電池精確控制方面的困難。加上對(duì)電池更換的責(zé)任方尚無(wú)明確規(guī)定，導(dǎo)致在增程式電動(dòng)汽車(chē)，以及并聯(lián)和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)中，對(duì)充-放電幅度限制方面的考慮并不普遍。

　　為了研究各種工況及系統(tǒng)參數(shù)對(duì)增程式動(dòng)力系統(tǒng)的影響，選取了一個(gè)滿載質(zhì)量為1 400 kg的參考系統(tǒng)，其各種參數(shù)值見(jiàn)表1。它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為30 kW，如圖1中的實(shí)心點(diǎn)所示。考慮到電機(jī)的過(guò)載特點(diǎn)，其峰值功率(圖1中的空心圓點(diǎn))很容易滿足爬坡度和加速性能等方面的要求。表2中的3種工況是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義的試驗(yàn)用行駛工況中的市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)組成的[14]。將各種循環(huán)進(jìn)行組合，形成了總行駛里程約為100 km的城市工況、城市+城郊工況，和城郊工況。在城市+城郊混合工況下，采用一個(gè)如表1和表2所示的參考系統(tǒng)，其能耗和增程器的使用如圖3所示。在圖3 中，蓄電池電量從初始的16 kWh開(kāi)始，其即時(shí)電量考慮了用于驅(qū)動(dòng)的能量損耗，也包含了增程器為電池充電以及制動(dòng)能量的回收。圖3還顯示了增程器的使用狀態(tài)，在電池電量達(dá)到其容量的 20%時(shí)，增程器啟動(dòng)，致使該系統(tǒng)不僅能滿足驅(qū)動(dòng)需求，還有多余的能量為電池組充電。由于該系統(tǒng)是按照電池的下限值決定增程器的使用，且其上限值(90%)在行駛結(jié)束時(shí)尚未達(dá)到，從而在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)增程器僅啟動(dòng)一次。在衡量增程式電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行成本時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮使用的電能和增程器耗費(fèi)的燃料費(fèi)用。最簡(jiǎn)單的方法是把它們按照如表2所列的市場(chǎng)價(jià)格統(tǒng)一折合成貨幣值計(jì)算。

　　3 控制策略

　　作為一種最簡(jiǎn)單的混合動(dòng)力系統(tǒng)，增程式電動(dòng)汽車(chē)的控制主要體現(xiàn)在動(dòng)力電池和增程器的使用方面。在電池方面，如上所述，主要有兩種方法，一種是綜合考慮驅(qū)動(dòng)需求和電池壽命因而限制充-放電幅度;另一種是在純電動(dòng)汽車(chē)中通用的方法，即限制電量下限值。增程器的使用則從電池特性和駕駛需求兩方面來(lái)考慮。有代表性的增程器使用方法包括“隨動(dòng)式”發(fā)電，也就是根據(jù)系統(tǒng)的用電需求決定增程器的使用。由于增程器的發(fā)電功率隨外界需求變化而變化，除了在控制上難以實(shí)現(xiàn)精確的匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)也無(wú)法維持在高效區(qū)域的運(yùn)行，這可能影響增程式電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性。簡(jiǎn)單的解決方法是使用固定的發(fā)電功率，在電池電量低于所定下限值時(shí)按恒定功率發(fā)電，在高于上限值時(shí)停止。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是控制過(guò)程簡(jiǎn)單，但其上、下限值多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。類似的方法還有根據(jù)汽車(chē)保修期要求的行駛里程以及電池的使用壽命來(lái)估算電池SOC的上、下限值[15]。此法可保證電池在保修期內(nèi)正常工作，但它和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到上、下限值的控制方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是可能因過(guò)度使用增程器，導(dǎo)致其發(fā)出超過(guò)需求的電量來(lái)對(duì)電池組充電使之達(dá)到上限值，從而造成能源浪費(fèi)和過(guò)高的使用成本。比較理想的解決方案是基于最低使用成本的控制方法[16]，在下一次利用網(wǎng)電充電前盡可能地使用電池電量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。下面對(duì)上述后3種控制方法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹和比較。 　　3.1 基于固定SOC上、下限值的控制策略

