高原環(huán)境對混合動力城市客車性能影響的分析*

申江衛(wèi)，顏文勝，邢伯陽，彭勁松，李耀平，葉 明

(1.昆明理工大學交通學院，昆明 650224;2.北京理工大學，北京 100081;3.昆明云內動力股份有限公司，昆明 650224;4.昆明市科學技術局，昆明 650500)

前言

近年來，我國大力推廣節(jié)能環(huán)保的混合動力汽車和純電動汽車等新能源汽車?；旌蟿恿ζ嚨娜加徒洕灾苯佑绊懼涫痉锻茝V的規(guī)模和效果。

傳統(tǒng)汽車燃油經濟性評價方法主要有等速行駛工況法和循環(huán)行駛工況法。等速行駛工況法是用汽車在額定載荷下并以最高擋在水平良好路面上等速行駛100km的燃油消耗量來評價汽車的燃油經濟性。由于等速行駛工況不能全面反映汽車的實際運行情況，特別是城市道路的頻繁減速、加速、不熄火停車和起步換擋等行駛工況與等速行駛工況差異較大，因此需要制定一些典型的循環(huán)行駛工況來模擬汽車的城區(qū)實際運行情況。循環(huán)行駛工況對汽車的速度、加速度、行駛時間和距離等作了詳細的規(guī)定，這種循環(huán)行駛工況包括在多種工況條件下汽車的燃油消耗狀況，包括怠速、加速、換擋、勻速、減速和怠速等行駛工況，因此通常以循環(huán)行駛工況燃油消耗量作為汽車燃油經濟性的評價指標［1－4］。

我國65%以上的地域為高原地區(qū)，混合動力汽車發(fā)動機的燃燒過程受高原地區(qū)大氣壓力和空氣密度的影響，發(fā)動機的動力性、經濟性和排放特性相應改變［5］。本文中針對混合動力城市客車，進行了平原和高原地區(qū)的循環(huán)行駛工況燃油經濟性比對試驗，以分析高原環(huán)境和不同起步方式對混合動力城市客車燃油經濟性的影響，同時對試驗過程中的能量變化進行了分析研究。

1 試驗樣車與試驗方法

1.1 試驗環(huán)境

平原地區(qū)循環(huán)行駛工況試驗地點的海拔高度70m，大氣壓力100kPa，相對濕度60% ～70%，氣溫18～21℃，風速不大于3m/s。

高原地區(qū)循環(huán)行駛工況試驗地點的海拔高度1 891m，大氣壓力81kPa，相對濕度50% ～60%，氣溫18～20℃，風速不大于3m/s。

1.2 試驗樣車

試驗車輛為一輛混合動力城市客車，其主要結構和性能參數如表1所示。

表1 混合動力城市客車主要結構和性能參數

1.3 試驗方法

混合動力城市客車模擬城市公交路段試驗，在60%負載條件下進行循環(huán)行駛工況試驗，平原地區(qū)和高原地區(qū)試驗的加載質量皆為3 362kg，試驗車輛總質量皆為15 268kg。采用測量質量的方法計算每循環(huán)燃油消耗量，并對車輛每循環(huán)行駛工況設定起步條件，試驗過程中從CAN總線采集發(fā)動機、電機和電池的運行參數變化情況。循環(huán)道路行駛工況試驗路段的設置如圖1所示。

圖1中A為循環(huán)行駛工況試驗的起點，E為中點，I為終點，AB長170m，BC長30m，CD 長300m，DE長70m，EF長170m，F(xiàn)G長30m，GH 長300m，HI長70m，全長1140m。混合動力城市客車確定起步方式后從起點A起步，迅速加速至20km/h穩(wěn)速行駛，到B點緩慢制動至5～10km/h后空擋滑行，車輛通過C點時迅速連續(xù)起步換擋加速至40km/h穩(wěn)速行駛，到D點時緩慢制動至5～10km/h后空擋滑行，車輛通過E點時迅速連續(xù)起步換擋加速至30km/h穩(wěn)速行駛，到F點時緩慢制動至5～10km/h后空擋滑行，車輛通過G點時迅速連續(xù)起步換擋加速至50km/h穩(wěn)速行駛，到H點時緩慢制動至5～10km/h后空擋滑行，到終點I時停車熄火，完成一次循環(huán)行駛工況試驗［6］。

分別在平原和高原地區(qū)采用相同試驗條件進行了14次循環(huán)行駛工況試驗(其中純電動模式驅動起步6次，1擋起步4次，2擋起步4次)，每完成一次循環(huán)測量燃油消耗量。

