插電式混合動力汽車低SOC能量流試驗研究*

張 巖，段 煉，袁俠義，江 亮，徐仰匯，蘭鳳崇

（1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 511442； 2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

前言

近年來，國內(nèi)汽油、柴油消費占燃料總消費的55%以上［1］，由此導(dǎo)致2018年汽車排放占比大幅增加，其中CO和HC占比超過80%，NOx和PM超過90%［2］。在此背景下，能源利用率最大化已迫在眉睫。全球面臨能源緊張和純電動車巡航里程的限制［3］，從能量分配角度出發(fā)，混合動力汽車（PHEV）成為當(dāng)下最佳的交通工具。

在PHEV的開發(fā)過程中，如何準(zhǔn)確獲取汽車在實際運行工況中各部件的能量消耗是制定能量管理策略的關(guān)鍵。PHEV除保留有傳統(tǒng)車的部件外，還增加了電機、電池和散熱附件等，因此獲取各部件的能量消耗更為困難。目前，動力總成能量的研究主要是針對單一系統(tǒng)［4-5］，而汽車各個部件之間具有很強的耦合關(guān)系，因此開展整個系統(tǒng)的能量流研究意義重大。研究人員普遍采用仿真方法對動力總成能量流進行計算分析［6-10］。其仿真結(jié)果與實際路況的能量消耗還有一定的差異，且模型的精度也有待進一步的驗證。為進一步提高預(yù)測能力，研究人員開始通過試驗手段來實現(xiàn)能量流的研究。以提高燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)，采用試驗手段分析某一工況下能量消耗占比［11-12］。所搭建的能量流測試平臺是針對傳統(tǒng)車而言，且測試主要圍繞發(fā)動機來進行，整車能量利用效率主要取決于發(fā)動機的熱效率。本文中搭建了PHEV的能量流測試平臺，與傳統(tǒng)汽車相比，PHEV汽車熱管理系統(tǒng)的附件、電池包和電機等部件增多，其能量分配策略更加復(fù)雜，因此分析不同工況下的能量流有利于掌握整車的能量分配策略，進而可有效進行能量的管理和合理分配。

本文中針對某款PHEV搭建了能量流測試平臺，以測試每個部件的輸入輸出參數(shù)，并計算不同循環(huán)工況下由發(fā)動機和電池提供的能量的傳遞與耗散過程，根據(jù)計算結(jié)果繪制了兩種工況下能量流圖并加以分析。

1 能量傳遞基本理論

選取采用混聯(lián)式動力模式的某款PHEV?；谥暗难芯浚?3］，PHEV的所有能量來源于發(fā)動機和電池，根據(jù)發(fā)動機（停機、工作）和電池（充電、放電、不工作）的工作狀態(tài)，PHEV的驅(qū)動模式可分為4種：純電動、發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電、聯(lián)合驅(qū)動和發(fā)動機直接驅(qū)動。系統(tǒng)輸出能量為

式中：Efuel為燃油能量；Ebatt為電池輸出能量。

雖然PHEV的動力由發(fā)動機和電池提供，但兩者的工作模式是獨立的，就單獨發(fā)動機而言，根據(jù)能量傳遞路徑，發(fā)動機燃燒化學(xué)能可分為指示功Eindi、排氣損失Eexh和熱量損失Ethermloss，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Efri為摩擦損失功；Eeff為有效功。

式（1）和式（2）中，燃油能量可表示為

式中：mfuel為瞬時燃油消耗量；Hu為燃料熱值。

發(fā)動機的有效輸出功為

式中：pme為平均有效壓力；Vs為單缸排量；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；i為缸數(shù)；τ為沖程數(shù)；ηeff為發(fā)動機熱效率。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)帶走的能量包括傳熱損失和摩擦損失。冷卻系統(tǒng)帶走的能量及其占總能量的比例分別為

式中：mcool為冷卻液質(zhì)量流量；cp，cool為冷卻液比熱；Tcool，out為流出發(fā)動機的冷卻液溫度；Tcool，in為流入發(fā)動機的冷卻液溫度；ηcool為冷卻液帶走的能量占總能量的比例。

排氣帶走的能量和能量占比分別為

式中：cp，exh和 cp，int分別為排氣和進氣定壓比熱；mexh和mint分別為排氣和進氣質(zhì)量流率；Texh和Tint分別為排氣和進氣溫度。同時根據(jù)質(zhì)量守恒，有

電池的能量變化為

式中：Urated為電池包額定電壓；Crated為電池包額定容量；SOCini為電池包初始SOC；SOCend為工況結(jié)束時電池包SOC。

相比于傳統(tǒng)燃油車，PHEV的關(guān)鍵部件是發(fā)電機和驅(qū)動電機，發(fā)電機的輸出功率為

式中：Ugen為發(fā)電機輸出電壓；Igen為發(fā)電機輸出電流。

驅(qū)動電機的輸出功率為

式中：Tmot為驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩；nmot為電機轉(zhuǎn)速。

