混合動力汽車路試數(shù)據(jù)分析及運(yùn)用研究

林 松

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

在全世界能源消耗日益增加和CO2逐年增多而引起全球變暖的環(huán)境下，混合動力汽車愈發(fā)成為各大汽車制造商的新寵，尤其在減少含有有毒氣體、含氮氧化物、二氧化碳的汽車尾氣排放方面，更是符合國際及國內(nèi)低碳出行的環(huán)保理念[1]。

混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle，簡稱HEV)是指以汽油發(fā)動機(jī)和以電機(jī)為主要驅(qū)動力的混合動力系統(tǒng)。在全混合動力系統(tǒng)中驅(qū)動車輛的兩種動力源中電機(jī)功率的比例也更大，電機(jī)功率接近內(nèi)燃機(jī)功率，所以電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)都可以獨(dú)立驅(qū)動車輛[2]。在低速、車輛起步和倒車等情況下，車輛可以純電動行駛，避免內(nèi)燃機(jī)高油耗的工作區(qū)間；同時具備制動能量回收的功能[3]。與純電動汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比較而言，混合動力電動汽車具有低油耗、低排放的較多優(yōu)勢。

目前我國國內(nèi)主要使用的混合動力汽車主要以第二代普銳斯Prius汽車為代表，其搭載的THSⅡ(第二代混聯(lián)式混合動力系統(tǒng))，集合了各式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢：(1)發(fā)動機(jī)和電動機(jī)可根據(jù)行駛狀況共同驅(qū)動或分開單獨(dú)使用；(2)停駛時自動停止發(fā)動機(jī)，減少能量浪費(fèi)；(3)更有效地控制發(fā)動機(jī)和電動機(jī)，加速反應(yīng)快捷而順暢[4]。THSⅡ(第二代混聯(lián)式混合動力系統(tǒng))主要總成全部由豐田汽車公司自主開發(fā)。通過對電源系統(tǒng)、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、電池組等的革新，全面提升了系統(tǒng)性能[5]。系統(tǒng)構(gòu)成包括：兩個動力源(采用高膨脹比循環(huán)的高效汽油發(fā)動機(jī)和輸出功率提升至1.5倍的永磁式交流同步電動機(jī))及其驅(qū)動馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、內(nèi)置動力分離裝置的混合動力用變速箱、混合動力用高性能鎳氫電池組、動力控制總成。THSⅡ(第二代混聯(lián)式混合動力系統(tǒng))的工作狀態(tài)與人們所熟悉的將汽油發(fā)動機(jī)作為動力提供裝置的普通汽車不同，普銳斯的動力有兩部分組成，除了發(fā)動機(jī)外還多出了電動機(jī)(永磁式同步交流電動機(jī))和混合動力車專用蓄電池(密封鎳氫電池)，這樣蓄電池的電力也可以為車輛提供部分動力，達(dá)到節(jié)省燃油的目的。

隨著混合動力汽車的日趨普及，由于其系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，維修成本較高[6]，因此，如何在日常維護(hù)保養(yǎng)中優(yōu)化方案及快速定位排查處理故障等方面成了混合動力汽車發(fā)展路上的又一難題。本文以第二代普銳斯混合動力汽車為例，對其開展道路測試，并采集各種工況下引擎轉(zhuǎn)速、加速程度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩、額定功率、負(fù)載狀態(tài)、動力電壓、動力電流等數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并繪制列線圖，從而得出正常工況下混合動力汽車標(biāo)準(zhǔn)列線圖，為混合動力汽車優(yōu)化日常維護(hù)保養(yǎng)方案及快速定位排查處理故障提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，提高了產(chǎn)品使用的耐久性。

1 路試準(zhǔn)備

本文基于廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系校內(nèi)汽車綜合實(shí)訓(xùn)基地，以第二代普銳斯汽車為例，進(jìn)行正常工況下道路測試，采集引擎轉(zhuǎn)速、加速程度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩、額定功率、負(fù)載狀態(tài)、動力電壓、動力電流等數(shù)據(jù)，并繪制標(biāo)準(zhǔn)列線圖。

廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系汽車綜合實(shí)訓(xùn)基地是中央財政支持建設(shè)的國家級示范性實(shí)訓(xùn)基地，是廣西示范性高等教育實(shí)訓(xùn)基地。汽車工程系致力于校企合作、工學(xué)結(jié)合辦學(xué)模式的建設(shè)，是目前廣西唯一與豐田汽車公司合作的豐田T-TEP培訓(xùn)學(xué)校，校內(nèi)具備了路試基本條件，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.1 編輯數(shù)據(jù)項(xiàng)目定制列表(表1)

表1 數(shù)據(jù)項(xiàng)目表

1.2 測試工況

根據(jù)下列車輛各狀況的操作程序(見表2)，檢查并分析數(shù)據(jù)，然后繪制列線圖。

表2 測試工況表

2 路試過程數(shù)據(jù)采集分析

道路測試主要以汽車處于停止時、電動機(jī)驅(qū)動時、以不同定速行駛時、在不同負(fù)載下行駛時、進(jìn)行再生制動時、倒擋行駛時的工況來進(jìn)行測試。

2.1 停止時(N位置、P位置)

(1)將檔位切換至N或P并運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)。

(2)換檔桿置于N或P位置時，收集數(shù)據(jù)(見表3)。

表3 數(shù)據(jù)采集(停止時)表

(3)繪制列線圖(見圖1)。

圖1 MG1和MG2列線圖(停止時)

