基于能量管理的某增程式汽車經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化

張路　林祥輝　楊志剛　楊樹龍

摘 要：能源安全已經(jīng)提升至國家層面，需要開源節(jié)流處理之。對于主機(jī)廠，就是從節(jié)流的角度提升燃油經(jīng)濟(jì)性（含電耗提升）。對于傳統(tǒng)能源車，主要從整車阻力、附件消耗、發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率角度去提升性能;對于新能源車，還需從三電控制策略、制動(dòng)能量回收角度去處理。不管是哪一類型的車，言而總之都是能量優(yōu)化，都可以從能量管理的角度，分析能量流動(dòng)、拆解能量損耗，找出能量消耗的薄弱點(diǎn)，從而進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：增程式汽車 經(jīng)濟(jì)性 能量管理 性能優(yōu)化 能量流分解

1 引言

全球的能源消耗中，交通領(lǐng)域約占29%，對應(yīng)帶來是CO2的排放約占1/4，其中道路運(yùn)輸?shù)呐欧庞终计渲械?/4[1]。曹斌等人的研究表明，2030年世界能源發(fā)展格局不會(huì)發(fā)生大的變化，石油、天然氣、煤炭等化石能源還仍然是主體，且消耗總量將持續(xù)上升[2]。能源安全關(guān)系到國家政治穩(wěn)定與國民的民生質(zhì)量，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的資源保證。為了保證我國的能源安全，尋求能源進(jìn)口的安全性、合理布局產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、積極拓展新能源/新技術(shù)/降能耗是保證國家能源安全的幾個(gè)途徑[3]。國家在十三五規(guī)劃中，也提出了能耗降低15%的目標(biāo)[4]。

現(xiàn)階段，行業(yè)中針對道路車輛，按能源應(yīng)用不同主要分為傳統(tǒng)能源汽車：汽油車、柴油車、天然氣車;新能源汽車：純電動(dòng)、混動(dòng)（含增程）、氫能源和甲醇汽車。傳統(tǒng)能源向新能源汽車轉(zhuǎn)變是必然趨勢。其中氫能源汽車技術(shù)尚不成熟且成本很高，還不能構(gòu)成主流;甲醇汽車雖早在2012年至2018年，工業(yè)和信息化部組織進(jìn)行了試點(diǎn)運(yùn)行，但現(xiàn)階段還處于市場發(fā)展前期[5，6];純電動(dòng)汽車，如今技術(shù)已驅(qū)于成熟，但里程焦慮問題依舊存在;而增程汽車，兼顧能源與排放的要求，同時(shí)解決里程短的弊端。

以吉利某款插電式增程汽車為研究對象，以降低能量消耗為目的，闡述在產(chǎn)業(yè)化開發(fā)過程中進(jìn)行性能優(yōu)化的思路與方法。

2 整車能量管理方法

整車能量管理（VEM： Vehicle Energy Management）：是對整車在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，結(jié)合油耗或電耗、排放、動(dòng)力性、熱管理、駕駛性等性能要求，通過能量流的分析與優(yōu)化，找出能量消耗的薄弱點(diǎn)并有針對性的進(jìn)行優(yōu)化提升。插電式增程汽車能量來源可以是增程器，也可以通過市電充電獲取，整車的能量流動(dòng)如下圖1所示：

能量流動(dòng)的過程，就是能量消耗與再生的過程。從能量的角度，按車輛不同的系統(tǒng)，整車能量使用分為如下幾個(gè)系統(tǒng)：充電系統(tǒng)、整車行駛（整車阻力）系統(tǒng)、附件電器系統(tǒng)、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。

整車能量管理是個(gè)極其龐雜的系統(tǒng)性研發(fā)與管理任務(wù)。針對新能源車，狹義的能量管理主要圍繞三電、增程器、能量回收等的相關(guān)控制策略予以研究。廣義的能量管理，是從能量獲取的源頭，沿著能量流程的路徑，逐步分解到可具體的能量使用零部件，再有針對性的進(jìn)行分析、優(yōu)化[7-9]。

不論是控制策略的優(yōu)化還是能量流的管理，目的都是降能耗。應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，還需結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)的具體狀況適時(shí)判斷處理方法，因地制宜才是最好的方法。

