基于發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)的混合動力汽車發(fā)動機(jī)優(yōu)選方法

王慶年，李 峰，王鵬宇，饒淼濤，李治萱

（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022）

0 引 言

混合動力汽車參數(shù)匹配是混合動力技術(shù)的核心內(nèi)容［1－2］，發(fā)動機(jī)作為絕大多數(shù)動力的來源，其匹配的優(yōu)劣更是決定了整車的性能。目前對混合動力汽車發(fā)動機(jī)的參數(shù)匹配大多是根據(jù)動力性要求，計(jì)算發(fā)動機(jī)最大功率需求［3－4］。在滿足最大功率需求的前提下進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)高效區(qū)利用率將能夠有效降低整車燃油消耗率。目前對發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)大多是對工作點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，而控制策略、換擋規(guī)律的不同會導(dǎo)致同一循環(huán)工況下發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的不同，因此基于發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)對發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)不夠準(zhǔn)確。本文以功率需求為目標(biāo)對發(fā)動機(jī)需求功率的高頻使用區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以發(fā)動機(jī)在此區(qū)間上的效率發(fā)揮程度為評價指標(biāo)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行優(yōu)選。

1 基于循環(huán)工況發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)的統(tǒng)計(jì)方法

在常用工況下的整車需求功率可以通過實(shí)車試驗(yàn)或者仿真統(tǒng)計(jì)得到［5－6］，圖1為某轎車（整車質(zhì)量1800 kg）在不同車速下需求功率分布關(guān)系。據(jù)此統(tǒng)計(jì)得到的發(fā)動機(jī)需求功率如圖2中以N為中心的類似正態(tài)分布區(qū)域A-A′所示。對于混合動力汽車，這樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不能反映發(fā)動機(jī)實(shí)際工作情況，因?yàn)檎嚬β市枨笸ǔＳ砂l(fā)動機(jī)、電動機(jī)協(xié)同提供，由于發(fā)動機(jī)在低速（轉(zhuǎn)速低于nmin）和低功率區(qū)（發(fā)動機(jī)功率小于）的燃油效率都很低，排放也差，在此區(qū)域內(nèi)通常以純電動模式驅(qū)動。純電動所消耗的電能可以由再生制動回收一部分，其余的需要在發(fā)動機(jī)驅(qū)動時給電池充電，在統(tǒng)計(jì)中將這部分電能消耗轉(zhuǎn)化為對發(fā)動機(jī)功率需求的增加，以純電動的發(fā)動機(jī)平均等效功率來表示：

同時，考慮到由發(fā)動機(jī)提供的附件功率Pa，可將考慮電量平衡和附件功率后發(fā)動機(jī)功率高頻使用區(qū)從圖2所示以N為中心的區(qū)域A-A′移動到以M為中心的區(qū)域B-B′，如圖2所示，依據(jù)此種方法確定的高頻使用區(qū)覆蓋了實(shí)際工況下大多數(shù)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，可以較準(zhǔn)確地確定發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)位置。

基于上述統(tǒng)計(jì)，引入發(fā)動機(jī)效率區(qū)間權(quán)重函數(shù)G來表示發(fā)動機(jī)在此功率工作的幾率，由循環(huán)工況的需求功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可將G定義為功率p的函數(shù)，為了計(jì)算方便，將G轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T的函數(shù)，由于工況需求功率的分布不是規(guī)則函數(shù)，因此可表示為分段函數(shù)形式：

圖1 需求功率分布圖Fig.1 Required power graph

圖2 發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)移動示意圖Fig.2 HFWA of engine

2 基于發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)的發(fā)動機(jī)優(yōu)選

圖3 燃燒效率函數(shù)Fig.3 Combustion efficiency function

如圖3所示將發(fā)動機(jī)燃燒效率η定義為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T的函數(shù)，如下式：

為了評價發(fā)動機(jī)在某一工況下的效率發(fā)揮情況，引入“發(fā)動機(jī)效率發(fā)揮度”的概念［8］。定義發(fā)動機(jī)效率發(fā)揮程度Dm為發(fā)動機(jī)在高頻使用區(qū)內(nèi)的所有利用燃燒效率之和與以最大燃燒效率ηmax在此區(qū)間內(nèi)工作的利用燃燒效率之和的比值，即

式中：Dm值越大代表發(fā)動機(jī)在高頻工作區(qū)的利用燃燒效率越高；nup、ndown、Tup、Tdown分別為發(fā)動機(jī)高頻工作區(qū)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的上下限。

對于三款高效區(qū)分布不同的發(fā)動機(jī)，在采用瞬時等效油耗最低控制策略下［9－10］，選擇美國的Atmis工況、歐洲的NEDC工況以及日本的1015工況進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示，其高效區(qū)與常用功率區(qū)以及循環(huán)工況工作點(diǎn)的分布如圖4所示。

表1 不同發(fā)動機(jī)不同工況D m值和油耗對比Table 1 Contrast of D m and fuel consumption of three different engines under different driving cycles

