康海鵬
(華晨汽車工程研究院)
在環(huán)境和資源的雙重壓力下,新能源汽車的研發(fā)及投產(chǎn)越來越受到各車企及政府部門的重視。但是新能源汽車因電池在能量密度、壽命及價(jià)格等方面的局限,其價(jià)格和續(xù)駛里程都很難與傳統(tǒng)車媲美,因此融合內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)與電力驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車便成為新能源汽車開發(fā)的著力點(diǎn)。在研發(fā)新能源汽車的過程中,如何實(shí)現(xiàn)人車信息的完美交互,使駕駛員能充分了解新能源車的車輛狀態(tài),并使汽車最大限度地實(shí)現(xiàn)駕駛員的意圖,成為新能源車研發(fā)的重要部分之一。
混合動(dòng)力汽車根據(jù)其結(jié)構(gòu)分類可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種。增程式混合動(dòng)力汽車屬于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的一種,其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示,它的電池容量相對(duì)較大,主要依靠外接電源來補(bǔ)充電能,同時(shí)車上配置了一個(gè)小型發(fā)動(dòng)機(jī),通常被稱為輔助動(dòng)力單元(APU),用來在動(dòng)力電池電量較低時(shí)提供動(dòng)力并向電池組充電[1]。
由于自身結(jié)構(gòu)的原因,和其他種類的混合動(dòng)力汽車相比,增程式混合動(dòng)力汽車具有如下優(yōu)點(diǎn):
1)從成本上來考慮:由于第2套能量系統(tǒng)——發(fā)動(dòng)機(jī)的存在,使得電池組所需儲(chǔ)存的能量大大減少,而發(fā)動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力單元,其所需的扭矩和功率大大降低,因此,電池組和發(fā)動(dòng)機(jī)的體積、質(zhì)量及成本都有不同程度的下降。
2)相對(duì)于傳統(tǒng)汽車與其他種類的混合動(dòng)力汽車,增程式混合動(dòng)力汽車的純電動(dòng)續(xù)駛里程覆蓋了一般城市用車需求,并可以采用外接電源供電,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分時(shí)間內(nèi)都工作在最佳工作點(diǎn)附近,這使其在節(jié)油與環(huán)保方面顯得非常出色。
3)相對(duì)于純電動(dòng)汽車,因?yàn)槟軌蚴褂闷妥鳛槟芰吭?,所以車載動(dòng)力電池的體積和質(zhì)量大大下降,從而節(jié)約了制造成本,同時(shí)整車?yán)m(xù)駛里程得到了極大程度的延長(zhǎng);另外由于輔助動(dòng)力單元的介入,可以使動(dòng)力電池更多地工作在良性平臺(tái),從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。
4)從結(jié)構(gòu)上考慮,由于其工作方式與純電動(dòng)汽車十分接近,發(fā)展增程式電動(dòng)車更加有利于未來純電動(dòng)汽車的研發(fā)[2]。
傳統(tǒng)汽車的人車交互系統(tǒng)已經(jīng)有很成熟的發(fā)展[3]。汽車主要傳達(dá)給駕駛員的信息包括時(shí)速、水溫、油量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、空調(diào)以及多媒體等信息。而增程式混合動(dòng)力汽車作為一款比較特殊的新能源車有其自身的特點(diǎn)。文章將從結(jié)構(gòu)上來描述增程式混合動(dòng)力汽車所具有的信息,這些信息是由汽車自身屬性決定的。
1)車載動(dòng)力電池信息。由于增程式混合動(dòng)力汽車的主要能量源之一為動(dòng)力電池,其傳遞的信息顯得非常重要。動(dòng)力電池需要傳達(dá)的信息包括剩余電量或荷電狀態(tài)(SOC)、動(dòng)力電池總電壓、電池包總電流、電池各部分溫度及單體電壓等信息。
2)車載電機(jī)和發(fā)電機(jī)信息。車載電機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似,其主要信息包括電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)溫度等。
3)車用控制器信息。這里的控制器特指電力電子器件,包括電機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。這些器件的信息一般需要專業(yè)工程師進(jìn)行讀取。
4)發(fā)動(dòng)機(jī)信息。增程式混合動(dòng)力汽車是依靠電力驅(qū)動(dòng)的,發(fā)動(dòng)機(jī)只按照控制策略進(jìn)行啟動(dòng)與停止。與傳統(tǒng)車類似,發(fā)動(dòng)機(jī)有一系列信息需要傳達(dá)給駕駛員,如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、瞬時(shí)燃油消耗量及燃油余量等。