　　最簡(jiǎn)單的控制方法是采用固定的SOC上、下限值，當(dāng)電池電量達(dá)到其下限值時(shí)啟動(dòng)增程器發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)并為電池充電，當(dāng)電池電量達(dá)到其上限值時(shí)停止發(fā)電。由于增程器發(fā)出的電能中相當(dāng)大一部分被用于驅(qū)動(dòng)，為電池充電有限，在一個(gè)工況周期內(nèi)很難達(dá)到其上限值。除非將上、下限區(qū)間限制得很窄，在100 km的駕駛周期內(nèi)，發(fā)電區(qū)段只出現(xiàn)在后期，持續(xù)到駕駛周期結(jié)束。較高的SOC上限值對(duì)駕駛周期無(wú)明顯影響。圖4(a)～(c)顯示了不同工況下SOC下限值對(duì)駕駛周期以及發(fā)電周期的影響。較高的下限值容易達(dá)到，增程器啟動(dòng)得比較早，相應(yīng)的發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)，油耗高，行駛費(fèi)用也比較高。

　　由圖5可知，SOC下限值為20%時(shí)，電池能耗在不同工況下并沒(méi)有明顯區(qū)別。城市+城郊混合工況下的油耗略高于其它工況，因而運(yùn)行成本最高。當(dāng)SOC下限值為 30%時(shí)，由圖4(a)可知，城市工況下大量的燃油被用來(lái)發(fā)電，用做驅(qū)動(dòng)和充電，導(dǎo)致駕駛周期結(jié)束時(shí)電池的剩余電量過(guò)多，因此成本最高。隨著增程器發(fā)電直接用于驅(qū)動(dòng)的比例逐步增加，城市+城郊混合工況以及城郊工況下的油耗及行駛成本逐漸降低。由此可見(jiàn)，增加發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)的比例，減小充電環(huán)節(jié)的能量浪費(fèi)是提高增程式電動(dòng)汽車(chē)效率的關(guān)鍵。

　　這種控制邏輯的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但它的缺點(diǎn)也很明顯，主要體現(xiàn)在行駛的經(jīng)濟(jì)性較差，同時(shí)也沒(méi)有顧及驅(qū)動(dòng)電池的壽命。

　　3.2 基于電池壽命的控制策略

　　作為動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，電池壽命是增程式電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)。如果按照車(chē)輛的保修期來(lái)設(shè)計(jì)電池壽命，則根據(jù)圖2所示的電池壽命曲線可以估算出電池使用過(guò)程中所允許的SOC的最大變化幅度。具體方法是將保修期以一定的行駛里程來(lái)表述，根據(jù)工況和電池壽命曲線列出一個(gè)能量需求方程，從而得到允許的最大SOC幅度[15]。以保修里程10萬(wàn)km為例，如表1所示的參考車(chē)輛在城市工況下，采用SOC標(biāo)定值為55%的鋰離子電池組，可以求得所允許的最大SOC變化幅度為60%(即±即%幅)。如圖6(a)所示，當(dāng)電池電量達(dá)到25%的SOC下限值時(shí)，增程器開(kāi)始發(fā)電。當(dāng)電池電量達(dá)到85%的SOC 上限值時(shí)停止發(fā)電。因?yàn)殡姵仉娏恳恢钡陀谄渖舷拗担�所以在行駛周�?100 km)結(jié)束時(shí)仍在發(fā)電。不同工況的能量需求不同，所以最大允許的SOC變化幅度也不同。圖6(b)和(c)顯示了城市+城郊混合工況，以及城郊工況的系統(tǒng)狀態(tài)。隨著駕駛能量需求的增加，允許的最大SOC變化幅度在減小，發(fā)電時(shí)間在提前，發(fā)動(dòng)機(jī)即增程器的使用時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加。

　　最大允許的SOC變化幅度也是表1所示各種車(chē)輛系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)，電池電量對(duì)它有很大的影響。如圖7所示，它隨著電池容量的增加而增加，這是因?yàn)樵谀芰啃枨笙嗤�的情況下，小容量的電池需要更長(zhǎng)的發(fā)電時(shí)間，只能在小的SOC變化幅度下，通過(guò)頻繁發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖8顯示了對(duì)應(yīng)于容量為5 kWh的電池組，最大允許的SOC變化幅度為4%。其增程器的啟動(dòng)比大電池容量的情況更加頻繁。

