基于功率損失模型的混合動力系統(tǒng)能耗分析*

曾小華，楊南南，宋大鳳，肖利軍，巴特

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130025;2.重慶科鑫三佳車輛技術(shù)有限公司，重慶400714)

基于功率損失模型的混合動力系統(tǒng)能耗分析*

曾小華1，楊南南1，宋大鳳1，肖利軍2，巴特1

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130025;2.重慶科鑫三佳車輛技術(shù)有限公司，重慶400714)

本文中根據(jù)兩款典型混合動力系統(tǒng)(并聯(lián)構(gòu)型和行星構(gòu)型)中不同工作區(qū)間的能量損失情況，建立了系統(tǒng)的平均功率損失模型，對兩種系統(tǒng)的能耗進(jìn)行深入的定量分析。整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果和功率損失分析結(jié)論驗證了所提出方法的合理性。

混合動力汽車;能耗分析;功率損失

前言

近年來，國內(nèi)外混合動力車，包括插電式混合動力汽車快速發(fā)展，市場上開始出現(xiàn)各類混合動力構(gòu)型。其中，采用行星齒輪作為動力耦合裝置的豐田混合動力系統(tǒng)最具代表性，截止2017年2月，其全球累計銷量超過1 000萬輛，且近年來平均每10個月增長100多萬輛。另外，采用變速器配備單電機(jī)或雙電機(jī)的混合動力系統(tǒng)，因其對傳統(tǒng)車改動較小，在市場上，尤其是客車領(lǐng)域也具有良好應(yīng)用前景。

當(dāng)前針對各類混合動力系統(tǒng)的研究，主要集中在構(gòu)型分析［1］、參數(shù)匹配［2－3］和控制策略［4］等方面。也有研究針對市場上主流混合動力系統(tǒng)構(gòu)型的節(jié)油潛力進(jìn)行對比分析。文獻(xiàn)［5］中基于系統(tǒng)排放和油電價格對比分析了普銳斯和卡羅拉混合動力車的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［6］中提出一種用于修正計算混合動力油耗的解析方法，該方法能有效考慮非線性的系統(tǒng)能量流和部件效率特性，因此能保證較好的修正效果。文獻(xiàn)［7］中基于法規(guī)推薦的等效油耗計算方法，對影響并聯(lián)混合動力客車油耗的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。另外，在控制策略的研究中，為分析所提出策略的合理性，往往也涉及對油耗預(yù)測結(jié)果的分析［8］?？梢?，當(dāng)前對混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，多是基于仿真或?qū)嶒灲Y(jié)果，對整體油耗和電耗進(jìn)行比較，說明新系統(tǒng)或新方法帶來的節(jié)油效果。這樣的對比分析只能從宏觀角度說明系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，缺乏針對細(xì)節(jié)的分析和探討。然而，更加細(xì)化的油耗分析無論在早期開發(fā)還是后期優(yōu)化都具有重要意義。首先，在系統(tǒng)開發(fā)的前期方案論證階段，定量的油耗分析和細(xì)化的能耗損失分析既能輔助證明宏觀油耗結(jié)果的合理性，又能揭示系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)理，幫助開發(fā)者深入了解所開發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)缺點。另外，在實車控制系統(tǒng)開發(fā)和標(biāo)定階段，上述分析方法也有助于為研發(fā)和標(biāo)定人員指明系統(tǒng)優(yōu)化方向，為進(jìn)一步提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。

綜上所述，針對混合動力汽車，一種具有通用性的細(xì)化能耗分析方法，在研發(fā)設(shè)計的各個階段都具有重要意義。因此，本文中基于仿真結(jié)果建立混合動力系統(tǒng)的能量損失定量分析模型，通過對各模式的能量損失進(jìn)行深入分析，提出一種定量的系統(tǒng)效率評價方法。

1 基于工況的能耗分析方法

混合動力系統(tǒng)節(jié)能的基本途徑已被廣泛認(rèn)可，包括選用小發(fā)動機(jī)、優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作區(qū)間、消除怠速和再生制動4個方面。首先，消除怠速功能在混動系統(tǒng)中已被廣泛實現(xiàn)，在行駛工況相同的條件下，各系統(tǒng)構(gòu)型在消除怠速方面實現(xiàn)的節(jié)油效果相同。第二，再生制動回收的能量，可通過仿真中電池能量的變化統(tǒng)計得到，針對純電動汽車，再生制動對總節(jié)能效果的貢獻(xiàn)度相對容易評價［9］，但由于混動系統(tǒng)涉及油電轉(zhuǎn)化，再生制動的節(jié)能貢獻(xiàn)度尚難以評價。第三，選用小發(fā)動機(jī)是通過提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷率來實現(xiàn)節(jié)油效果，因此在系統(tǒng)構(gòu)型確定后，其節(jié)能效果被轉(zhuǎn)化為優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作區(qū)間帶來的節(jié)能效果。