從圖1得出：MG1轉(zhuǎn)速下降，扭矩增加，MG2轉(zhuǎn)速呈上升趨勢。發(fā)動機(jī)動力用于運(yùn)轉(zhuǎn)MG1，從而產(chǎn)生電能并對HV蓄電池進(jìn)行充電。

2.2 電動機(jī)驅(qū)動時

(1)以恒定的30%加速踏板開度，采用電動機(jī)驅(qū)動車輛(15 km/h)，直到發(fā)動機(jī)啟動。

(2)發(fā)動機(jī)啟動且電動機(jī)驅(qū)動車速為15 km/h時收集的數(shù)據(jù)見表4。

表4 數(shù)據(jù)采集表(電動機(jī)驅(qū)動時)

(3)繪制列線圖(見圖2)。

圖2 MG1和MG2列線圖(電動機(jī)驅(qū)動時)

從圖2得出：車輛起步時，由MG2驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。由于發(fā)動機(jī)停止，隨著齒圈的轉(zhuǎn)動，MG1怠速并沿負(fù)(-)向轉(zhuǎn)動(MG1的扭矩為0)；當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，MG1的轉(zhuǎn)速呈上升趨勢。

2.3 以不同定速行駛時

(1)分別以40 km/h、60 km/h和80 km/h的定速運(yùn)行車輛。

(2)在不同定速時收集數(shù)據(jù)(見表5)。

表5 數(shù)據(jù)采集表(以不同定速行駛時)

(3)繪制列線圖(見圖3)。

圖3 MG1和MG2列線圖(以不同定速行駛時)

從圖3得出：車速越高，MG2的扭矩越大；MG1的轉(zhuǎn)速變化不明顯。

2.4 在不同負(fù)載下行駛時

(1)在不同負(fù)載下，以如下車速運(yùn)行車輛。

車速：40 km/h、60 km/h、80 km/h；

加速踏板開度：40%(輕載)、60%(中載)、100%(滿載)。

(2)在不同車速和不同負(fù)載時收集數(shù)據(jù)。

加速踏板開度為60%時，收集SOC40%和60%時的數(shù)據(jù)(見表6～8)。

(3)繪制列線圖(見圖4～6)。

表6 數(shù)據(jù)采集表(在不同載荷下以40 km/h行駛時)

圖4 MG1和MG2列線圖(在不同載荷下以40 km/h行駛時)

從圖4得出：負(fù)載越大，MG1的轉(zhuǎn)速也越大；MG2的扭矩變化不明顯。

輕載時，MG1轉(zhuǎn)速約為3 000 rpm，MG2的扭矩約為3 000 Nm。

表7 數(shù)據(jù)采集表(在不同載荷下以60 km/h行駛時)

圖5 MG1和MG2列線圖(在不同載荷下以60 km/h行駛時)

從圖5得出：負(fù)載越大，MG1的轉(zhuǎn)速也越大；MG2的扭矩變化不明顯。

輕載時，MG1轉(zhuǎn)速約為2 700 rpm，MG2的扭矩約為4 500 Nm。

表8 數(shù)據(jù)采集表(在不同載荷下以80 km/h行駛時)

圖6 MG1和MG2列線圖(在不同載荷下以80 km/h行駛時)

從圖6得出：負(fù)載越大，MG1的轉(zhuǎn)速也越大；MG2的扭矩變化不明顯。

輕載時，MG1轉(zhuǎn)速約為700 rpm，MG2的扭矩約為6 000 Nm。驅(qū)動輪的動力主要由MG2提供。

2.5 進(jìn)行再生制動時

(1)車速為80 km/h時，開始施加制動直到踩下踏板約一半。

(2)車速為60 km/h、40 km/h和20 km/h時收集數(shù)據(jù)見表9。

表9 數(shù)據(jù)采集表(再生制動時)

(3)繪制列線圖(見圖7)。

圖7 MG1和MG2列線圖(再生制動時)

從圖7得出：MG2通過驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動并作為發(fā)電機(jī)對HV蓄電池再充電。通過電子控制制動系統(tǒng)和協(xié)同控制確定能量回收量。

2.6 倒擋行駛時

(1)以<10 km/h的車速倒檔行駛車輛。

(2)以<10 km/h的車速倒檔行駛車輛時收集數(shù)據(jù)見表10。

(3)繪制列線圖(見圖8)。

表10 數(shù)據(jù)采集表(倒擋行駛時)

圖8 MG1和MG2列線圖(倒擋行駛時)

從圖8得出：將HV蓄電池的電能提供給MG2，使其按與車輛向前行駛時相反的方向轉(zhuǎn)動，從而進(jìn)行倒車。此時，發(fā)動機(jī)仍然停止，且MG1旋轉(zhuǎn)但不發(fā)電。SOC低時，發(fā)動機(jī)起動，將MG1產(chǎn)生的電能提供給MG2，從而使車輛倒車。

3 結(jié)語

本文是基于廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系校內(nèi)汽車綜合實(shí)訓(xùn)基地，以第二代普銳斯汽車為例，進(jìn)行正常工況下道路測試，通過采集引擎轉(zhuǎn)速、加速程度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩、額定功率、負(fù)載狀態(tài)、動力電壓、動力電流等數(shù)據(jù)，并繪制不同工況下MG1和MG2標(biāo)準(zhǔn)列線圖，為混合動力汽車維修保養(yǎng)及故障判斷分析提供參考數(shù)據(jù)。