　　3.3 基于最低使用成本的控制策略

　　這種控制方法是在保證系統(tǒng)能量需求的前提下，使動(dòng)力電池在完成行駛?cè)蝿?wù)，利用網(wǎng)電充電之前，達(dá)到在不損害電池的前提下的最低電量狀態(tài)[16]。因?yàn)殡姵啬芰康南喈?dāng)一部分來(lái)自于相對(duì)經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)電，這樣做可以最大限度地使用電池電量，使燃油的消耗達(dá)到最低，從而降低使用成本。圖9顯示了一個(gè)基于最低使用成本控制方法的例子，是對(duì)表1所示的參考系統(tǒng)在城市+城郊混合工況下進(jìn)行的模擬。根據(jù)駕駛員的輸入，包括駕駛模式、行駛距離和對(duì)駕駛工況的預(yù)期，系統(tǒng)自動(dòng)判斷在到達(dá)目的地之前所需的發(fā)電量。將總的發(fā)電時(shí)間分成若干個(gè)發(fā)電周期，進(jìn)行間歇式發(fā)電，如圖9中虛線所示。這樣做有幾個(gè)好處，首先可以避免長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)電，當(dāng)行駛情況發(fā)生變化后不至于產(chǎn)生過(guò)多的電池剩余電量以及由此帶來(lái)的浪費(fèi)。此外，可以把系統(tǒng)的功率需求作為增程器啟動(dòng)的一個(gè)判據(jù)條件，使發(fā)出的電能直接用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，避免能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)的浪費(fèi)。系統(tǒng)對(duì)駕駛條件的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性。由圖9可知，整個(gè)駕駛過(guò)程被分成了若干個(gè)區(qū)域，發(fā)電周期和間隔都是不均勻的。在車(chē)速較高區(qū)段增程器的啟動(dòng)比較頻繁，增程器的發(fā)電量對(duì)應(yīng)于發(fā)電周期呈階梯式增長(zhǎng)。在行駛結(jié)束時(shí)，電池的殘余存量略高于其容量的20%，即電池SOC的下限值。

　　以上所述的3種控制邏輯各有長(zhǎng)處和不足。表3對(duì)城市工況下各種控制策略對(duì)應(yīng)的能耗和成本進(jìn)行了比較。采用固定的SOC上/下限值的方法簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是通常情況下當(dāng)達(dá)到SOC下限值，啟動(dòng)增程器發(fā)電以后，充電量很難使電池達(dá)到其上限值，導(dǎo)致持續(xù)發(fā)電，除了行駛成本比較高以外，也沒(méi)有考慮電池的壽命。而優(yōu)化電池壽命的控制方法可以使電池組在保修期內(nèi)出現(xiàn)故障的幾率降低到主機(jī)廠可以接受的范圍內(nèi)，但后果是提升了電池SOC的下限值，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電，增加了使用成本。如果不考慮電池壽命，也就是更換電池組的費(fèi)用，僅考慮使用成本，基于最低使用成本的控制邏輯較其它兩種控制方法有明顯的優(yōu)勢(shì)。除了運(yùn)行成本低以外，它還有很大的靈活性，可以按需要隨時(shí)調(diào)整行駛預(yù)期，保證最低運(yùn)行成本。它的缺點(diǎn)是可控變量較多，控制比較復(fù)雜。下文將對(duì)基于最低使用成本的控制方法中各種參數(shù)的影響進(jìn)行研究。

　　4 系統(tǒng)和控制參數(shù)的影響

　　增程式電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性受到其系統(tǒng)參數(shù)的約束和行駛條件的限制。如圖1所示，其動(dòng)力性能很大程度上取決于整車(chē)質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)功率。選取一個(gè)如表1所示的參考系來(lái)研究各種系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)的影響，利用這個(gè)參考系，按表2定義的工況行駛，以電耗和油耗以及運(yùn)行成本為指標(biāo)衡量各個(gè)參數(shù)的影響。因?yàn)殡娔芎腿加偷膯挝粌r(jià)格不同，所以能耗的總價(jià)格更為直觀。本節(jié)以約 100 km的城市+城郊混合工況(表2)為基礎(chǔ)，采用基于最低使用成本的控制方法，對(duì)表1中各種參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