然而，無論是行星式混合動力系統(tǒng)還是并聯(lián)系統(tǒng)，在優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作點的同時，都會帶來額外的能量轉(zhuǎn)換損失。行星構(gòu)型的電路上存在能量二次轉(zhuǎn)換，而并聯(lián)構(gòu)型在調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點的同時也會因為機(jī)械能和電池電能的轉(zhuǎn)換帶來額外損失?？梢?，發(fā)動機(jī)工作區(qū)間優(yōu)化所帶來的節(jié)油效果和能量轉(zhuǎn)換帶來的損失始終是動態(tài)關(guān)聯(lián)的，因此，在分析油耗時，應(yīng)綜合考慮發(fā)動機(jī)效率、機(jī)械效率和電路效率，而非僅僅考慮發(fā)動機(jī)的優(yōu)化效果，這給混合動力系統(tǒng)的細(xì)節(jié)能耗分析帶來了很大困難。

據(jù)此，本文中首先建立通用的混合動力系統(tǒng)能量損失模型，再考慮工作時間因素將其轉(zhuǎn)化為平均損失功率模型。平均損失功率可間接表示系統(tǒng)在不同工作模式或不同工作區(qū)間內(nèi)的工作效率。另外，由于能耗是功率在時間上的累積，本文中將時間因素轉(zhuǎn)化為不同模式的權(quán)重因子，表征具體模式的效率對系統(tǒng)綜合效率影響的比重。因此，結(jié)合平均損失功率和時間權(quán)重兩個概念，本文中提出了一種新型的系統(tǒng)效率分析方法，以便于對混合動力系統(tǒng)的能耗進(jìn)行細(xì)化分析。

1.1 系統(tǒng)能量損失模型

首先，在相同的運行工況下，系統(tǒng)的總能量損耗減少，系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性就越好。分析能量的損耗情況即可確定系統(tǒng)的綜合效率。

第二，無論是何種混合動力系統(tǒng)，根據(jù)其發(fā)動機(jī)(停機(jī)、工作)和電池(充電、放電、不工作)的工作情況，都可將驅(qū)動模式分為4種，如表1所示。

表1 混合動力系統(tǒng)工作模式

第三，如前所述，由于當(dāng)前混合動力系統(tǒng)都能實現(xiàn)怠速停機(jī)功能，而本文中所提出的方法主要是對混合動力系統(tǒng)的橫向?qū)Ρ龋虼瞬辉倏疾煜∷俚墓?jié)能貢獻(xiàn)。

第四，再生制動會優(yōu)化系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，也相應(yīng)地減小了系統(tǒng)的能量損耗。

根據(jù)以上分析，則混合動力系統(tǒng)的能量損失為

式中:Eloss，EV為純電動模式下的系統(tǒng)能量損失; Eloss，HEV，i為第i個混合動力模式的能量損失，i∈［1，3］，分別對應(yīng)表1中3個發(fā)動機(jī)工作時的模式;Ergb為再生制動回收的能量。

1．2系統(tǒng)平均損失功率模型

由于不同系統(tǒng)的模式切換規(guī)則不同，不同模式的工作時間也就不同，所以，能量損失模型并不能反映系統(tǒng)在不同工作模式下的工作效率?？紤]系統(tǒng)運行時間的影響，將系統(tǒng)的能量損失轉(zhuǎn)化為功率損失:

式中:Ploss，avg為整個系統(tǒng)的平均損失功率;tall為系統(tǒng)的總運行時間;Ploss，EV為純電動模式下的系統(tǒng)平均損失功率;Ploss，HEV，i為第i個混合動力模式下的系統(tǒng)平均損失功率;γEV=tEV/tall，為純電動模式的工作時間比例;γHEV，i=tHEV，i/tall，為第i個混合動力模式下的工作時間比例;Prgb為再生制動能量相對驅(qū)動時間的平均功率，可說明再生制動對驅(qū)動損失的平均貢獻(xiàn)。

