混合動力系統(tǒng)發(fā)動機工況點優(yōu)化的標定實現(xiàn)

馬明霞，桂經(jīng)良，孫立鵬，寧廷會

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

混合動力系統(tǒng)較傳統(tǒng)動力總成系統(tǒng)增加了電機、電池。使發(fā)動機工況點可以在發(fā)動機、電機、電池限制范圍內實現(xiàn)扭矩解耦，優(yōu)化整車經(jīng)濟性［1-2］。下面給出一種以燃油消耗最低為目的的混合動力系統(tǒng)發(fā)動機工況點調整方法。本文以單軸并聯(lián)系統(tǒng)的應用為例介紹，方法可以擴展到滿足電機調節(jié)發(fā)動機工況點的相應系統(tǒng)中。

1 發(fā)動機工況點調整情況分類

單軸并聯(lián)系統(tǒng)結構如圖1所示，在此不介紹變速器換擋的優(yōu)化方法，只介紹利用電機、動力電池對發(fā)動機工況點的調整方法的標定實現(xiàn)。發(fā)動機熱效率［3］在全工作區(qū)間一般是平順變化的，在定轉速、扭矩變化大于某一定值的情況下，存在單位時間油耗量隨功率升高而升高、隨功率降低而降低的趨勢。計算可優(yōu)化范圍內所有離散工況點的等效燃油消耗率，根據(jù)等效燃油消耗率結合零部件動態(tài)路徑，合理優(yōu)化發(fā)動機工況點［4-5］。

圖1 單軸并聯(lián)系統(tǒng)結構

對于單軸并聯(lián)系統(tǒng)［6-8］，發(fā)動機工況點只具有扭矩優(yōu)化維度，扭矩優(yōu)化又分兩種情況：發(fā)電——通過電機發(fā)電提高發(fā)動機負荷；助力——通過電機助力降低發(fā)動機負荷。助力又分為兩種情況：變速器輸入軸需求超過發(fā)動機外特性，電機已經(jīng)助力，為改善發(fā)動機工況點繼續(xù)助力；變速器輸入軸需求沒有超過發(fā)動機外特性，為改善發(fā)動機工況點電機助力。下面對上述情況詳細說明，發(fā)動機初始工況點及改變后工況點相對位置如圖2所示。

2 發(fā)動機工況點調整-發(fā)電

不經(jīng)過扭矩優(yōu)化，發(fā)動機工況點處于中低負荷時，發(fā)動機熱效率偏低，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，提高發(fā)動機負荷，從而提高發(fā)動機熱效率?；诎l(fā)電等效燃油消耗率合理調整發(fā)動機發(fā)電工況。發(fā)電等效燃油消耗率計算原理如下。

1）發(fā)動機初始工況點A（nSpdA，TTrqA），電機發(fā)電調整發(fā)動機工況點為B（nSpdA，TTrqB）。

圖2 發(fā)動機工況點相對位置

式中：ΔT——電機發(fā)電扭矩，Nm；TTrqB——調整后發(fā)動機工況點扭矩，Nm；TTrqA——初始發(fā)動機工況點扭矩，Nm。

2）基于發(fā)動機萬有數(shù)據(jù)，工況點A 1s內對應的油耗量mAkg，工況點B 1s內對應油耗量mBkg。

3） 電機發(fā)電工況點C（nSpdA，ΔT），得到

式中：WBatt_chagC——動力電池充電量，kWh；nSpdA——初始發(fā)動機工況點轉速，r／min；ηTM_GenC——C點電機發(fā)電效率；ηBatt_chagC——C點電池充電效率。

4）得到發(fā)電等效燃油消耗率：

式中：KGen——發(fā)電等效燃油消耗率，g／kWh；mB——調整后發(fā)動機工況點油耗量，kg；mA——初始發(fā)動機工況點油耗量，kg。

5） 發(fā)動機轉速nSpd_ini，變化范圍nmin～nmax（nmax由發(fā)動機、電機轉速決定），變化步長ΔnSpd，發(fā)動機轉速nSpd_ini對應的扭矩初始值TTrq_ini，變化范圍Tmin～Tmax（Tmax由此時發(fā)動機轉速對應發(fā)動機外特性扭矩決定），變化步長ΔTTrq。對于所有發(fā)動機初始點，發(fā)電扭矩變化范圍TGen_min～TGen_max（TGen_max由發(fā)動機、電機、動力電池數(shù)據(jù)決定），變化步長ΔTGen。

