串聯(lián)式混合動(dòng)力越野車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配分析

鄭賢文， 周振華， 靜大勇

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058）

1 研究背景

越野汽車相對(duì)傳統(tǒng)公路車輛，由于路況復(fù)雜，故其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)往往較難取得較好平衡。由于越野車主要行駛在低、中速工況，車輛驅(qū)動(dòng)扭矩需求大但負(fù)載功率并不高，結(jié)果帶來較高的油耗值。傳動(dòng)增程式技術(shù)方案主要應(yīng)用于城市行駛的公交車、乘用車等，為追求更高的節(jié)油與排放目標(biāo)，往往以動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)為主，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電為輔[1]，對(duì)越野車由于行駛路況復(fù)雜，且對(duì)應(yīng)充電設(shè)施少，傳統(tǒng)增程式并不是最佳解決方案。隨著近年來電機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及動(dòng)力電池充放電水平的提升，為在越野汽車上采用串聯(lián)式混合動(dòng)力方案，并進(jìn)一步提升越野汽車性能創(chuàng)造了條件：可通過采用串聯(lián)式混合動(dòng)力方案來提高燃油經(jīng)濟(jì)性；通過動(dòng)力電池附加能量輸出來彌補(bǔ)為適應(yīng)路面沖擊而增加的結(jié)構(gòu)附加重量，同時(shí)對(duì)車輛動(dòng)力性，尤其對(duì)加速性能的提升。

2 技術(shù)方案

本文以某串聯(lián)式混合動(dòng)力四輪輪轂驅(qū)動(dòng)越野車為例進(jìn)行分析，其動(dòng)力模塊由高轉(zhuǎn)速高效柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)與三元系鋰離子動(dòng)力電池構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)模塊由四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，整車控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為車輛行駛提供能源，同時(shí)對(duì)四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。如圖 1為串聯(lián)式四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)越野汽車原理圖。

3 越野工況及控制模型建立

由于車輛負(fù)載功率、行駛車速及油門踏板開度等信號(hào)可基本反映出車輛的具體工況需求與駕駛員意圖，所以可從此三個(gè)信號(hào)作為控制切入點(diǎn)，如表1，將混合動(dòng)力越野車分為8種常見工況，分別對(duì)應(yīng)越野路行駛、公路行駛、極限攀爬等路況。在中低速公路行駛工況中包含低附著路驅(qū)動(dòng)控制，其中起步加速工況由于車輛加速慣性阻力功率，起步時(shí)功率在很短時(shí)間內(nèi)提高，然后保持在較高水平，直至車輛達(dá)到目標(biāo)車速，越野極限攀爬工況雖然驅(qū)動(dòng)力處于較大水平，由于車輛轉(zhuǎn)速極低，總體需求功率很小，因此可根據(jù)駕駛員油門踏板大小判斷驅(qū)動(dòng)力需求。對(duì)此本文不詳細(xì)展開。

表1 混合動(dòng)力越野汽車基本工況識(shí)別

車輛負(fù)載功率計(jì)算公式如下（不考慮加速慣性阻力）：

式中：Pz為車輛行駛阻力功率（單位kW）；m為車輛質(zhì)量（單位kg）；g為重力加速度（取9.8m/s2）；θ為坡道與水平面夾角；f為車輛行駛滾動(dòng)阻力系數(shù)；cd為車輛風(fēng)阻系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積（單位m2）。

HEV動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池組成。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池參與特點(diǎn)，可拆分為三種工作模式如下：

經(jīng)濟(jì)模式：動(dòng)力電池參與充放電，在滿足車輛功率需求的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)總是處于最佳高效點(diǎn)運(yùn)行模式，主要用于車輛定速持續(xù)行駛工況，負(fù)載功率較小，系統(tǒng)在EV模式與HEV模式之間不斷切換；

綜合模式：即功率跟隨式控制策略[2]，動(dòng)力電池不參與充放電，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組自適應(yīng)模式，此模式特點(diǎn)在于動(dòng)力電池由于不參與循環(huán)，能夠在滿足一定低油耗的前提下保證動(dòng)力電池較高的使用壽命與綜合工況需求，負(fù)載功率居中，系統(tǒng)處于HEV模式；

動(dòng)力模式：為滿足越野車輛高負(fù)載功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)位于最高輸出功率點(diǎn)，動(dòng)力電池全程參與放電，主用于車輛加速，負(fù)載功率最大。

4 APU總成

選型某高轉(zhuǎn)速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其萬(wàn)有特性如圖2所示，提出發(fā)動(dòng)機(jī)等效效率ηe的概念，其計(jì)算如公式(2)，為發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速點(diǎn)最低比油耗ξi與一定負(fù)載功率下的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳比油耗ξmin的比值，發(fā)動(dòng)機(jī)等效效率體現(xiàn)了在一定轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)通過負(fù)載調(diào)整所能充分節(jié)油的能力。

選型某永磁同步發(fā)電機(jī)，其效率如圖3，發(fā)電機(jī)效率由ηm表示。

根據(jù)圖 2、圖3，建立發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性參數(shù)查表模型，見公式 (3)，其 中Ni=Nj，

在經(jīng)濟(jì)模式，APU總是處于高效區(qū)，限定工況行駛時(shí) HEV及 EV模式對(duì)應(yīng)往復(fù)切換的時(shí)間如下：