可見，利用上述公式，可計算混合動力系統(tǒng)在不同工作模式下的平均損失功率，即不同工作模式的效率和具體工作模式的工作時間比例，即各模式對系統(tǒng)綜合效率的影響權(quán)重，也可說明再生制動的節(jié)能貢獻(xiàn)度。

1．3不同工作區(qū)間的損失功率模型

由于混合動力模式下，系統(tǒng)的損失功率來自發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)(將發(fā)動機(jī)與系統(tǒng)輸出之間的部分視作廣義的傳動系統(tǒng))兩部分。而發(fā)動機(jī)在不同區(qū)間工作時，效率差異也較大。因此，又可將混動模式下的損失功率表示為

式中:Peng，i，k，Ptrans，i，k和γi，k分別表示在第i個混動模式下，發(fā)動機(jī)工作在第k個區(qū)間內(nèi)的發(fā)動機(jī)平均損失功率、傳動系統(tǒng)平均損失功率和該工作區(qū)間的工作時間比例。

可見，經(jīng)過進(jìn)一步的細(xì)化分解，結(jié)合式(2)和式(3)可以分析不同混合動力模式下，發(fā)動機(jī)不同工作區(qū)間內(nèi)的發(fā)動機(jī)效率和傳動系統(tǒng)效率。

在仿真計算中，發(fā)動機(jī)的損失功率可根據(jù)發(fā)動機(jī)工作點及其MAP計算得到:

式中:Pe為發(fā)動機(jī)輸出功率;be為發(fā)動機(jī)燃油消耗率，根據(jù)發(fā)動機(jī)工作點及其MAP查表得到;q為燃油的熱值。

傳動系統(tǒng)的損失功率為

式中:Pout為主減速器的輸出功率;Pbat為電池功率，當(dāng)電池充電時，Pbat＞0，表示發(fā)動機(jī)的輸出能量用于驅(qū)動車輛并給電池充電，當(dāng)電池放電時，Pbat＜0，表示電池和發(fā)動機(jī)共同輸出能量，用于驅(qū)動車輛。

結(jié)合式(4)和式(5)，可計算出全工況中所有驅(qū)動情況下的系統(tǒng)內(nèi)部功率損失。

2 案例分析

利用上述分析方法，對兩種典型混動系統(tǒng)(并聯(lián)系統(tǒng)和行星混聯(lián)系統(tǒng))的節(jié)油效果進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗證分析方法的合理性。

2．1整車參數(shù)

針對相同的整車參數(shù)，分別建立雙電機(jī)加兩擋變速器的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)模型(以下簡稱“并聯(lián)構(gòu)型”，見圖1)和行星排式混合動力系統(tǒng)模型(以下簡稱“行星構(gòu)型”，見圖2)。

圖2 行星構(gòu)型

兩種系統(tǒng)都能實現(xiàn)混動系統(tǒng)的4種節(jié)能途徑。其中，并聯(lián)構(gòu)型可利用兩擋變速器調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并利用電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機(jī)盡可能工作在高效區(qū)間;行星構(gòu)型具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩雙解耦的能力，可將發(fā)動機(jī)控制在最優(yōu)工作曲線上。兩種系統(tǒng)的基本參數(shù)如表2所示。

表2 基本參數(shù)

2．2油耗結(jié)果

在典型城市工況下對兩種系統(tǒng)進(jìn)行仿真，都能良好地實現(xiàn)車速跟隨，滿足典型工況的動力性要求，如圖3所示。

圖3 工況跟隨情況

經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表3所示。

表3 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

2．3細(xì)節(jié)能耗分析

根據(jù)前文所述方法，對兩種系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。首先根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計兩系統(tǒng)的驅(qū)動模式工作時間比例，再對各模式下的平均損失功率進(jìn)行統(tǒng)計計算。

2．3．1各模式工作時間比例

首先統(tǒng)計兩種構(gòu)型各模式的工作時間比例，即計算得到式(2)中的γEV和γHEV，i，如表4所示。

由統(tǒng)計結(jié)果可知，兩種系統(tǒng)都沒有工作在發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動模式下。其中，行星構(gòu)型因為始終有部分發(fā)動機(jī)功率需要流經(jīng)電路才能最終輸出，受到兩電機(jī)效率的影響，很難保證輸入和輸出功率完全相同，故系統(tǒng)中始終存在少量的電池功率(充電或放電)。而并聯(lián)構(gòu)型采用外特性策略，即盡可能地將發(fā)動機(jī)控制在外特性上。當(dāng)需求功率較小時，將對電池充電;當(dāng)需求功率較大時，則需要電池放電，因此也沒有發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動模式。