6）得到Ncount_gen個以發(fā)動機初始扭矩需求、電機發(fā)電扭矩為橫縱坐標、以電機發(fā)電等效燃油消耗率為輸出的基礎MAP。

式中：Ncount_gen——發(fā)電等效燃油消耗率計算用轉速點個數(shù)；nmax——設定發(fā)動機轉速最大值，r／min；nmin——設定發(fā)動機轉速最小值，r／min；ΔnSpd——轉速變化步長，r／min。

7）得到優(yōu)化范圍內所有發(fā)電等效燃油消耗率KGen。KGen表示發(fā)動機給電池充電1kWh消耗的發(fā)動機油耗KGeng。KGen越小，對應發(fā)電效率越高。

3 發(fā)動機工況點調整-助力

3.1 初始工況點未超過發(fā)動機外特性

如何合理分配混合動力系統(tǒng)中能量回收及發(fā)電電量，即如何通過電機助力來調整發(fā)動機工況點。在單軸并聯(lián)系統(tǒng)中，模式切換 （純電動模式到混動模式的切換）是電機助力的一種特殊情況——電機完全助力。當初始工況點未超過發(fā)動機外特性時，電機助力等效燃油消耗率計算原理如下。

1）發(fā)動機初始工況點A（nSpdA，TTrqA）。電機助力后發(fā)動機工況點為D（nSpdA，TTrqD）。

式中：ΔTN——電機助力扭矩，Nm；TTrqD——調整后發(fā)動機工況點扭矩，Nm。

2）基于發(fā)動機萬有數(shù)據(jù)，工況點D 1s內對應油耗量mDkg。

3） 電機助力工況點E（nSpdA，ΔTN）。

式中：WBatt_DishcagE——動力電池放電量，kWh；ηTM_MotE——E點電機電動效率；ηBatt_DishcagE——E點動力電池放電效率。

4）得到初始工況點未超過外特性時，電機助力等效燃油消耗率：

式中：KMot_N——初始工況點未超過外特性時，電機助力等效燃油消耗率，g／kWh；mD——調整后發(fā)動機工況點油耗量，kg。

5） 發(fā)動機轉速nSpd_ini，變化范圍nmin～nmax，變化步長ΔnSpd。發(fā)動機轉速nSpd_ini對應的扭矩初始值TTrq_ini，變化范圍Tmin～Tmax（Tmax由此時發(fā)動機轉速對應發(fā)動機外特性扭矩決定），變化步長ΔTTrq。對于所有發(fā)動機初始點，電機助力扭矩變化范圍TMot_min～TMot_max（TMot_max由發(fā)動機初始點、電機、動力電池數(shù)據(jù)決定），變化步長ΔTMot。

6）得到Ncount_mot_N個以發(fā)動機初始扭矩需求、電機助力扭矩為橫縱坐標、以電機助力等效燃油消耗率為輸出的電機助力基礎MAP。

式中：Ncount_mot_N——初始工況點未超過發(fā)動機外特性時，助力等效燃油消耗率計算用轉速點個數(shù)。由于在助力等效燃油消耗率計算中采用與發(fā)電等效燃油消耗率相同的轉速劃分方式，所以基礎MAP個數(shù)相同，實際應用中可根據(jù)需求改變。

7）得到優(yōu)化范圍內所有電機助力等效燃油消耗率KMot_N。電機助力等效燃油消耗率表示動力電池放電1kWh替代的發(fā)動機油耗KMot_Ng。KMot_N越大，對應電機助力效率越高。

