增程式電動汽車能夠通過外接充電的方式獲取廉價的電網(wǎng)電能。當動力電池的電量充足時能夠以純電動汽車的方式運行，增程式電動汽車通過增程器來延長純電動汽車僅由電池驅動導致的較短續(xù)航里程。目前混合動力電驅動系中所用的發(fā)動機，大多采用傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)動機。在上期推文增程式電動汽車中，我們提到阿特金森循環(huán)發(fā)動機的熱效率較高，燃油經(jīng)濟性較好，越來越多混合動力車采用阿特金森循環(huán)發(fā)動機。高膨脹比阿特金森循環(huán)可以有效提高混合動力汽車發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，并通過合理的匹配控制可以獲得最優(yōu)的動力性、經(jīng)濟性和排放性。

E-REV能量管理控制策略是整車控制的關鍵。國內外對增程式電動汽車控制策略的研究主要分為基于規(guī)則的控制策略、基于優(yōu)化的控制策略和智能控制策略。其中，基于優(yōu)化的控制策略，如瞬時優(yōu)化控制策略，全局優(yōu)化控制策略算法均需要大量的運算，對整車控制系統(tǒng)硬件要求較高，不利于實際應用。近年來，隨著智能控制(如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等)算法的發(fā)展，智能控制策略也被廣泛應用于增程式電動汽車的能量管理中，但由于其需要先驗知識和復雜的訓練過程而難以在實際車輛上應用。目前實車廣泛采用基于規(guī)則的控制策略。

1.阿特金森發(fā)動機工作特點

在阿特金森循環(huán)中，在活塞到達下一止點后上升一段時間，進氣門在這段時間仍然處于開啟狀態(tài)，有一部分混合氣體被推回到進氣歧管，降低了實際壓縮比。在膨脹行程末，當汽缸內的壓力降低至稍高于大氣壓時，再開啟排氣氣門，提高了膨脹沖程后端的能量利用，壓縮比小于膨脹比，如圖1，圖2為傳統(tǒng)發(fā)動機與阿特金森發(fā)動機配氣圖解。阿特金森發(fā)動機可產(chǎn)生較高的熱效率，燃油經(jīng)濟性也較好。

阿特金森循環(huán)發(fā)動機在低速運行時，進氣門晚關閉會使氣缸內混合氣變少，導致其低速時扭矩較小。雖然長活塞行程能夠充分利用燃油的能量，提高經(jīng)濟性，但行程較長也限制了發(fā)動機轉速的升高，不利于發(fā)動機高速運轉。阿特金森循環(huán)發(fā)動機通過控制氣門開閉時間實現(xiàn)對膨脹比和壓縮比的控制，降低了最高燃燒壓力和溫度，減少了NOx的排放和泵氣損失。

圖1 傳統(tǒng)發(fā)動機配氣圖解

圖2 阿特金森發(fā)動機配氣圖解

2.E-REV動力系統(tǒng)及工作模式

增程式電動汽車的驅動模式可以分為純電動模式、增程模式純電動模式下驅動電機獨立驅動車輛行駛，發(fā)動機不起動，由動力電池提供電力給驅動電機進而驅動車輛；增程模式下增程器啟動并處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動機不直接參與驅動，驅動發(fā)電機進行發(fā)電，產(chǎn)生電能用來驅動電動機，電池處于一同供電驅動或充電狀態(tài)，如圖3示。外接充電模式下車輛利用車載充電機進行充電。

圖3E-REV動力系統(tǒng)結構

3.增程式電動汽車控制策略

01

原恒功率控制策略

增程器恒功率控制策略是針對電池的電量SOC進行控制，當電池S0C值小于給定的最小值時，進人增程模式增程器開始工作，發(fā)動機工作在效率較高工作區(qū)域內的固定工作點上，以恒功率輸出，產(chǎn)生的電能一部分提供給電池，另一部分滿足汽車功率需求；當電池SOC大于給定的SOC最大值時，增程器關閉，此時電池組給車輛行駛提供能量。在實際工程應用中，一般控制阿特金森循環(huán)發(fā)動機始終運行在最佳燃油消耗區(qū)域內比油耗較低的工作點，如圖4中A點所示，紅色粗線表示發(fā)動機外特性曲線，黑色細線為燃油消耗率曲線。

