沃蓝达增程汽车动力传动控制系统分析

陆孟雄

摘要：研究雪佛兰沃蓝达增程式电动汽车动力控制系统的结构组成以及控制方式。具体分析沃蓝达电动汽车动力传递与动力控制的方式与沃蓝达几种工作模式及工作原理，并用ADVIsoR软件进行仿真分析。

关键词：增程式电动汽车；增程器；动力控制系统；ADVISOR软件；仿真分析

1引言

增程式电动汽车是一款从传统汽车往纯电动汽车发展的一种过渡车型。增程式电动汽车虽然使用了内燃机，但是这个内燃机是作为给蓄电池组提供电能的来源。主要使用电动机作为整车动力来源，搭载的发动机是为了给低于规定值的蓄电池组充电的。整车的行驶过程中完全利用纯电驱动，所以是纯电动类汽车中的增程式电动汽车。电动汽车最重要的技术瓶颈在于为整车提供动力的蓄电池组，现在电池组低能量密度和昂贵的制造成本致使设计师在持续行驶里程和成本之间难以取舍。同时增程式电动汽车使用的动力蓄电池组差不多只有纯电动汽车的一半，这样既能够提供同样的动力性能又能给车主提供满意的持续行驶里程。在现有蓄电池应用以及制作水准下，对于纯电动汽车而言，增程式电动汽车的制造成本比纯电动汽车要少20%，因此增程式电动汽车可以看作为传统汽车往纯电动汽车发展中的一种过渡车型。

2沃蓝达增程式电动车动力系统结构分析

如下图1为沃蓝达增程式电动汽车动力系统结构图，其中包括两个部分：电气部分、机械部分。电气连接是通过单实线表示的，机械连接是由双实线表示的，虚线部分表示的是增程器单元。

2.1电力驱动子系统

沃蓝达增程式汽车的电力驱动子系统跟传统普通的纯电动汽车整体结构组成是完全相同，主要其中包括了以下几个方面：电子控制单元、传动装置和驱动轮。正是由于电动机是增程式电动汽车控制系统中比较重要的动力驱动装置，所以电动机的最大功率及最大驱动转矩必须要满足驱动车辆的设计需要。

a.最高车速工况

增程器启动以后，会按照恒定功率输出，而这个就取决于之前预定的工作节点。还有电机的运转是依靠其中的一些部分电能用来驱动，而另一部分电能是用来给蓄电池组充电。当蓄电池组SOC（剩余电量跟额定电量的比值）提高至之前所预定的SOC上限值时，增程器可以选择关闭或怠速运行。这样的控制策略具有以下几个优点：增程器可以运行在尾气排放跟低油耗区域，主要的增程模式蓄电池组放电电流上下波动幅度较大，而且蓄电池组经常会陷入深度放电循环状态，蓄电池使用寿命会被大大削弱。

3.2.2功率跟随模式：

在这种控制策略下蓄电池组SOC还有汽车行驶需要以及增程器的工作状态关系到增程器的启动还有停止。增程器会因为车轮功率需求高或者蓄电池组SOC值的变化而选择启动还是停止工作。而在蓄电池组SOC高于预设上限阀值时，增程器则停止运行。同时还设立一些保持状态区，在这些区域内，增程器在前面开启，则后面也会保持开启状态；在前面处于关闭状态，则在后面也会处于关闭状态。当增程器开始工作时，输出功率的大小是依据汽车负载的不同来决定。这样的控制策略有以下几个优点：将蓄电池组的损失降低到最低，但是增程器会经常处于启动跟停止的状态。当负载比较小的时候，整车的排放和效率可能会受到影响。

3.2.3恒温器跟功率相结合的模式：

这种控制策略结合了上面两种控制策略，让增程器和蓄电池都工作在效率比较高的范围内，这样就很好的解决了增程器废气排放问题和蓄电池使用寿命的问题。就算车辆需求大功率行驶的时候，系统会实行功率跟随控制方案，从而使蓄电池避免大功率放电；而车辆需求小功率运行，系统会实时监控当时的SOC状态，决定关闭还是继续开启增程器，从而提高了系统的工作效率，改善废气排放问题。