3.2 初始工況點超過發(fā)動機外特性

當初始工況點超過發(fā)動機外特性時，電機助力等效燃油消耗率計算原理如下。

1） 變速器輸入端初始工況點F（nSpdF，TTrqF），此時對應發(fā)動機外特性G（nSpdF，TTrqG）。

式中：ΔTz_ini——電機強制助力扭矩，Nm；TTrqF——變速器輸入端初始工況點扭矩，Nm；TTrqG——轉速nSpdF對應的發(fā)動機外特性扭矩，Nm。

2）在發(fā)動機外特性G的基礎上，電機持續(xù)助力調整發(fā)動機工況點為H（nSpdF，TTrqH）。

式中：ΔTZ-Trq——電機持續(xù)助力扭矩，Nm；TTrqH——調整后發(fā)動機工況點扭矩，Nm。

此時電機工況點I（nSpdF，TTrqI）。

式中：TTrqI——電機助力扭矩，Nm。

3）基于發(fā)動機萬有數(shù)據(jù)，發(fā)動機外特性G點1s內對應的油耗量mGkg，持續(xù)助力后發(fā)動機工況點H點 1s內對應油耗量mHkg。

4）當初始工況點超過外特性時：

式中：WBatt_Dishcag_ini——電機強制助力的動力電池放電量，kWh；nSpdF——初始點發(fā)動機轉速，r／min；ηZ_ini——電機強制助力時電動效率；ηBatt_Dishcag_ini——此時電池放電效率。

式中：WBatt_DishcagI——調整工況點后，電機助力消耗的動力電池放電量，kWh；ηZ_MotI——持續(xù)助力后，電機電動效率；ηBatt_DishcagI——持續(xù)助力后，電池放電效率。

5）初始工況點超過發(fā)動機外特性時，電機持續(xù)助力等效燃油消耗率：

式中：KMot_Z——初始工況點超過發(fā)動機外特性時，電機助力等效燃油消耗率，g／kWh。

6） 發(fā)動機轉速nSpd_ini，變化范圍nmin～nmax，變化步長ΔnSpd。發(fā)動機轉速nSpd_ini對應電機強制助力扭矩TTrq_ini變化范圍Tmin～TMot_ini_max（TMot_ini_max由發(fā)動機、電機、動力電池數(shù)據(jù)決定），變化步長ΔTTrq。強制助力后，電機持續(xù)助力扭矩變化范圍TMot_min～TMot_max_Z（TMot_max_Z由強制助力點、發(fā)動機、電機、動力電池數(shù)據(jù)決定），變化步長ΔTMot。

7）得到Ncount_mot_Z個以強制助力扭矩、持續(xù)助力扭矩為橫縱坐標、以電機助力等效燃油消耗率為輸出的電機助力基礎MAP。

式中：Ncount_mot_Z——初始工況點超過發(fā)動機外特性時，助力等效燃油消耗率計算用轉速點個數(shù)。由于在助力等效燃油消耗率計算中采用與發(fā)電等效燃油消耗率相同的轉速劃分方式，所以基礎MAP個數(shù)相同，實際應用中可根據(jù)需求改變。

8）得到優(yōu)化范圍內所有電機持續(xù)助力等效燃油消耗率KMot_Z。電機持續(xù)助力等效燃油消耗率表示動力電池放電1kWh替代的發(fā)動機油耗KMot_Zg。KMot_Z越大，對應電機持續(xù)助力效率越高。

4 標定實現(xiàn)

基于電機發(fā)電等效燃油消耗率MAP、初始工況點未超過發(fā)動機外特性時電機助力等效燃油消耗率MAP、初始工況點超過發(fā)動機外特性時電機持續(xù)助力等效燃油消耗率MAP，混合動力系統(tǒng)運行特定要求工況下，要求電池電量保持平衡［9-10］，則：

式中：W發(fā)電——特定工況下，發(fā)動機發(fā)電到動力電池總能量，kWh；W制動——特定工況下，動力電池制動回收總能量，kWh；W助力——特定工況下，電機助力動力電池消耗總能量，kWh。

在特定運行工況下，W制動在固定的制動回收策略標定下為固定值。如果W制動小于強制助力能量，則首先選擇滿足強制助力能量的最小KGen對應的發(fā)動機發(fā)電工況點。