圖4 阿特金森循環(huán)發(fā)動機燃油消耗MAP圖

02

原功率跟隨控制策略

在功率跟隨控制策略中，增程模式下，增程器作為車輛主要動力來源，增程器輸出功率跟隨整車的功率需求。當增程器最大輸出功率小于整車需求功率時，動力電池作為次級動力源補充不足的功率。這種控制策略與恒功率控制策略相比減少了動力電池的充放電循環(huán)次數(shù)，有利于延長動力電池的壽命。因為整車需求功率不斷變化，阿特金森循環(huán)發(fā)動機可能工作在高排放低效率的區(qū)域，所以需要優(yōu)化其工作區(qū)域。一般將發(fā)動機控制在最優(yōu)工作曲線附近工作。基于阿特金森循環(huán)發(fā)動機的燃油消耗圖確定了發(fā)動機最優(yōu)工作曲線，如圖5中虛線所示。

圖5 阿特金森循環(huán)發(fā)動機最優(yōu)工作曲線

03

增程器三工作點控制策略

恒功率控制下電池經(jīng)常大電流充放電，對電池壽命不利。增程器多工作點控制策略的思想是選取多個燃油效率較高的點作為增程模式下發(fā)動機的工作點，工作點的選擇應結合車輛日常行駛的平均需求功率、最大需求功率和發(fā)動機燃油消耗曲線等進行設定，基于動力電池SOC、整車需求功率選擇最優(yōu)的工作點。結合發(fā)電機效率圖、發(fā)動機燃油消耗曲線等確定發(fā)動機工作點如圖6所示．其中小方塊從左到右依次為工作點1，工作點2和工作點3。

圖6 三工作點控制策略工作點的分布

04

基于轉速切換的功率跟隨控制策略

能量管理控制策略的目標是優(yōu)化阿特金森循環(huán)發(fā)動機的工作區(qū)域，提高其燃油效率，降低排放。車輛行駛過程中，工況不斷變化，車輛的需求功率波動范圍也較大，傳統(tǒng)的功率跟隨控制策略必須根據(jù)整車需求功率的實時變化來調整發(fā)動機的轉速。并且頻繁的發(fā)動機轉速的調整和發(fā)動機轉速波動會影響阿特金森循環(huán)發(fā)動機的油耗和排放。為解決這一問題，北京交通大學張昕等提出了基于轉速切換的功率跟隨控制策略，在阿特金森循環(huán)發(fā)動機的功率輸出范圍內，劃分出7個子區(qū)間，如圖7所示。根據(jù)燃油消耗曲線及功率子區(qū)問范圍選擇區(qū)間中點的阿特金森循環(huán)發(fā)動機轉速作為該功率區(qū)間的發(fā)動機目標轉速。

圖7 功率-轉速切換圖

總結

1)增程器三工作點控制策略與恒功率控制策略相比，電池平均充電電流減小了54％，有利于電池壽命，并且油耗降低了3％。

2)與恒功率控制策略相比，基于轉速切換功率跟隨控制策略的燃油經(jīng)濟性提高了6％．與功率跟隨控制策略相比有效地緩解了阿特金森循環(huán)發(fā)動機轉速的頻繁波動。

[1]牛繼高,司璐璐,周蘇.增程式電動汽車能量控制策略的仿真分析[J].上海交通大學學報,2014,(1):140-145.

[2]張昕,吳建政,宋雯, 等.基于阿特金森發(fā)動機的增程式電動汽車控制策略匹配設計[J].北京交通大學學報,2017,(4):98-103.

[3]付中偉,滕勤,劉青林.阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機的技術與應用[J].小型內燃機與車輛技術,2017,(5):75-82.