3.2.4优化算法控制策略：

上面所提到的控制策略简单易懂易与实现控制、各方面性能都不错，但还是不能使整个系统提高燃料经济性或达到最佳排放要求。基于此问题我们又提出另外一种控制策略，那就是等效燃料消耗控制策略，这种控制策略的基于优化算法的的基础上实现的。整个控制策略实现控制的方法其实也相对简单，那就是把蓄电池消耗的能量通过计算转换成增程器提供的能量，从而跟组成整车燃油消耗模型，其中包括增程器实际燃油消耗率等。那怎么计算此模型最小值呢？我们选用增程器的工作点是工作点中的最小值。选用最小点能够得到系统最小的燃油经济性，但是在实际使用过程中不太能够估算出整车的等效燃料消耗量。

3.2.5智能控制策略：

这种控制策略运用的是智能控制，模糊逻辑控制、遗传算法控制和神经网络控制都属于智能控制，在蓄电池组和增程器之间匹配负载所需要的功率。

4沃蓝达增程器电动汽车ADVISOR仿真分析

ADVISOR是MATLAB和SIMULINK软件环境下的一系列模型、数据和脚本文件，它在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数，能快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能。使用ADVISOR对沃蓝达进行系统仿真，其中选用CYC NEDC做为此次工况的仿真工况。仿真了沃蓝达增程式电动汽车的动力系统中发动机系统跟蓄电池系统的关系。具体仿真数据见表1。

在仿真界面通过各种选项选择所需要的项目，并在后面输入所需数据，来完成仿真的第一步工作。发动机参数选用64kwh，因为沃蓝达的发动机参数为64kwh。蓄电池组选用铅酸蓄电池，本来沃蓝达的蓄电池是锂电池，但是因为这个软件中锂电池的型号只要一种，所以我选用参数非常接近的铅酸蓄电池。沃蓝达发电机为55kw，传递效率为0.88.因为电机的功率需要跟发电机接近，所以选用51kw的参数，传递效率为0.98。上述为参数的选定。

图2是仿真中汽车循环工况的选择，这次仿真选用的是新欧洲循环工况cYc

3沃蓝达增程式动力控制系统能量管理策略

V能量控制策略是沃蓝达增程式动力控制系统所运用的，而这种能量控制策略是想尽可能少的用到增程器来给蓄电池组充电，让汽车以纯电动模式工作，将废气污染物的排放量降到最低。当蓄电池组的电量耗尽后，增程器开始启动，根据不同运行形式，沃蓝达可以根据不同路况、不能的运行方式进行能量控制策略。

3.1增程器跟原车电源关联不大

增程器（Range Extended）即用来负责驱动电机，又给汽车动力蓄电池组进行充电。这种能量运算策略非常简单，在控制方面非常可靠，生产方面也比较方便，整体性能不错，这样降低了电力能量从增程器到汽车动力蓄电池组的传递中的损失。直接选用蓄电池作为增程器的电动汽车适合这样的控制策略。而且还有一种增程器是使用发动机或燃料电池来提供能量，不方便保障增程器和原车蓄电池组得到最高程度的匹配，不容易获得整车系统效率最佳状态这是这样控制策略存在的问题。

3.2增程器跟原车电源相互接合

按照不同的能量控制策略主要分成以下几种不同的形式：

3.2.1恒温器模式：NEDC。下方显示的是此种工况下车辆的信息。

将参数输入后，可以得到图3所示结果。

5结论

当蓄电池电量SOC值曲线下降到0.4之前时，增程发动机启动，开始给蓄电池组充电，此时的排放也处于峰值。随着蓄电池电量SOC值的提升，排放基本接近于零。当蓄电池电量充满时，增程发动机停止工作，直到下一次蓄电池电量低至0.4。从图4右侧数据可以看出，当发动机工作时每百公里油耗在4.6左右，相比于传统汽车已经达到了很好的节油减排的效果。