3 問題引入

本課題以某款增程式汽車為研究對象，針對其在產(chǎn)業(yè)化開發(fā)過程中出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性問題，闡述如何進(jìn)行問題分析、優(yōu)化及驗(yàn)證的過程。

3.1 問題描述

在產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目開發(fā)的半工裝車階段，進(jìn)行首輪整車性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示不能滿足既定的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，性能差異如下表1所示：

3.2 團(tuán)隊(duì)建立

從性能符合性檢查結(jié)果可以看出，半工裝車階段的性能水平與目標(biāo)值差距很大。需要從整車的角度、結(jié)合能量管理思路、配合質(zhì)量解決工具，成立專項(xiàng)工作組共同排查、優(yōu)化問題。專項(xiàng)工作組及其責(zé)任分工，如表2所示：

3.3 總體計(jì)劃

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成立后，立即啟動(dòng)問題整改工作。工作開展之前，需先行落實(shí)工作計(jì)劃，工作計(jì)劃的制定需滿足整車產(chǎn)品開發(fā)的主計(jì)劃，同時(shí)結(jié)合質(zhì)量管理工作PDCA的工具予以分解。PDCA是高度概括的持續(xù)提升的方法論，該工具適用范圍廣且可操作性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、制造業(yè)、環(huán)保、勘探等行業(yè)[10-13]?？傮w計(jì)劃制定如下圖2所示：

3.4 問題初判

從能量分解的角度，分析影響本車型經(jīng)濟(jì)性的邊界;從產(chǎn)業(yè)化開發(fā)及配套供應(yīng)商配合能力角度判斷整改的可行性。綜合評判，以整車阻力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、增程器、附件能耗以及能量回收幾點(diǎn)去排查、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能。

4 方案分析

4.1 整車行駛阻力

由汽車?yán)碚摽傻茫囆旭傋枇Π瑵L阻、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力[14]。在實(shí)際分析整車阻力的時(shí)候，因滾阻、空氣阻力與車輛本身強(qiáng)關(guān)聯(lián)而作為分析的重點(diǎn)。

將開發(fā)車型與基礎(chǔ)車型的整車滑阻予以對比，如下圖3所示。相比基礎(chǔ)車型，開發(fā)車型的阻力曲線過于線性，滑行阻力異常。

進(jìn)行整車阻力拆解，因基礎(chǔ)車與開發(fā)車外形一致，故風(fēng)阻暫不考慮。阻力拆解如下表3所示：

通過報(bào)文檢查，得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速段有反向電流、高速段有正向電流，反應(yīng)到整車就是增大了低速段滑阻、削弱了高速段阻力。驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流排查結(jié)果如圖4所示：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速段有反向電流的原因是：原本VCU給定電機(jī)的工作模式為“0×0：Neutral gear、請求扭矩為0Nm”，MCU的響應(yīng)模式為“0×0：Idel mode”，但MCU實(shí)際響應(yīng)扭矩是-3Nm。究其原因有兩點(diǎn)：1、VCU控制程序有Bug，MCU工作模式不跟隨VCU指令，在處理轉(zhuǎn)矩指令和轉(zhuǎn)矩方向時(shí)，在零力矩位置判斷有誤，導(dǎo)致速度環(huán)方向變化，驅(qū)動(dòng)狀態(tài)切換到了制動(dòng)狀態(tài);2、MCU驅(qū)動(dòng)檔位的預(yù)扭矩策略（減緩扭矩響應(yīng)速率，扭矩突變易造成齒輪撞擊帶來的頓挫感）在空檔狀態(tài)下沒有取消，使之存在負(fù)扭矩。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速段有正向電流的原因是：多合一在高速段標(biāo)定存在異常，0N.m控制出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，致使高速段出現(xiàn)正向電流。正向電流問題排查見圖5所示：

問題找到后即是整改，如上前束及電機(jī)電流問題在工裝車狀態(tài)下予以體現(xiàn)。

4.2 附件能耗

通過整車能量流分析，產(chǎn)業(yè)化開發(fā)樣車附件消耗較產(chǎn)業(yè)化較基礎(chǔ)車型增加了600-900W。原因分析如下表4。

Auto hold功能與客戶適用感知強(qiáng)關(guān)聯(lián)，認(rèn)可此狀態(tài)，重點(diǎn)優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。解決方法：1、提高電池主動(dòng)冷卻請求溫度閥值（30℃→38℃）;2、提高電池被動(dòng)冷卻溫度閥值（10℃→27℃），常溫下壓縮機(jī)不啟動(dòng)，讓電池利用被動(dòng)散熱。優(yōu)化后，空調(diào)能耗由1.59kWh降低至0kWh，水泵、風(fēng)扇降低0.11kWh，壓縮機(jī)降低0.62kWh。