1） 此時KGen值為KGen_min，KGen_min大于等于KMot_N和KMot_Z，則

式中：KGen_min——滿足強制助力能量的最小發(fā)電等效燃油消耗率，g／kWh；NumGen、NumMot——需要計算的發(fā)電、助力等效燃油消耗率基礎MAP個數(shù)；ΔK——發(fā)電、助力等效燃油消耗率變化步長，g／kWh。

基于運行工況，得到KGen_min+i×ΔK（i=1∶1∶NumGen） 對應的扣除強制發(fā)電能量后的WGen_i，KMot_max+j×ΔK （j=1∶1∶NumMot） 對應的助力能量WMot_j。根據(jù)式 （18）得到經(jīng)濟性最優(yōu)時iOpti、jOptj，并得到此時經(jīng)濟性最優(yōu)時，發(fā)電等效燃油消耗率KGen_Opti=KGen_min+iOpti×ΔK，助力等效燃油消耗率KMot_Opti=KMot_max-jOptj×ΔK。系統(tǒng)僅選取最小發(fā)電等效燃油消耗率KGen_min對應的發(fā)動機工況點調整。

2） 此時KGen_min值小于KMot_N或KMot_Z，設定KMot_max=max（KMot_N，KMot_Z），則以ΔK為步長，選取滿足式 （17）的正整數(shù)NumGen，NumMot。

如果W制動大于等于強制助力能量，則KGen_min為運行工況中實際對應的最小發(fā)電等效燃油消耗率。經(jīng)濟性最優(yōu)時，發(fā)電、助力等效燃油消耗率的計算過程遵循上述1）2）3）步。選取KGen_Opti、KMot_Opti對應的發(fā)動機發(fā)電、助力工況點，如果某一轉速、某一初始扭矩下，確定的等效燃油消耗率對應兩個及以上的發(fā)電扭矩／助力扭矩，選取扭矩最大值。

僅考慮KGen_Opti、KMot_Opti得到的發(fā)動機工況點調整策略是動力總成穩(wěn)態(tài)情況下的最優(yōu)值，存在以下兩個問題：①得到穩(wěn)態(tài)最優(yōu)值，受發(fā)動機動態(tài)油耗的影響，不一定是動力總成動態(tài)運行最優(yōu)值。②等效燃油消耗率為非線性離散數(shù)據(jù)，導致選取扭矩MAP存在與周圍數(shù)據(jù)相差極大的奇異點。

針對上述問題，給出扭矩分配初始MAP的修正方法：①綜合考慮變化后最終發(fā)動機工況點落點，及調整后工況點相對于周圍工況點的變化率來適當修正扭矩分配初始MAP。即考慮動力總成在此工況點的動態(tài)變化，解決動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能的差異。②根據(jù)動力總成動態(tài)響應能力及避免頻繁電機狀態(tài)切換刪除奇異點。

5 應用實例

本文以16.5t單軸并聯(lián)公交車系統(tǒng)為例，對比發(fā)動機工況點按照等效燃油消耗率調整前后的實車道路氣耗。單軸并聯(lián)公交車動力總成配置參數(shù)見表1。

表1 動力總成配置參數(shù)

國標GB／T 19754-2015［11］規(guī)定了該車型的試驗工況CCBC及試驗方法。CCBC運行工況如圖3所示。

圖3 CCBC工況

標定前后實車道路測試發(fā)動機工況點如圖4、圖5所示。

圖4 標定前發(fā)動機工況點

圖5 標定后發(fā)動機工況點

根據(jù)氣耗結果，基于等效燃油消耗率調整發(fā)動機工況點，使氣耗降低2.1m3／100km，有效提高整車經(jīng)濟性。

6 結論

本文基于等效燃油消耗率，提出一種調整混合動力系統(tǒng)發(fā)動機工況點的方法。結合發(fā)動機、電機零部件動態(tài)性能實現(xiàn)標定，并通過實車道路試驗進行驗證，結果表明，該方法有助于降低油耗，提高整車經(jīng)濟性。

（編輯 楊 景）