式中： T1、T2分別為在經(jīng)濟(jì)模式下對(duì)應(yīng) HEV與EV運(yùn) 行周期（s）；C為 動(dòng)力電池容量（Ah）；U為動(dòng)力電池電壓（V）；Pz為車輛負(fù)載功率（kW）；P0為 APU高 效輸出功率； SOCmx與 SOCmn分別為動(dòng)力電池S OC上、下控制限值；η為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率。

5 計(jì)算分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

5. 1 動(dòng)力性分析與驗(yàn)證

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)理論、整車基本參數(shù)，以及總成選型參數(shù)（見表 2），建立整車動(dòng)力性計(jì)算模型，計(jì)算車輛輸出與負(fù)載功率如圖 4所示：

表2 串聯(lián)式混合動(dòng)力越野車計(jì)算輸入?yún)?shù)

對(duì)原地起步加速工況進(jìn)行分析，如圖5所示，其中整車負(fù)載功率 Pz為由行駛阻力、風(fēng)阻產(chǎn)生的阻力功率，而整車有效負(fù)載功率則為考慮車輛加速慣性阻力功率的總負(fù)載功率。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載功率由發(fā)動(dòng)機(jī)起步響應(yīng)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)功率能力決定，剩余的功率缺口則完全由動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)充，在起步加速 20 s左右，加速動(dòng)作結(jié)束，車輛以最高車速勻速行駛。對(duì)應(yīng)動(dòng)力電池輸出電量變化如圖6所示。

由圖 7可知，通過采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，車輛加速性能提高了50%。

以發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最高效點(diǎn)為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算可得在不同車速下的最佳比油耗ξ如圖8。在中低車速范圍，經(jīng)濟(jì)模式比綜合模式節(jié)油明顯，但隨著車速提高，車輛需求功率加大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載功率可控制在最佳油耗點(diǎn)處，經(jīng)濟(jì)模式與綜合模式油耗曲線重合。

5.2 經(jīng)濟(jì)模式控制分析與驗(yàn)證

根據(jù)公式 4、公式 5，可以得到在不同限定車速工況下的循環(huán)時(shí)間，如圖 9左圖所示，可見循環(huán)周期與車速成雙曲線關(guān)系。在75 km/h車速處，HEV電池充電行駛與EV電池放電行駛時(shí)間相同，且對(duì)應(yīng)最短的循環(huán)周期（48 min），即車輛以75 km/h行駛48 min（其中HEV及EV周期分別為24 min），車輛將自動(dòng)切換到下個(gè)循環(huán)。在0～75 km/h車速范圍內(nèi)，基本上每隔1km，車輛將自動(dòng)切換一個(gè)循環(huán)，動(dòng)力電池電量在30%與80%之間往復(fù)變換一次。

由圖9右圖可知，在中低速時(shí)，車輛經(jīng)濟(jì)模式單循環(huán)里程基本保持在60 km左右，車速超過75 km/h后，單循環(huán)里程迅速提高。

考慮到動(dòng)力電池充放電效率（97%左右）以及HEV、EV每個(gè)循環(huán)內(nèi)的里程比例，可求得經(jīng)濟(jì)模式循環(huán)工況綜合油耗在不同車速下的變化曲線，如圖9：

在圖 8得到的不同負(fù)載功率下的比油耗曲線基礎(chǔ)上，計(jì)算在不同車速下車輛對(duì)應(yīng)最佳百公里油耗，并將試驗(yàn)結(jié)果與同噸位搭載五檔變速箱的越野車進(jìn)行對(duì)比，如圖 11，其中“ 1檔百公里油耗”曲線至“ 5檔百公里油耗”曲線為同噸位搭載 5檔變速箱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，“經(jīng)濟(jì)模式-理論”為計(jì)算理論曲線，“經(jīng)濟(jì)模式-試驗(yàn)”曲線為實(shí)車測(cè)試曲線，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果比理論計(jì)算油耗值稍大，這是由于試驗(yàn)值匹配點(diǎn)未能準(zhǔn)確達(dá)到理想目標(biāo)所致。

兩種車輛在80 km/h車速下對(duì)應(yīng)百公里油耗見表 3，可見通過采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，在等速工況下，整車可實(shí)現(xiàn)至少 17%～21%的節(jié)油效果。

表3 百公里油耗試驗(yàn)對(duì)比（80km/h等速）

6 結(jié)論

（1）串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)越野車可通過采用經(jīng)濟(jì)模式、動(dòng)力模式與綜合模式的控制方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)綜合提升；

（2）串聯(lián)式混合動(dòng)力越野車能夠通過動(dòng)力系統(tǒng)匹配與控制達(dá)到較好的動(dòng)力輸出與節(jié)油效果，相對(duì)同噸位傳統(tǒng)車輛，加速性能可提升 50%，可至少節(jié)油 17～21%。

[1]曾小華,軍用混合動(dòng)力輕型越野汽車動(dòng)力總成匹配及控制策略研究，吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2001.

[2]《混合動(dòng)力軍用越野汽車動(dòng)力匹配研究（一）》輕型汽車技術(shù)2007( 7/8).

[3]曲 曉冬等.增程式電動(dòng)車的 APU 控制策略的研究.汽車工程，2013(9).

[4]祝雅琦等.增程式電動(dòng)客車能量管理策略仿真研究.汽車工程學(xué)報(bào)，2013(11).

[5]宋珂等.增程式純電驅(qū)動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究.汽車技術(shù)，2011(7).