2 試驗結果與分析

2.1 經濟性分析

2.1.1 高原環(huán)境對混合動力城市客車燃油經濟性影響的分析

圖2為平原與高原地區(qū)14次循環(huán)行駛工況試驗每循環(huán)燃油消耗量的對比圖。

試驗結果表明:該混合動力城市客車在平原地區(qū)循環(huán)行駛工況試驗中平均每循環(huán)燃油消耗量為306.14g，在高原地區(qū)循環(huán)行駛工況試驗中平均每循環(huán)燃油消耗量為323.36g，較平原地區(qū)平均每循環(huán)耗油量增加5.62%，表明高原環(huán)境導致該混合動力城市客車經濟性下降。

綜合分析認為:該混合動力城市客車采用純電動模式驅動起步、1擋起步和2擋起步時，發(fā)動機均處于工作狀態(tài)，隨著海拔高度的增加，大氣壓力明顯降低，吸入發(fā)動機氣缸內的空氣密度減少，含氧量下降，對燃燒產生不利影響，因此混合動力汽車在高原地區(qū)運行時，整車燃油經濟性相對變差，燃油消耗率上升。

2.1.2 電機助力能量與起步方式對混合動力城市客車燃油經濟性影響的分析

對比研究不同起步方式對整車燃油經濟性的影響，改善混合動力汽車駕駛習慣，有利于最大限度地發(fā)揮混合動力汽車的節(jié)油潛力。

圖3和圖4分別為平原地區(qū)和高原地區(qū)不同起步方式對每循環(huán)電機助力能量與燃油消耗量的影響關系，其中:1－3，12－14為純電驅動起步;4－7為1擋起步;8－11為2擋起步。

試驗結果表明:(1)在平原地區(qū)和高原地區(qū)，電機助力能量對每循環(huán)燃油消耗量均有較大影響，每循環(huán)燃油消耗量和電機助力能量朝相反的方向變化，電機助力能量越高，耗油量越低;(2)在電機助力能量變化較大的情況下，起步方式對該混合動力城市客車燃油經濟性的影響未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，在電機助力能量基本相同的情況下，純電模式驅動起步時，每循環(huán)燃油消耗量略優(yōu)于1擋起步和2擋起步，1擋起步和2擋起步時的每循環(huán)燃油消耗量則基本持平。

綜合分析認為:(1)由于混合動力汽車主要依靠發(fā)動機和電機助力驅動車輛前進，電機助力能量越多，則發(fā)動機的經濟性相應得到改善，因此每循環(huán)電機助力能量對燃油消耗量產生明顯的影響;(2)在循環(huán)行駛工況試驗中，純電驅動起步方式較混合動力驅動起步方式的燃油消耗具有一定的改善作用，但影響較小，主要與純電驅動起步在整個行駛工況中所占比例較少有關，要提高循環(huán)行駛工況的燃油經濟性，優(yōu)化車載動力電池容量、合理的制動方法以及選擇城市道路頻繁起停復雜工況路線等適應性研究尤為重要。

2.1.3 不同起步方式各參數運行狀態(tài)分析

圖5和圖6分別為該混合動力城市客車純電驅動起步和混合動力驅動起步過程中加速踏板、車速、發(fā)動機轉速和電池助力能量等參數的變化。

從圖中可以看出:(1)純電驅動起步時，發(fā)動機處于怠速工作狀態(tài)，不提供動力輸出，完全靠動力電池提供能量驅動車輛起步，車輛速度達到20km/h后，緩慢踩下制動踏板，能量得到一定回收，當車輛第2次加速至40km/h期間，動力電池能量已明顯不足，電池放電深度值達到約200W·h，主要由發(fā)動機提供車輛的動力輸出;(2)混合動力驅動起步時，發(fā)動機與電機同時提供動力輸出，車輛從20加速至40km/h期間，動力電池能量輸出小于純電驅動起步方式，電池放電深度達到170W·h左右，表明要保持同樣的車速和時間需要更多的燃油消耗。

對上述綜合分析認為:(1)純電驅動起步方式，完全由動力電池深度放電驅動汽車加速至20km/h，發(fā)動機處于怠速工作狀態(tài)，仍有一定的燃油消耗，但可達到部分負荷減小油耗的目的;(2)混合動力驅動起步方式，整個運行過程主要由發(fā)動機在較高轉速下輸出動力，驅動電機主要以助力的形式輸出動力，因此燃油消耗相對較高;(3)超級電容的充電響應特性較好，制動能量回收具有明顯的效果，但從上述電機助力能量與燃油消耗波動較大的試驗結果表明，車載動力電池容量仍有進一步優(yōu)化的潛力。