表4 工作模式分布時間比例%

另外，由于并聯(lián)構(gòu)型長時間運行在驅(qū)動并發(fā)電模式下，其電池被充電至較高SOC狀態(tài)，為保證系統(tǒng)電量平衡，純電動模式的工作時間比例相應(yīng)增大，達(dá)到72%。而行星構(gòu)型的充電情況較少，其純電動模式消耗的電能幾乎全部由再生制動回收得到，因此，行星構(gòu)型的純電動行駛時間比例相對較小。

2．3．2純電動模式平均損失功率

在純電動模式下，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，系統(tǒng)所需的全部功率由電池提供，因此，按照前文的定義方式，純電動模式下僅存在傳動損失，即式(5)中的發(fā)動機(jī)輸出功率始終為0。計算得到純電動模式下的平均損失功率，即式(2)中的Ploss，EV，如表5所示。

表5 純電動模式平均損失功率

將兩種系統(tǒng)在純電動模式下的電機(jī)工作點映射到電機(jī)MAP圖上，如圖4所示。兩種系統(tǒng)的電機(jī)MAP的效率分布較為接近，電機(jī)工作點的分布也較為類似，且采用相同的電池參數(shù)，因此兩種系統(tǒng)在純電動模式下的平均損失功率必然較為接近，可見計算結(jié)果合理。

圖4 電機(jī)工作點分布

2．3．3混合動力模式平均損失功率

根據(jù)式(3)，混動模式下的系統(tǒng)損失功率包括

發(fā)動機(jī)損失Peng，i，k和傳動損失Ptrans，i，k兩部分。首先根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性(如圖5所示)，將發(fā)動機(jī)MAP劃分為不同工作區(qū)間，轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～900，900～1 400，1 400～1 900和1 900～2 500r/min，負(fù)荷率區(qū)間為0～30%，30%～60%和60%～100%。

圖5 發(fā)動機(jī)MAP圖

(1)發(fā)動機(jī)驅(qū)動并發(fā)電模式

針對發(fā)動機(jī)驅(qū)動并發(fā)電模式，統(tǒng)計兩種系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)各個區(qū)間內(nèi)的工作時間比例，如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)各區(qū)間時間比例

并聯(lián)構(gòu)型采用外特性策略，因此所有工作點分布在高負(fù)荷區(qū)間。另外，并聯(lián)構(gòu)型不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速解耦，因此900～2 500r/min的區(qū)間都有工作點分布。行星構(gòu)型采用基于發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線的功率跟隨策略，其工作點分布與發(fā)動機(jī)功率緊密相關(guān)，而該模式下需求功率通常較小，因此行星構(gòu)型的工作點幾乎全部分布在低速、中等負(fù)荷區(qū)間。

兩種系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)平均損失功率如圖7所示。并聯(lián)構(gòu)型的外特性策略在提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷率的同時，也帶來了較高的發(fā)動機(jī)損失功率，在高速、高負(fù)荷區(qū)間內(nèi)尤為明顯。相比之下，行星構(gòu)型將發(fā)動機(jī)控制在中等轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷區(qū)間，發(fā)動機(jī)損失明顯減小。

圖7 發(fā)動機(jī)平均損失功率

兩種構(gòu)型的傳動損失統(tǒng)計如圖8所示。與發(fā)動機(jī)功率損失類似，并聯(lián)構(gòu)型在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速區(qū)間時，傳動系統(tǒng)也有較高的功率損失，而在中低速區(qū)間相對較小。行星構(gòu)型因其功率分流特性，始終存在電功率流，在低速區(qū)間的功率損失較大。

根據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果，將數(shù)據(jù)代入式(3)，可計算出該模式下兩種系統(tǒng)的平均功率損失，見表6?？梢?，雖然行星構(gòu)型在部分區(qū)間的損失功率較高，但由于工作點集中在900～1 400 r/min與30%～60%的區(qū)間，整個模式下的平均損失功率顯著低于并聯(lián)模式。

圖8 傳動系平均損失功率

表6 驅(qū)動并發(fā)電模式的平均損失功率kW

如上所述，較多的發(fā)動機(jī)驅(qū)動并充電模式會帶來更多的純電動模式，而根據(jù)上節(jié)的分析結(jié)果可知，純電動模式的平均功率損失非常小。所以，雖然并聯(lián)構(gòu)型在該模式下的平均功率損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行星構(gòu)型，但不能就此認(rèn)為并聯(lián)構(gòu)型的驅(qū)動并發(fā)電模式會惡化整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)將結(jié)合系統(tǒng)中其他使用電量的模式進(jìn)行綜合判定。

