混合動力汽車動力性與經(jīng)濟性匹配關(guān)鍵技術(shù)的研究

郭建宏

摘要： 混合動力汽車作為汽車發(fā)展的一種新趨勢，具有動力性能好，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。目前，國內(nèi)混合動力汽車所占市場份額逐年增大，對混合動力汽車動力與經(jīng)濟性研究具有重要價值。本文通過研究混合動力汽車的動力性能與經(jīng)濟性能的匹配問題，在不同車速及路況下進行動力切換，通過動力性與經(jīng)濟性匹配的優(yōu)化研究，分析控制策略和實施方案。

Abstract： As a new trend of automobile development， the hybrid car has the advantages such as good power performance， energy saving and environmental protection. At present， the market share of hybrid vehicles is gradually increasing， and it is important to study the power performance and economy of hybrid vehicles. This paper studies the matching problems of dynamic and economic performance of hybrid vehicles， conducts power switching at different vehicle speeds and road conditions， and analyzes the control strategies and implementation schemes through the optimization research of dynamic and economic matching.

關(guān)鍵詞： 混合動力;動力性與經(jīng)濟性;優(yōu)化研究

Key words： hybrid power;dynamics and economy;optimization research

中圖分類號：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0056-02

1? 研究背景和意義

近年來，隨著我國現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展，人類所面臨的環(huán)境壓力及能源短缺也日益嚴(yán)峻。當(dāng)下發(fā)展混合動力汽車是當(dāng)前我國應(yīng)對能源短缺、優(yōu)化環(huán)境保護，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)鏈升級的重要措施。未來汽車領(lǐng)域研究和發(fā)展的方向趨于新能源汽車，在關(guān)鍵領(lǐng)域研發(fā)混合動力汽車及純電動汽車技術(shù)。目前國內(nèi)各大汽車制造商加了對混合動力汽車的研發(fā)，但汽車的動力及燃油經(jīng)濟性較差。因此，開發(fā)出動力性能好，燃油消耗低等綜合性能優(yōu)的混合動力汽車，具有服務(wù)于經(jīng)濟發(fā)展的研究意義和戰(zhàn)略價值。

2? 混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，混合動力汽車是我國汽車行業(yè)發(fā)展的新趨勢[1]，如今新能源技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能減排已成為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的熱點話題，我國要實現(xiàn)2030年前碳達峰和2060年前實現(xiàn)碳中和，新能源技術(shù)在汽車上的應(yīng)用很好地契合了社會的發(fā)展需求。目前，我國在新能源汽車的研發(fā)過程中，確立了以混合電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為主的研發(fā)布局，通過產(chǎn)學(xué)研緊密合作，校企共商，以動力汽車整車為模型，進行動力性能與經(jīng)濟性能的仿真，對變速器速比進行優(yōu)化，不斷提高汽車的經(jīng)濟性。確立了純電動汽車、混合動力汽車[2]、燃料電池汽車為“三縱”，以電動機驅(qū)動系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、動力蓄電池/燃料電池為“三橫”的科研系統(tǒng)，促使我國混合動力汽車的研發(fā)取得了較多的成果與進展。電池、發(fā)動機、電控系統(tǒng)以及整車控制是混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)，汽車在運行時發(fā)動機與電動機的動力轉(zhuǎn)換、油電混合率是目前混合動力汽車研發(fā)的重點內(nèi)容。通過對汽車燃油消耗量的研究，根據(jù)汽車的運行轉(zhuǎn)態(tài)，運行條件等因素綜合考慮，分別研究了不同質(zhì)量段，不同品牌車系的燃油消耗評價體系標(biāo)準(zhǔn)。如圖1為主要國家乘用車燃料消耗量的變化趨勢。從圖中可知我國的乘用車燃油消耗量呈現(xiàn)逐年大幅下降的趨勢，而且世界上大多數(shù)國家乘用車燃油消耗量也不斷下降。混合動力汽車作為未來汽車產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展方向，為了滿足經(jīng)濟性和動力性的要求，燃料消耗量這一評價指標(biāo)將不斷下降。