5)空調(diào)系統(tǒng)信息。增程式電動(dòng)車有2套能源系統(tǒng),其空調(diào)的能量來源也相應(yīng)地有更多的選擇。其工作方式因參數(shù)匹配和控制目的不同有所不同。一般來說:車載空調(diào)的制冷方式通常是車載動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷,而車載空調(diào)系統(tǒng)的制熱方式則有電動(dòng)PTC加熱、燃油加熱器加熱和發(fā)動(dòng)機(jī)輔助加熱3種。
6)車載充電系統(tǒng)信息。充電系統(tǒng)信息包括實(shí)時(shí)充電電流、動(dòng)力電池總電壓、充電剩余時(shí)間或充電結(jié)束時(shí)間、動(dòng)力電池剩余電量、充電功率及充電電能等信息。
因?yàn)槊織l信息對(duì)于駕駛員的意義不同,所以在人車信息交互系統(tǒng)中,不是所有的信息都被傳達(dá)給駕駛員,而且各種信息傳遞的方式也有很大的不同。文章將從駕駛員需求的角度,以功能模塊的方式來描述增程式混合動(dòng)力汽車應(yīng)該反饋給駕駛員的信息。信息交互的形式包括模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量3種。
1)模擬量是指某變量在一定范圍連續(xù)變化的量,比如指針形式顯示的車速。信息以模擬量顯示的優(yōu)點(diǎn)是直觀易懂,尤其可以直接觀察到變量發(fā)生增加或者減少。
2)數(shù)字量是指某變量的變化在時(shí)間上是不連續(xù)的,總是發(fā)生在一系列離散的瞬間,比如以數(shù)字形式顯示的車速。信息以數(shù)字量顯示的優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)分辨率較高時(shí),顯示結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確;當(dāng)分辨率較低時(shí),可以避免待顯信息發(fā)生跳變。
3)開關(guān)量是指非連續(xù)性信號(hào)的采集和輸出,比如充電時(shí)能夠正常充電的指示燈。開關(guān)量具有一目了然的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用在無(wú)需任何精度的變量顯示上有很大的優(yōu)勢(shì)。
在汽車尚未開動(dòng)時(shí),駕駛員需要了解汽車的狀況,這既包括汽車各總成信息,也涵蓋增程式混合動(dòng)力汽車特有的功能信息。
除了汽車各零部件是否處于故障狀態(tài)之外,對(duì)于一款新能源車,駕駛員還需要知曉汽車的純電動(dòng)續(xù)駛里程以及總續(xù)駛里程。無(wú)論是傳統(tǒng)車還是新能源車,汽車的行駛里程和駕駛員的駕駛習(xí)慣以及道路狀況關(guān)系都很大,因此在這里的續(xù)駛里程只能表示在之前行駛的能量消耗率下的估算值。
動(dòng)力電池是增程式混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部件,它的狀態(tài)影響到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和駕駛感受。當(dāng)動(dòng)力電池剩余電量較高時(shí),汽車的動(dòng)力性較好,如果駕駛員在此時(shí)有較大的功率需求,發(fā)動(dòng)機(jī)可以不啟動(dòng)或者工作在效率較高的工作點(diǎn);當(dāng)動(dòng)力電池剩余電量較低時(shí),汽車的動(dòng)力性變差,而且整車可能不能以純電動(dòng)的模式行駛,如果駕駛員在此時(shí)有較大的功率需求,發(fā)動(dòng)機(jī)有可能需要工作在較差的工作區(qū)以提供足夠的動(dòng)力;當(dāng)動(dòng)力電池因某種原因電量非常高或者非常低時(shí),汽車的某些功能可能無(wú)法實(shí)現(xiàn),比如當(dāng)汽車充滿電時(shí),新能源汽車特有的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)會(huì)無(wú)法開啟,而動(dòng)力電池電量非常低時(shí)可能說明發(fā)動(dòng)機(jī)不能夠正常工作,無(wú)法以增程的形式行駛。除此之外,動(dòng)力電池組對(duì)溫度也十分敏感,溫度過高或者過低不僅影響到電池本身的充放電效率,也會(huì)對(duì)汽車駕駛性造成影響。
然而動(dòng)力電池的信息并不需要全部細(xì)致地反饋給駕駛員。對(duì)于動(dòng)力電池剩余電量,由于其本身是一個(gè)估測(cè)值,而且剩余電量對(duì)汽車性能的影響并不十分敏感,因此動(dòng)力電池剩余電量便可以使用分辨率較低的顯示方式,一方面能夠正確描述電池狀態(tài),另一方面也能夠防止剩余電量計(jì)算方式調(diào)整時(shí)產(chǎn)生的小范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)波動(dòng)影響駕駛員感觀。對(duì)于電池溫度,因?yàn)檐囕d動(dòng)力電池組具有模組數(shù)量多和體積大的特點(diǎn),所以整個(gè)電池組內(nèi)溫度分布并不均勻,因此在顯示電池溫度時(shí),可以考慮高低選擇的方式進(jìn)行預(yù)警,即分別在電池最高(低)溫度制約電池性能時(shí)顯示電池的最高(低)溫度,或者不顯示溫度,直接以報(bào)警的形式反饋給駕駛員,以便于駕駛員做出相應(yīng)的決定。