　　4.1 行駛距離

　　首先，行駛距離對(duì)能耗和行駛成本有直接的影響。在行駛距離較短時(shí)，比如70 km以內(nèi)，電池組足以滿足行駛需求，車(chē)輛以純電模式運(yùn)行，運(yùn)行成本較低。當(dāng)行駛距離超過(guò)這個(gè)范圍以后，增程器被啟動(dòng)，行駛所需的能量由增程器發(fā)電來(lái)提供。如圖10所示，這種控制方法使電池最終電量始終保持在較為穩(wěn)定的水平上，即電池SOC下限值附近，實(shí)現(xiàn)了最大限度地利用蓄電池電量，達(dá)到最低使用成本的目的。圖中的成本和油耗曲線不是單調(diào)上升，而是波動(dòng)的，類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在其它參數(shù)的影響中，這是因?yàn)榛�于最低使用成本的控制涉及一個(gè)多參數(shù)系統(tǒng)。各種參數(shù)相互影響，使改變單一參數(shù)值無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。 　　4.2 初始電池電量

　　較高的初始電池電量可以為行駛提供較多的電能，因此油耗和成本隨電池電量的增加而降低。當(dāng)初始電量達(dá)到21 kWh時(shí)，純電模式即可滿足全部行駛需求。由圖11可知，當(dāng)初始電量很低時(shí)，油耗非常高，這是串列式混合動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)致命弱點(diǎn)。中間環(huán)節(jié)過(guò)多產(chǎn)生的效率損失是無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)控制來(lái)徹底避免的。

　　4.3 滿載質(zhì)量

　　整車(chē)質(zhì)量是一個(gè)非常重要的因素。由于電池電量恒定，而系統(tǒng)控制方法使電池最終SOC接近其下限值以最大限度地使用電池驅(qū)動(dòng)，所以不同整車(chē)質(zhì)量的汽車(chē)所能使用的電能接近一個(gè)常量，而油耗和成本隨著整車(chē)質(zhì)量的增加而增加。由圖 12可知，在1 250 kg以下，整車(chē)質(zhì)量每增加10%導(dǎo)致約13.7%的油耗增加。對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)乘用車(chē)來(lái)說(shuō)相應(yīng)的油耗增加在7%左右[17]，遠(yuǎn)低于增程式電動(dòng)汽車(chē)。一個(gè)重要的原因是能量轉(zhuǎn)換過(guò)程帶來(lái)的損失。如果不考慮充電效率(71%)和驅(qū)動(dòng)效率(81%)，油耗的增加可以估算為71%×81%×13.7%≈7.8%，與傳統(tǒng)車(chē)輛類似。在1 250 kg以上，整車(chē)質(zhì)量每增加10%導(dǎo)致約50%的油耗增加。這是因?yàn)樵诮o定工況下的一個(gè)行駛周期(約100 km)內(nèi)，增加整車(chē)質(zhì)量除了增加能量消耗以外，還將發(fā)電周期提前，導(dǎo)致油耗的大幅度增加。

