節(jié)能車整體優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

齊芳

武漢華夏理工學(xué)院汽車工程學(xué)院 湖北省武漢市 430223

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活代步工具，給人們帶來生活便利的同時(shí)，也引發(fā)了一系列嚴(yán)峻的環(huán)境問題以及急需解決的能源緊缺問題。目前，環(huán)境和能源問題已經(jīng)成為世界各國(guó)發(fā)展中面對(duì)的難題?；谶@種背景下，如何提高全社會(huì)的節(jié)能意識(shí)，推動(dòng)全球汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注重點(diǎn)，而開展的Honda中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽，能夠在比賽過程中利用節(jié)能制造技術(shù)以及先進(jìn)理念，能夠?yàn)橹笸晟乒?jié)能汽車制造提供基礎(chǔ)，此外可以讓更多的人關(guān)注到節(jié)能汽車制造的領(lǐng)域中，，Honda中國(guó)節(jié)能汽車大賽是與時(shí)代環(huán)保節(jié)能主題相符合的，讓企業(yè)處于良性循環(huán)的過程中，讓更多人參與進(jìn)來，推廣環(huán)保理念，同時(shí)能夠在理論基礎(chǔ)上發(fā)揮創(chuàng)新力，讓設(shè)計(jì)者從理論拓展到實(shí)踐，在比賽過程中能夠?yàn)槲磥砥嚬?jié)能提供可能性。

1 混合動(dòng)力汽車三大節(jié)能技術(shù)以及相關(guān)研究

混合動(dòng)力系統(tǒng)在目前的研究過程中一些技術(shù)問題，主要涉及汽車控制，發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，充電系統(tǒng)等一些相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車節(jié)能減排需要采取科學(xué)合理的控制措施，在制定控制策略時(shí)需要考慮以下問題：優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)合理的啟動(dòng)停，怠速停機(jī)，安全的電池電壓，電池SOC，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的分布，合理的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線，制動(dòng)能量回收。具體來說，混合動(dòng)力車的節(jié)能是集眾多技術(shù)的研究成果，其具有多種新技術(shù)，同時(shí)也兼具一些傳統(tǒng)的燃油車的技術(shù)，通常能夠使混合動(dòng)力車節(jié)油的技術(shù)主要是制動(dòng)能量回收，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化，怠速停機(jī)。我們從三種節(jié)能方式的節(jié)能潛力入手，致力于找到降低發(fā)動(dòng)機(jī)能源消耗的策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

目前優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)其實(shí)是關(guān)乎整車控制策略，目前并聯(lián)混合動(dòng)力汽車使用功能的策略由五類構(gòu)成，自適應(yīng)；電力輔助；全局優(yōu)化；模糊以及最優(yōu)工作曲線控制策略。其中在并聯(lián)式的混合動(dòng)力汽車匯中常采用的是電力輔助策略，實(shí)際是采取統(tǒng)一的門限值控制，通常也被認(rèn)為是邏輯門限值控制?；谶@種設(shè)計(jì)思路具體是利用汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)能夠有效避免處于低速工況條件下燃油消耗比高的情況，能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油量較低同時(shí)，能夠使汽車的電池SOC值處于理想范圍，基于全局控制的策略是指汽車在行駛過程中優(yōu)化整車行駛工況的工作點(diǎn)，通過設(shè)定約束條件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。全局優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行精量化，以汽車某一工況下的總?cè)加拖淖畹妥顬樽罱K優(yōu)化目標(biāo)，這種策略相比傳統(tǒng)的電力輔助控制策略效果要好。自適應(yīng)控制是在一定條件下能夠進(jìn)行自適應(yīng)的控制策略，對(duì)路況進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別，能夠選擇相適應(yīng)的控制策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳控制。是以發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量最低和排放量最低作為優(yōu)化目標(biāo)，建立函數(shù)，通過優(yōu)化能夠使混合動(dòng)力車的燃油消耗以及所排放的氧化物達(dá)到最小。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的優(yōu)化