2.2 能量分析

電機助力與制動回收能量是混合動力汽車提升節(jié)油率的重要方式，循環(huán)行駛工況試驗中動力電池的起始SOC值對電機助力能量有著重要的影響。

圖7和圖8分別為平原地區(qū)和高原地區(qū)循環(huán)行駛工況試驗中不同起步方式下的每循環(huán)電機助力能量、制動回收能量與動力電池起始SOC值，由圖可見:(1)平原地區(qū)14次循環(huán)行駛工況試驗中的平均每循環(huán)制動回收能量為287.58W·h，每循環(huán)制動回收能量波動較小，平均每循環(huán)電機助力能量為246.27W·h，小于平均每循環(huán)制動回收能量;(2)高原地區(qū)14次循環(huán)行駛工況試驗中平均每循環(huán)制動回收能量為288.43W·h，與平原地區(qū)平均每循環(huán)制動回收能量基本持平，每循環(huán)行駛工況制動回收能量波動較小，平均每循環(huán)電機助力能量為245.7W·h，與平原地區(qū)平均每循環(huán)電機助力能量基本相同，小于平均每循環(huán)制動回收能量;(3)每循環(huán)行駛工況試驗電機助力能量波動較大，主要受每循環(huán)電池起始SOC值的影響，電池起始SOC值越高，則每循環(huán)電機助力能量越大，反之則越小。

綜合分析認為:(1)制動回收能量在控制策略、回收效率和外界條件一致的情況下，基本不受高原環(huán)境的影響，主要受車輛行駛條件及駕駛員操作方式的影響［7］，循環(huán)行駛工況試驗對車輛行駛過程進行了嚴格的規(guī)定，在試驗條件基本相同的情況下，每循環(huán)制動回收能量沒有明顯波動;(2)由于行駛控制條件及駕駛員操作方式的差異，每循環(huán)行駛工況試驗開始時，動力電池存儲的能量不盡相同，導致每循環(huán)電機助力能量波動較大，主要受電池起始SOC值的影響，與電池的起始SOC值呈正比例關系;(3)無論在平原地區(qū)還是高原地區(qū)，平均每循環(huán)制動回收能量都大于平均每循環(huán)電機助力能量，表明在控制策略、能量轉化效率和動力電池容量方面有進一步優(yōu)化的潛力。

3 結論

(1)對該混合動力客車動力總成的轉矩輸出進行優(yōu)化分配，使發(fā)動機和電機更好地協(xié)調工作，保證發(fā)動機始終運行在最佳工作區(qū)域，可適當改善該混合動力客車的燃油經濟性。

(2)高原地區(qū)混合動力汽車推廣應以強混合型為主，以降低高原環(huán)境對發(fā)動機工作過程的影響，改善高原地區(qū)混合動力汽車運行的經濟性與動力性。

(3)城區(qū)內運行應選擇車載動力電池容量較大的混合動力客車，增加純電驅動運行時間，同時優(yōu)化車輛快速起動過程以及減速斷油過程控制策略，可顯著提高混合動力汽車頻繁啟停工況運行時的燃油經濟性。

(4)研究探索混合動力客車最合理的制動方式，提高能量回收效率，同時在電池允許的前提下，適當提高電池SOC預定高值，減少制動回收能量的浪費，提高制動回收能量的使用效率，對改善混合動力客車的燃油經濟性具有明顯的作用。

［1］廖祥兵，戴啟清，胡小平，等.汽車不同行駛模式下的經濟性模擬計算［J］.內燃機學報，2003，24(1):62 －64.

［2］陳龍.混合動力電動汽車動力性與經濟性分析［D］.武漢:武漢理工大學，2008.

［3］李孟良，朱西產，張建偉，等.典型城市車輛行駛工況構成的研究［J］.汽車工程，2003，25(5):557 －560.

［4］李燁.城市道路的燃油經濟性分析［J］.機械管理開發(fā)，2006(6):116－117.

［5］顏文勝，申立中，雷基林，等.不同大氣壓力和乙醇/柴油混合摻比對柴油機性能和排放的影響［J］.內燃機學報，2007，25(6):539－544.

［6］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會.GB/T 19754—2005重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2005.

［7］唐鵬.電動汽車制動能量回收的分析與研究［D］.安徽:合肥工業(yè)大學，2007.