　　4.4 發(fā)電機(jī)輸出功率

　　發(fā)電機(jī)的輸出功率直接影響增程器的使用和產(chǎn)生的電能的使用效率，其對(duì)油耗/成本的影響主要受兩個(gè)因素控制。一個(gè)是發(fā)電量或輸出電量被直接用于驅(qū)動(dòng)的比例，這個(gè)比例越高油耗就越低。另一個(gè)是發(fā)電時(shí)間，發(fā)電時(shí)間越長(zhǎng)，油耗就越高。當(dāng)輸出功率較低時(shí)，增程器的啟動(dòng)比較頻繁，且發(fā)電量的相當(dāng)大比例被直接用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，有效地避免了為電池組充電，再通過(guò)電池組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)程中的損耗。盡管發(fā)電時(shí)間比較長(zhǎng)，但其負(fù)面影響較因避免能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)的能耗增加更小，因此油耗和行駛成本都比較低(圖13)。當(dāng)輸出功率較高，比如高于25 kW 時(shí)，發(fā)電量用于直接驅(qū)動(dòng)的比例降低，但發(fā)電時(shí)間縮短，導(dǎo)致油耗降低。如果繼續(xù)增加發(fā)電機(jī)輸出功率，則由于其發(fā)電量用于直接驅(qū)動(dòng)的比例降低，導(dǎo)致油耗大幅度增加。在輸出功率處于中間值(20 kW 左右)時(shí)，發(fā)電量用于直接驅(qū)動(dòng)的比例和發(fā)電時(shí)間兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果導(dǎo)致油耗最高。這種多個(gè)因素相互作用導(dǎo)致一定區(qū)間內(nèi)極值的產(chǎn)生作為普遍規(guī)律是正確的，但具體的量值則取決于特定的系統(tǒng)。如果改變參考系統(tǒng)，比如把整車(chē)質(zhì)量從1 400 kg增加到1 700 kg，對(duì)應(yīng)于最高能耗的發(fā)電機(jī)輸出功率將高于20 kW。

　　4.5 制動(dòng)能回收

　　制動(dòng)能的回收是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，利用制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)發(fā)電。制動(dòng)能的回收量只與工況以及回收效率有關(guān)，和整車(chē)控制邏輯無(wú)關(guān)，它的效率在很大程度上取決于電機(jī)控制器。它的使用應(yīng)該與機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(Anti-lock Braking System，ABS)相協(xié)調(diào)，以保證車(chē)輛的制動(dòng)性能和安全性。對(duì)于本文使用的參考系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)回收效率為50%時(shí)，不同工況下行駛100 km所回收的制動(dòng)能分別為：城市，1.56 kWh;城市+城郊混合，1.15 kWh;城郊，0.91 kWh，分別占這3種工況下總能量需求的11.6%，8.0%和6.0%。可以看出，在制動(dòng)比較頻繁的城市工況里，制動(dòng)能的回收量相當(dāng)可觀。圖14顯示了城市+城郊混合工況下制動(dòng)能回收效率的影響。回收效率的增加基本不影響電池組電能的消耗，但它為行駛提供了額外能量，使油耗和成本降低。在計(jì)算利用回收的制動(dòng)能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，要考慮電池的充電效率和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率。

　　4.6 空氣阻力系數(shù)

　　盡管不是線性的關(guān)系，油耗隨著空氣阻力系數(shù)的增加而上升(圖15)。因?yàn)榭諝庾枇Φ男��?yīng)與車(chē)速的立方成正比，空氣阻力系數(shù)的影響程度取決于工況，它在城郊(高速)工況下的影響遠(yuǎn)大于城市工況。對(duì)于城市+城郊工況，由圖15可知，在空氣阻力系數(shù)小于0.23的情況下，能耗的增加比較緩慢。在0.23和0.31之間能耗的增速加快，它的影響在0.33 附近變化不明顯。汽車(chē)外形的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮針對(duì)特定行駛工況以及其它參數(shù)如整車(chē)質(zhì)量等，以及類似于圖15所示的能耗與空氣阻力系數(shù)的關(guān)系。如果空氣阻力系數(shù)只能作小幅度的改進(jìn)，在0.31以下的效果要遠(yuǎn)大于在0.33附近。

　　4.7 啟動(dòng)增程器的功率門(mén)檻值

　　增程器的啟動(dòng)功率門(mén)檻值是當(dāng)車(chē)輛達(dá)到按照最小使用成本的控制邏輯計(jì)算出的行駛距離下限值以后，判斷是否啟動(dòng)增程器的一個(gè)準(zhǔn)則，當(dāng)驅(qū)動(dòng)所需功率達(dá)到一定量值時(shí)啟動(dòng)增程器。這樣做的目的是增加直接用于驅(qū)動(dòng)的發(fā)電量比例，減少為電池充電后再用電池組驅(qū)動(dòng)的比例，以降低油耗。由圖16可知，這個(gè)門(mén)檻值的影響并不明顯，主要是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)特定的工況，即使增程器的啟動(dòng)功率門(mén)檻值不同，發(fā)電周期的起始和結(jié)束時(shí)刻也非常相似，其優(yōu)化值應(yīng)該通過(guò)考慮所有工況得到。