圖4 三款發(fā)動機(jī)的高效區(qū)與常用功率區(qū)以及循環(huán)工況工作點(diǎn)示意圖Fig.4 High efficient area，HFWA of engine and driving cycles working point of three engines

由表1和圖4可知，發(fā)動機(jī)2的高效區(qū)和高頻使用區(qū)重合度最高，而發(fā)動機(jī)3的高效區(qū)和高頻使用區(qū)重合度最低。同一工況下發(fā)動機(jī)2的Dm相對于發(fā)動機(jī)3高2.78%（Atmis工況）、燃油消耗最多可降低9.91%（NEDC工況），在現(xiàn)有三款發(fā)動機(jī)中，發(fā)動機(jī)2是最優(yōu)選擇。因此發(fā)動機(jī)高效區(qū)與高頻使用區(qū)越接近，發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)與發(fā)動機(jī)的高效區(qū)重合度越高，同一工況的發(fā)動機(jī)效率發(fā)揮程度Dm值越大，經(jīng)濟(jì)性也越好。根據(jù)Dm值和油耗表現(xiàn)可以確定發(fā)動機(jī)2為最適合該車型的發(fā)動機(jī)。在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)階段也可以參照此方法確定發(fā)動機(jī)的高頻率使用區(qū)，通過對關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整使發(fā)動機(jī)高效區(qū)與高頻使用區(qū)盡量重合，以提高發(fā)動機(jī)利用燃油效率。

3 結(jié)束語

基于對特定循環(huán)工況下發(fā)動機(jī)需求功率的統(tǒng)計(jì)分析，分析關(guān)鍵參數(shù)選取對發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)的影響，最終得到發(fā)動機(jī)高頻使用區(qū)間及其分布函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，以發(fā)動機(jī)效率發(fā)揮程度Dm為評價指標(biāo)提出了某車型基于特定循環(huán)工況的發(fā)動機(jī)優(yōu)選方法。經(jīng)過仿真分析驗(yàn)證，該方法可在備選發(fā)動機(jī)中選出經(jīng)濟(jì)性最佳的一款，為發(fā)動機(jī)優(yōu)選提供了一種方法，同時也可為專用發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)提出技術(shù)指標(biāo)要求。

［1］王慶年，何洪文，李幼德，等，并聯(lián)混合動力汽車傳動系參數(shù)匹配［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，30（1）：72-75.

Wang Qing-nian，He Hong-wen，Li You-de，et al. Study on parameter matching for parallel hybrid electric vehicle powertrain［J］.Natural Science Journal of Jilin University of Technology，2000，30（1）：72-75.

［2］Santini D J，Vyas A D，Moore J，et al.Comparing cost estimates for US fuel economy improvement by advanced electric drive vehicles［C］∥Proceedings of the 19th Interna-tional Electric Vehicle Symposium，Busan，Korea，2002：474-493.

［3］陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［4］Ehsani Mehrdad，Gao Yi-min，Emadi Ali.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車：基本原理、理論和設(shè)計(jì)［M］.倪光正，熊素銘，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］王慶年，于永濤，曾小華，等.基于CRUISE軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的開發(fā)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，39（6）：1413-1419.

Wang Qing-nian，Yu Yong-tao，Zeng Xiao-hua，et al.Development of forward-looking simulation platform for hybrid electric vehicle based on software CRUISE［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2009，39（6）：1413-1419.

［6］汪斌，李崢，彭紅濤，等.CRUISE軟件在混合動力汽車性能仿真中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007（5）：37-40.

Wang Bin，Li Zheng，Peng Hong-tao，et al.Application of CRUISE software on the simulation of hybrid vehicles［J］.Automobile Science and Technology，2007（5）：37-40.

［7］7何仁，吳志敏，顧建祖，確定汽車發(fā)動機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)的數(shù)學(xué)方法［J］.車用發(fā)動機(jī)，1996（3）：1-4.

He Ren，Wu Zhi-min，Gu Jian-zu.A mathematical model for determination of optimized running behaviour region of automobile engine［J］.Vehicle Engine，1996（3）：1-4.

［8］何仁，王憲英，王若平.混合動力傳動系統(tǒng)匹配評價指標(biāo)的探討［J］.汽車技術(shù)，2005（1）：22-24.

He Ren，Wang Xian-ying，Wang Ruo-ping.Discussion on evaluation indices for matching of hybrid power drive train［J］.Automobile Science and Technology，2005（1）：22-24.

［9］G PAGANELLI，S DELPRAT，T M GUERR4，E-quivalent Consumption Minimization Strategy For Parallel Hybrid Powertrains［J］.VTC IEEE，2002（4）：2076-2081.

［10］Wang Peng－yu，Wang Qing-nian，Li Zhi-xuan，et al.Study of the minimization of instantaneous equivalent fuel consumption control strategy of HEV［C］∥ICCNT，2011.