從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作曲線上來看，為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)性曲線，在節(jié)能汽車動(dòng)力性能的條件上提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油性能，最佳工作曲線能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，減少汽車的燃油消耗量以及一些汽車尾氣排放量，進(jìn)而提高節(jié)能車的燃油效率。目前的混合動(dòng)力汽車?yán)秒姍C(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于較低燃油量的消耗狀態(tài)，減少燃油量。最佳工作線分別是：最佳動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性工作線，在本次研究的動(dòng)力車中采用的是后者。發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)性工作點(diǎn)是指在等功率和等有效燃油消耗率曲線的切點(diǎn)，具體是指處于該功率位點(diǎn)上發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率最低，而且利用該切點(diǎn)可以獲得某一功率條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以便獲得最佳經(jīng)濟(jì)工作曲線。從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)分布情況上來看，在功率方面，同等功率下應(yīng)當(dāng)確保發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)與最差性能工作點(diǎn)差距縮小，一般來說，發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大，差別越小，但是發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速和高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中燃油量會(huì)急速增加，因此我們需要對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的整體工作點(diǎn)分布情況進(jìn)行觀察，很多工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速，其中處于800到1000轉(zhuǎn)速以內(nèi)，而轉(zhuǎn)矩分布廣泛，工作點(diǎn)在最低燃油消耗率的等油量消耗曲線分布，是密集的，具體來說，在電機(jī)輔助下，現(xiàn)有的混合動(dòng)力多數(shù)工作點(diǎn)在燃油效率較低時(shí)，這種方法能夠避免燃油消耗率較高的工況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。我們從最佳工作性工作曲線作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，通過觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)在等比油耗曲線上的分布，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)與最佳工作性曲線的位置關(guān)系，我們可以發(fā)現(xiàn)，處于不同的檔位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的分布區(qū)域以及密集程度存在較大差異，而且低檔位下發(fā)動(dòng)機(jī)的分布較亂，在最佳經(jīng)濟(jì)工作曲線的上方有，而在高檔位下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)主要集中于最佳經(jīng)濟(jì)性工作曲線上方，整體比較密集。在最佳經(jīng)濟(jì)工作曲線位點(diǎn)較少。

3 怠速停機(jī)

當(dāng)汽車由于某種因素而處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，這種情況被稱為是怠速停機(jī)，在允許汽車運(yùn)行的條件下，為了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，需要根據(jù)車輛的運(yùn)行狀況自動(dòng)化控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠及時(shí)響應(yīng)駕駛員的狀態(tài)，并且要求車輛的油耗低于同等時(shí)間內(nèi)的怠速累計(jì)油耗。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛停止停車便能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，減少有害氣體的排放。博世公司發(fā)明的是啟動(dòng)停系統(tǒng)，能夠增加車輛8%的里程，以及降低二氧化碳排放。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，怠速停機(jī)目前還有不能實(shí)現(xiàn)一秒鐘停機(jī)的目標(biāo)，因此可以通過選擇合適的怠速停機(jī)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)節(jié)油減排的目的。目前在一些人口密集型的大城市，汽車在運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)的時(shí)間會(huì)比重較多，如果能夠有效利用這段時(shí)間的油耗，那么對(duì)于節(jié)油效來說是十分明顯的。我們借助advisor平臺(tái)搭建了模型仿真，針對(duì)不同怠速時(shí)間下的油耗量進(jìn)行深入分析，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市的路況情況，給予這種怠速時(shí)長(zhǎng)下檢測(cè)汽車處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)的的節(jié)油效果，最終發(fā)現(xiàn)處于不同怠速時(shí)長(zhǎng)下的油存在較大差異，其中怠速停機(jī)20秒時(shí)節(jié)油效果最明顯。