2.1 HEV的分類及工作原理? 混合動力汽車是由控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。在汽車行駛之初，蓄電池處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛的要求，車輛勻速起步，輔助動力系統(tǒng)不工作，當(dāng)電池電量低于60%時，輔助動力系統(tǒng)啟動，當(dāng)車輛需求能量較大時，輔助動力系統(tǒng)和蓄電池同時為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量。當(dāng)車輛需求能量較低時，輔助動力系統(tǒng)不僅給車輛提供能量，還為蓄電池進行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機工作在一個相對穩(wěn)定的工況，也改善了車輛排放系統(tǒng)。根據(jù)汽車驅(qū)動系統(tǒng)的不同，HEV可分為串聯(lián)、并聯(lián)和組合式3種模式，國產(chǎn)的混合動力汽車大多都采用電力驅(qū)動與熱能系統(tǒng)混合工作的模式[3]，利用電能等其他形式的能量作為汽車動力驅(qū)動汽車，如圖2為混合動力汽車的基本工作原理。HEV根據(jù)汽車不同的行駛狀況選擇不同的發(fā)動機工況[4]，汽車發(fā)動機與蓄電池的工作轉(zhuǎn)態(tài)有不同的組合模式，通過不同的組合模式滿足驅(qū)動車輛的功率需求。當(dāng)汽車選擇組合動力模式，根據(jù)汽車的行駛狀況，選擇不同的功率輸出模式與之匹配。當(dāng)汽車需求功率大時，蓄電池能夠為動力系統(tǒng)提供功率，當(dāng)汽車需求功率較小時，多余的功率能夠儲存在蓄電池中。以豐田HEV的工作原理為例，車輛啟動時，電動機驅(qū)動車輛，發(fā)動機不工作，這時油耗完全為零。巡航時，電動機休息，發(fā)動機工作，這時發(fā)動機能達到最經(jīng)濟的工作狀態(tài)，加速時，電動機和發(fā)動機同時工作，通過電動機輔助發(fā)動機來實現(xiàn)節(jié)油。減速時，踩下制動踏板，此時發(fā)動機處于非工作狀態(tài)，電動機充當(dāng)發(fā)電機的作用，將汽車制動時其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，從而為蓄電池進行充電。

2.2 HEV的動力與經(jīng)濟性指標(biāo)分析? HEV的動力性指標(biāo)主要由最高運行車速、加速能力和最大爬坡能力來衡量，是汽車在行駛狀態(tài)下綜合性能的重要體現(xiàn)。隨著汽車制造測試水平的不斷提高，綜合性能指標(biāo)是汽車制造廠根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗，通過樣車測試得大數(shù)據(jù)得出來的。HEV最高車速充分反映了在正常路況條件下，汽車所能行駛的最大速度。HEV的加速能力大小指汽車在行駛中單位時間內(nèi)速度的變化快慢，通過大的加速度可以滿足行駛的要求。在標(biāo)準(zhǔn)體系中，用加速時間T和加速距離S來表示，衡量汽車原地起步性能和超車性能。爬坡能力指的是汽車在路況較好的情況下，HEV各項綜合性能指標(biāo)正常的情況下，在低速檔行駛下所能爬行的最大坡度。為了確保混合動力汽車合理的行駛性能，要求其具有高比能量，以確?；旌蟿恿ζ囘_到合理的行駛里程，具有高比功率，確保其加速和爬坡性能。串聯(lián)式HEV的動力源完全由電機驅(qū)動，內(nèi)燃機發(fā)電機總成與蓄電池組提供電機所需要的動力源，電池工作狀態(tài)處于較高水平時，HEV對動力電池系統(tǒng)功率的要求與純電動汽車相似，不足之處是容量要低。并聯(lián)式HEV內(nèi)燃機和電機都可以直接對車輪運轉(zhuǎn)提供持續(xù)的動力源，汽車行駛的動力源要求可以由不同的動力電池組組合滿足汽車的動力要求。當(dāng)電池的容量比較小的時候，汽車動力電池組瞬時提供的功率要滿足汽車運行的基本要求。