充電時(shí),充電系統(tǒng)信息包括實(shí)時(shí)充電電流、動(dòng)力電池總電壓、充電剩余時(shí)間或充電結(jié)束時(shí)間、動(dòng)力電池剩余電量、充電功率及充電電能等。對(duì)于用戶來說,充電是否正常、何時(shí)完成充電及動(dòng)力電池當(dāng)前電量是其最關(guān)心的參數(shù),應(yīng)當(dāng)予以明顯顯示;而充電電流、電池電壓、充電功率以及充入電能等參數(shù)并非必要信息,可以不予以顯示或者當(dāng)用戶有了解需求時(shí)再予以顯示。而因某些原因造成的延時(shí)充電則應(yīng)和正常充電區(qū)分開,避免用戶誤解。
汽車行駛時(shí),駕駛員需要得知?jiǎng)恿偝傻墓ぷ鳡顟B(tài),以此為依據(jù)進(jìn)行駕駛,或者按照自己的駕駛習(xí)慣選擇駕駛模式。
與傳統(tǒng)汽車不同的是,以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的增程式混合動(dòng)力汽車并不存在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高的情況,因此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以選擇性地隱藏。由于發(fā)動(dòng)機(jī)受到整車控制器控制,其控制依據(jù)由汽車狀態(tài)、加速踏板及工作模式等共同決定,因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也可以選擇性地隱藏。
在冷卻系統(tǒng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、電機(jī)及其電力電子器件的溫度都影響著汽車的駕駛性,汽車應(yīng)該能提供給駕駛員各零部件的溫度,或者在其溫度異常時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警。
行駛過程中,汽車應(yīng)該允許駕駛員根據(jù)需要選擇以純電動(dòng)模式或者混動(dòng)模式行駛,以滿足動(dòng)力性或者經(jīng)濟(jì)性需求。而在行駛時(shí),根據(jù)駕駛員的操作,汽車可以告知駕駛員駕駛方式是否滿足經(jīng)濟(jì)駕駛的要求,這可以通過顯示能量流向、顯示電池充放電狀態(tài)以及直接提示是否為經(jīng)濟(jì)駕駛的方式來實(shí)現(xiàn)。
汽車在低速行駛時(shí),出于對(duì)車外行人的安全考慮,應(yīng)該在發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生提示音,以警示行人汽車正在接近。此處設(shè)計(jì)可以選擇以第2個(gè)喇叭的形式,即由駕駛員控制是否產(chǎn)生噪聲;或者選擇在汽車啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生。噪聲的形式目前并無(wú)硬性規(guī)定,市場(chǎng)上出現(xiàn)的產(chǎn)品一般以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的居多。
汽車在充電時(shí),由駕駛員需求、地面充電系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)及電池狀態(tài)共同決定是否充電以及何時(shí)完成充電。據(jù)此要求,汽車應(yīng)將相關(guān)信息顯示出來,包括正常充電指示、異常充電指示、充電所需時(shí)間或充電完成時(shí)間等,而充電電流、充電電壓及充電功率等專業(yè)性較強(qiáng)的信息可以通過比較模糊的方式顯示或不予顯示。
增程式混合動(dòng)力車具有汽車零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及電力電子器件多的特點(diǎn),某一處零件出現(xiàn)故障可能不會(huì)使汽車立即熄火,但是需要進(jìn)行檢測(cè)維修。汽車在出現(xiàn)異常情況時(shí),應(yīng)該先進(jìn)行預(yù)警,通知駕駛員及時(shí)聯(lián)系專業(yè)維修人員進(jìn)行檢修,只有在非常極端的情況才切斷整車動(dòng)力系統(tǒng)的回路,以保證汽車和乘員安全。
汽車人車信息交互系統(tǒng)研究已久,顯示內(nèi)容及控制方式已經(jīng)約定俗成,各大主機(jī)廠雖然有各自的內(nèi)飾風(fēng)格,但歸其根本,傳遞給駕駛員的信息都比較類似。然而新能源車人車信息交互系統(tǒng)發(fā)展還不成熟,過度沿用傳統(tǒng)汽車儀表會(huì)造成顯示信息不全或者冗余信息量過大,而過度依賴觸摸屏則會(huì)在客觀上加大用戶的操作難度。將汽車的信息適當(dāng)?shù)貍鬟f給駕駛員,并讓駕駛員在最大程度上與汽車互動(dòng),發(fā)揮汽車的最大作用,研發(fā)過程既要注重汽車美觀,又要使汽車的駕駛易于操作,這些是新能源汽車人車信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。