4.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

排查驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量消耗，基礎(chǔ)車型電機(jī)每百公里電耗為46.48kWh，開發(fā)車型為51.94kWh，相差9.2%。問題排查見下表5所示：

4.4 增程器優(yōu)化

增程器是核心，增程器的比油耗、運(yùn)行過程中的工況點(diǎn)、啟停次數(shù)等均會(huì)影響增程器燃油消耗量;同時(shí)，工況點(diǎn)的選取，還需結(jié)合NVH的限制要求。

1、啟停次數(shù)控制

NVH工況退出條件車速由26km/h改為30km/h，退出時(shí)間由30s改為60s。增程器啟停次數(shù)由13次降低為3次，比油耗降低了3g。

2、最低功率點(diǎn)提升

增程器最低功率點(diǎn)由15kW，提高至25kW，比油耗降低了6.5g，但車內(nèi)噪音上升了1dBA。

3、工況點(diǎn)優(yōu)化

低功率區(qū)工況點(diǎn)的選取考慮NVH性能的限制，相比之前略有劣化，從2000rpm以上的工況點(diǎn)選取，比油耗均有優(yōu)化。發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)整體得以提升，如下圖6所示：

4、發(fā)電機(jī)工況點(diǎn)優(yōu)化

從發(fā)電機(jī)效率MAP圖上功率看，PFCU標(biāo)定優(yōu)化后55KW功率點(diǎn)對應(yīng)發(fā)電機(jī)效率變好，6KW功率點(diǎn)對應(yīng)發(fā)電機(jī)效率變差，其他功率點(diǎn)效率基本一致?？傮w效率優(yōu)化略微提升，工況選取如圖7所示。增程器的油電轉(zhuǎn)化，對于綜合工況，由2.66提升到2.68。

4.5 制動(dòng)能量回收

制動(dòng)能量回收利用制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)進(jìn)行反向充電而把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能;同時(shí)，制動(dòng)能量回收在制動(dòng)能力上相比機(jī)械制動(dòng)又有加強(qiáng)，需要重新校核制動(dòng)力分配[15]。

對比基礎(chǔ)車型，制動(dòng)能量回饋比例減小了2.6%，對應(yīng)策略是整體加大制動(dòng)能量回收比例，能量回收扭矩設(shè)定如下圖8所示：

制動(dòng)能量回收力度的大小又與駕駛性相關(guān)，需組織質(zhì)量部、研發(fā)、領(lǐng)導(dǎo)層共同參與駕駛性主觀評價(jià)，最終結(jié)論可接受。由此帶來的電耗提升是：市區(qū)提升0.89kWh、綜合工況提升0.42kWh。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過阻力優(yōu)化，整車滑行阻力得以提升，優(yōu)化前后的滑阻曲線對比如下圖9所示：

將所有的優(yōu)化策略落實(shí)在工裝車上，進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，優(yōu)化結(jié)果明顯，對比如表6所示：

6 總結(jié)

動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性開發(fā)是整車性能開發(fā)中的一個(gè)屬性模塊，與重量屬性、NVH、駕駛性、排放、制動(dòng)、甚至安全性能均有關(guān)聯(lián)，性能開發(fā)從來都不是某一個(gè)人戰(zhàn)斗，必須是整個(gè)團(tuán)隊(duì)的通力合作。

本文從能量流分解的角度，對整車經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深度分析，以吉利某款產(chǎn)業(yè)化增程汽車項(xiàng)目為例，闡述了能量流拆解與問題分析方法，最終優(yōu)化效果明顯，滿足既定性能指標(biāo)。然而，經(jīng)濟(jì)性能提升是個(gè)永恒的話題，產(chǎn)品開發(fā)不止、性能提升不休。在此優(yōu)化提升的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)又提出了挑戰(zhàn)目標(biāo)，需要在產(chǎn)品上市前百公里電耗再降低2kWh。

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