3? 混合動力汽車的動力性參數(shù)研究

隨著汽車產(chǎn)業(yè)鏈的不斷升級改造，產(chǎn)品的不斷更新迭代，混合動力汽車將多種能量的轉(zhuǎn)換技術(shù)集于一體，這種混合減少了汽車尾氣排放，減低了燃油消耗。針對混合動力汽車動力性能的研究參數(shù)，采用多元函數(shù)定性分析方。通過路況測試分析動力總成參數(shù)，當(dāng)駕駛員在變換檔位的時候能夠有效的控制發(fā)動機工作在最佳的工作擬合曲線上。考慮到發(fā)動機的機械特性，發(fā)動機在低速和低轉(zhuǎn)矩下工作，適當(dāng)減少燃油消耗，降低成本，提高汽車及零部件性能及壽命，通過能量回收，保持發(fā)動機節(jié)氣門開度，調(diào)節(jié)電機進行優(yōu)化配置，如圖3為汽車運行速度與燃油消耗的變化曲線，以達到混合動力汽車對動力性能的要求[5]，通過技術(shù)改進和參數(shù)調(diào)整，真正實現(xiàn)具有高動力性能，低燃油消耗的新技術(shù)。

4? 混合動力汽車的動力性與經(jīng)濟性參數(shù)匹配性

汽車動力性能參數(shù)優(yōu)化是以汽車動力性與燃料經(jīng)濟性模擬計算為基礎(chǔ)，通過分析汽車的動力性能指標(biāo)和經(jīng)濟性能指標(biāo)，以汽車動力性要求為約束條件，多工況燃料經(jīng)濟性為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化。以豐田系列的汽車為例，通過優(yōu)化汽車變速器速比實現(xiàn)運行汽車在額定載荷下滿足動力性要求，達到最佳工況下燃料的經(jīng)濟性指標(biāo)。在新能源汽車中，混聯(lián)式混合動力汽車有三個動力輸出部件，即汽車發(fā)動機、電機驅(qū)動與主驅(qū)動電機，各部件工作狀態(tài)復(fù)雜，汽車在運行中需要對各個動力部件輸出動力源、動力的復(fù)合優(yōu)化及分配進行控制。因此，研究對混合動力汽車控制策略路徑并實施控制策略[6]，通過汽車不同條件下的動力特性曲線分析，兼顧經(jīng)濟性的最優(yōu)原則，以汽車行駛速度等為參數(shù)進行模擬，得到發(fā)動機的最佳工況和整車的最佳運行狀態(tài)。

5? 總結(jié)

本文研究了混合動力汽車的動力性與經(jīng)濟性匹配問題，通過分析動力性能和經(jīng)濟性能指標(biāo)，從而研究整車的最佳工況，優(yōu)化控制策略。通過設(shè)定經(jīng)濟性目標(biāo)，選擇研究的混聯(lián)式混合動力汽車進行了動力模式的分析，及各個模式下的汽車發(fā)動機、電機驅(qū)動、主驅(qū)動電機的狀態(tài)模式及工作條件，得到通用性控制策略;通過對混合動力汽車發(fā)動機、電機驅(qū)動、主驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩功率的輸出進行了定性分析，建立了動力部件轉(zhuǎn)矩輸出的控制策略，復(fù)雜動力系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化。

參考文獻：

[1]郭海龍.基于行駛狀況識別的混聯(lián)式HEV多模式能量控制策略研究[D].廣東：華南理工大學(xué)，2013.

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[3]孫遠濤，王亮，等.混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2014，28（6）：21-28.

[4]周美蘭，張昊，等.混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與仿真[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2011，16（4）：36-39.

[5]Tsutomu Tashiro. Power management of a hybrid electric vehicle during warm-up periodconsidering energy consumption of cabin heat components[J]. IFAC-PapersOnLine.

[6]Zlatina Dimitrova， Francois Marechal. Energy integration study on a hybrid electricvehicle energy system， using process integration techniques[J].AppliedThermalEngineering.