(2)聯(lián)合驅(qū)動模式

方法同上，可統(tǒng)計得到聯(lián)合驅(qū)動模式下，兩種系統(tǒng)的功率損失情況與工作時間的比例，此處不再詳細(xì)分析。兩種系統(tǒng)在該模式下的平均功率損失情況如表7所示。

2．3．4綜合平均損失功率

以上分析計算，已經(jīng)分別得到兩種系統(tǒng)在不同模式下的平均損失功率和工作時間比例。進(jìn)一步，結(jié)合式(2)可算出兩種系統(tǒng)在全工況下的平均損失功率，并聯(lián)構(gòu)型為40．25kW，行星構(gòu)型為38．96kW。綜上可知，外特性策略使并聯(lián)構(gòu)型長時間工作在驅(qū)動并發(fā)電模式下，獲得了更大的純電動行駛比例，大幅降低了驅(qū)動時的平均功率損失。而行星構(gòu)型的純電動行駛比例雖然相對較小，但各模式下的平均功率損失都明顯優(yōu)于并聯(lián)構(gòu)型，從而具有更小的系統(tǒng)平均功率損失。因此，單就驅(qū)動情況而言，在當(dāng)前策略下，行星系統(tǒng)的綜合效率優(yōu)于并聯(lián)構(gòu)型。以上分析也為并聯(lián)構(gòu)型的改進(jìn)提供了基礎(chǔ)，綜合考慮發(fā)電模式和純電動模式的效率，優(yōu)化兩者的比例，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)綜合效率。

表7 聯(lián)合驅(qū)動模式平均損失功率kW

最后，統(tǒng)計兩種系統(tǒng)回收的再生制動能量，計算再生制動的補(bǔ)償功率，即式(2)中的Prgb，最終得到系統(tǒng)的綜合平均損失功率Ploss，avg，如表8所示。

表8 系統(tǒng)綜合平均損失功率統(tǒng)計kW

由于兩種系統(tǒng)的主電機(jī)功率等級相同，僅由于電機(jī)的傳動比不同而導(dǎo)致兩種系統(tǒng)再生制動補(bǔ)償功率略有不同。同時，再生制動將兩種系統(tǒng)的功率損失分別降低了37%和40%，對系統(tǒng)綜合效率的提升具有顯著貢獻(xiàn)。最終，行星構(gòu)型的綜合效率仍優(yōu)于并聯(lián)構(gòu)型，與整車油耗仿真結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文中結(jié)合混合動力系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑，通過建立混合動力系統(tǒng)的能量損失模型，考慮不同模式下、不同工作區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)能量損失情況，最終形成混合動力系統(tǒng)的平均損失功率模型。該模型既可有效說明不同模式的運行效率，也能表征不同模式對系統(tǒng)綜合效率的影響權(quán)重?？梢姡槍旌蟿恿ο到y(tǒng)的細(xì)化能耗特性，該模型提供了一種具有通用性的量化評價方法。

本文中所提出的混合動力系統(tǒng)能耗分析與評價方法，為不同構(gòu)型的對標(biāo)分析提供了量化依據(jù)，也為混合動力系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，有效提升混合動力系統(tǒng)的開發(fā)效率。

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HEV Energy Consumption Analysis Based on Power Loss Model

Zeng Xiaohua1，Yang Nannan1，Song Dafeng1，Xiao Lijun2＆Ba Te1
1．Jilin University，State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Changchun 130025; 2．Chongqing CO-Sunjoy Vehicle Technology Co．，Ltd．，Chongqing 400714

In this paper，based on the energy loss patterns in different working regions of two typical hybrid power systems(parallel configuration and planetary configuration)，an average power loss model is established to conduct an in-depth quantitative analysis on the energy consumption of two systems．The results of vehicle fuel economy simulation and the conclusion of power loss analysis verify the reasonableness of method proposed．

HEV;energy consumption analysis;power loss model

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．004

*國家自然科學(xué)基金(51575112和51675214)、吉林省科技項目(20160519008JH)和吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(2016083)資助。

原稿收到日期為2016年5月31日，修改稿收到日期為2016年8月16日。

宋大鳳，副教授，博士，E-mail:songdf@jlu．edu．cn。