　　4.8 增程器的最短運(yùn)行周期

　　增程器的運(yùn)行周期是控制器根據(jù)行駛需求確定的，但這樣得到的運(yùn)行時(shí)間可能很短，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和壽命，有必要人為設(shè)定一個(gè)增程器連續(xù)運(yùn)行的最短時(shí)間。當(dāng)通過(guò)計(jì)算得到的運(yùn)行時(shí)間大于這個(gè)最短周期時(shí)，按計(jì)算的周期運(yùn)行;當(dāng)它小于這個(gè)最短周期時(shí)，按最短周期運(yùn)行。增程器最短運(yùn)行周期的影響主要體現(xiàn)在當(dāng)它大于計(jì)算的發(fā)電周期時(shí)，計(jì)算得出的增程器發(fā)電模式將被改變。如圖17所示，由于各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)之間的相互作用，增程器最短運(yùn)行周期的影響并不是單調(diào)的，圖中所示的特征將隨著其它參數(shù)的變化而改變。對(duì)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，有實(shí)際意義的最短運(yùn)行周期應(yīng)該不小于120 s。

　　為了簡(jiǎn)便，本文采取了只改變某一個(gè)參數(shù)的數(shù)值，而固定其它參數(shù)的做法。這樣做可以明顯看出這個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，但最主要的缺點(diǎn)是無(wú)法獲得關(guān)于各種參數(shù)之間相互作用的信息。對(duì)于增程式電動(dòng)汽車(chē)這種復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，各種參數(shù)之間的相互作用是客觀存在而且非常重要的，系統(tǒng)的優(yōu)化取決于對(duì)這些參數(shù)以及它們之間相互作用關(guān)系的深刻理解，系統(tǒng)控制也應(yīng)該是對(duì)某種特定工況下，系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程。 　　5 結(jié)論

　　本文對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制進(jìn)行了討論，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的各項(xiàng)性能要求給出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的選擇方案。由于它是針對(duì)一個(gè)特定的參考系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)如空氣阻力系數(shù)等改變時(shí)，應(yīng)該重新計(jì)算相對(duì)應(yīng)的選擇方案。電機(jī)的過(guò)載特性使選擇較小的額定功率電動(dòng)機(jī)即可滿足大多數(shù)小型乘用車(chē)的性能要求，但實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該綜合考慮其它因素如電機(jī)效率等。

　　由于動(dòng)力電池、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的使用方式之間存在多種可能的組合方式，增程式電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)控制種類也相當(dāng)多，主要區(qū)別在于增程器的使用上。常見(jiàn)的做法是采用閉環(huán)控制，使增程器的發(fā)電量隨車(chē)輛功率需求變化。由于實(shí)際駕駛工況的變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制上的困難，這樣的控制很難實(shí)現(xiàn)。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率變化會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法保持在高效區(qū)運(yùn)行，更可行的方法是使用恒定的增程器輸出功率，這樣的控制方法多采用固定的電池電量的上、下限值來(lái)控制發(fā)電周期。本文提出了一種基于電池壽命考慮的控制方法，可以根據(jù)動(dòng)力電池的保修期推算出滿足保修條件下的最大允許充、放電幅度，即電池電量的上、下限值，還提出了一種基于最小使用成本的控制邏輯，可以最大限度地使用相對(duì)便宜的網(wǎng)電，降低油耗，并給駕駛員充分的選擇，以適應(yīng)實(shí)際駕駛過(guò)程中多變的工況。

　　本文研究了基于最小使用成本的控制邏輯中各種系統(tǒng)和行駛參數(shù)的影響。整車(chē)質(zhì)量、行駛距離、電池組初始電量、空氣阻力系數(shù)和制動(dòng)能回收效率等都對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)的使用及運(yùn)行成本有比較大的影響，其它參數(shù)如增程器的啟動(dòng)功率門(mén)檻值和增程器最短運(yùn)行時(shí)間等的作用不穩(wěn)定，這是它們與其它參數(shù)之間強(qiáng)烈的相互作用的結(jié)果。因此，控制系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)該綜合考慮各種系統(tǒng)和行駛參數(shù)。

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