4 制動(dòng)能量回收

行駛工況可以反映某個(gè)區(qū)域內(nèi)的路況，給節(jié)能車輛整車控制策略提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)節(jié)能車經(jīng)濟(jì)性做出客觀評(píng)價(jià)，在研究節(jié)能汽車制動(dòng)回收能量的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)汽車的行駛狀況和路況變化，分析節(jié)能汽車的綜合情況。同時(shí)，在基于現(xiàn)有的路況下混合動(dòng)力車制動(dòng)能量和實(shí)際回收的能量會(huì)隨著時(shí)間而積累，可以根據(jù)最大制動(dòng)能量回收目標(biāo)作為分析節(jié)能汽車在制動(dòng)能量回收的潛力。汽車是整體存在的，將這些能量用于去弄時(shí)，不僅考慮到制動(dòng)能量回收問題，同時(shí)還得考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，怠速停機(jī)以及電池SOC的變化，經(jīng)過充電放電系統(tǒng)耗損等，電動(dòng)機(jī)能量也會(huì)受到損失，包括電池電動(dòng)損耗，以及電池充電損耗等。由于不同路況條件下汽車的可回收制動(dòng)能量分布是不均勻的，因此需要考慮可回收制動(dòng)能量以及處于一定轉(zhuǎn)速條件下，汽車電機(jī)的充電效率，進(jìn)而能夠獲得最佳的制動(dòng)回收能量。因此，在保持原有硬件配置條件下，需要優(yōu)化制動(dòng)能量回收策略，忽略坡度對(duì)于制動(dòng)能量回收的影響，假設(shè)仿真系統(tǒng)的效率為百分之百，當(dāng)汽車滑行減速低于自動(dòng)減速時(shí)，我們認(rèn)為此事駕駛員具有制動(dòng)意圖，可以允許制動(dòng)能量被回收。電機(jī)的充電鈕距不應(yīng)超過額定扭距的75%，當(dāng)電池SOC超過80%?；厥罩苿?dòng)能量當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以提供足夠的整車制動(dòng)力計(jì)時(shí)，要先由電機(jī)來提供汽車的制動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，如果電機(jī)供應(yīng)不足時(shí)，需要由摩擦力來補(bǔ)充，綜合考慮電機(jī)的可回收制動(dòng)能量以及處于不同轉(zhuǎn)速條件下電機(jī)的充電效率，我們將回收到最大制動(dòng)能量作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而修正電機(jī)的再生制動(dòng)扭距，機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)來提供額外的制動(dòng)力。通過優(yōu)化之后，車輛行駛過程中回收的能量明顯增加，能夠使同等油耗的車輛增加18%的行駛里程，達(dá)到良好的節(jié)油效果，同時(shí)，電池整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說明優(yōu)化后的制動(dòng)能量回收策略能夠給電池提供足夠的電量。通過觀察控制策略優(yōu)化之后電機(jī)隨時(shí)間的變化情況，能夠發(fā)現(xiàn)電機(jī)機(jī)有電動(dòng)過程，有充電過程，之后的電機(jī)功率充電功率以及回收能夠相比優(yōu)化前增加很多，在多數(shù)情況下，我們可以增加電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)的充電效率，以便能夠改善汽車的節(jié)能效果。

5 結(jié)語

節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)成為當(dāng)前是汽車行業(yè)研究重點(diǎn)，而節(jié)能車是從傳統(tǒng)普通內(nèi)燃機(jī)到零排放的電動(dòng)機(jī)過渡的典型產(chǎn)品，我們從三個(gè)角度分析了節(jié)能車的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)汽車的制動(dòng)能量回收在節(jié)油方面具有較大優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過優(yōu)化控制策略后，對(duì)于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)回收能量占據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出總能量的18%，從一定程度上來說節(jié)能效果較好，同時(shí)提升制動(dòng)能量回收，能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)為汽車電池充電的時(shí)間，也對(duì)節(jié)能汽車節(jié)能提供幫助。