2 試驗平臺與能量流測試

2.1 試驗平臺的搭建

基于某款PHEV搭建試驗平臺，針對汽車動力系統(tǒng)、動力傳遞系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電池和車輛行駛系統(tǒng)等關(guān)鍵部位進行測試。部件之間的能量傳遞示意圖如圖1所示。

圖1 能量傳遞示意圖

為保證數(shù)據(jù)的可靠性，開展與真實環(huán)境非常接近的環(huán)模測試。環(huán)模測試示意圖和測試平臺分別如圖2和圖3所示。測試采用多物理通道的方式采集傳感器數(shù)據(jù)，多物理通道包含多種信號采集系統(tǒng)，主要分為以下4種：（1）頻率類型采集系統(tǒng)（轉(zhuǎn)速、角位移、冷卻液和燃油流量傳感器）；（2）CAN采集系統(tǒng)（汽車ECU的數(shù)據(jù)、燃燒分析儀與主采集系統(tǒng)之間的交互）；（3）電流／電壓采集系統(tǒng)（轉(zhuǎn)矩、壓力、流量、λ信號）；（4）電壓可變采集系統(tǒng)（熱電偶）。傳感器大小和位置的選擇盡可能減小對系統(tǒng)的影響，并保證傳感器的精度經(jīng)過標(biāo)定，使其能滿足系統(tǒng)要求。

圖2 環(huán)模測試示意圖

圖3 測試平臺

為保證測試的可重復(fù)性并與現(xiàn)實情況更為接近，在環(huán)模測試中采取如下方式：

（1）環(huán)境溫度保持穩(wěn)定；

（2）采用4個筒式測功機，每個車輪單獨可控；

（3）風(fēng)可重復(fù)吹在汽車正向1 m×0.5 m的區(qū)域內(nèi)；

（4）采用駕駛機器人來使汽車完成加速、制動和穩(wěn)定工況運行。

測試采用4缸4沖程、1.5 L排量的渦輪增壓發(fā)動機。測試車輛的具體參數(shù)如表1所示。

表1 測試車輛參數(shù)

2.2 能量流測試

為更好地評價車輛的效率和廢氣熱量的利用率［14］，目前常用標(biāo)準(zhǔn)的測試循環(huán)工況NEDC，它包含市區(qū)工況和郊區(qū)工況兩部分。工況運行總時間為1 180 s。隨著排放法規(guī)要求日益嚴(yán)苛，WLTC工況能更接近實際路況，采集的路況信息包括市區(qū)、市郊和高速，總時長為1 800 s。NEDC和WLTC測試循環(huán)的對比見圖4。在市區(qū)工況下，車輛一般是熱起動?；谏鲜龅目紤]，本文中研究熱起動下，NEDC和WLTC工況的車輛效率和各部件能量分布［15］。

圖4 NEDC和WLTC工況車速測試對比

3 結(jié)果與討論

3.1 發(fā)動機運行狀態(tài)分析

作為能量流中的關(guān)鍵部件，發(fā)動機的運行狀態(tài)直接影響能量流的分布。在NEDC和WLTC工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和指示平均有效壓力（IMEP）的對比如圖5所示。由圖可見，WLTC運行工況比NEDC更為復(fù)雜，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和IMEP變化更為劇烈。在市區(qū)工況下NEDC和WLTC的發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速基本接近，在郊區(qū)工況下，NEDC的發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速比WLTC低8.4%，這與車速的運行需求密切相關(guān)。由圖4可見，NEDC的最大車速比WLTC低9.0%，可見發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由車速的需求所決定。對于IMEP而言，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于2 000 r／min時，NEDC和WLTC的IMEP平均值在0.7 MPa左右，但在高速工況下NEDC的IMEP最大值比WLTC高6.6%，此趨勢正好與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速的趨勢相反，這說明在NEDC工況下發(fā)動機的效率較低。

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)壓力測試對比

能量流的另一個重要參數(shù)是燃油量。NEDC循環(huán)工況和WLTC工況下的瞬時燃油消耗量如圖6所示。WLTC峰值附近瞬時燃油消耗量變化較為劇烈，這與WLTC工況下車輛反復(fù)的加速、減速有著直接關(guān)系。從圖中可以看出，在0-1 000 s內(nèi)NEDC工況的瞬時燃油消耗量遠(yuǎn)低于WLTC工況，而1 000-1 200 s內(nèi)NEDC工況的瞬時燃油消耗量則遠(yuǎn)高于WLTC工況。通過計算發(fā)現(xiàn)，單位時間內(nèi)NEDC工況的平均燃油量為0.036 L／min，WLTC工況的平均燃油量為0.059 L／min，是 NEDC工況的1.6倍左右。這是由于WLTC工況下幾乎沒有等速巡航過程，每一次的加速過程都會使燃油量急劇增加，從而使整體的燃油量明顯增加。

圖6 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和燃油量測試對比

圖7 發(fā)動機MAP

發(fā)動機穩(wěn)定運行MAP如圖7所示。它反映發(fā)動機轉(zhuǎn)速、指示壓力、指示效率三者之間的關(guān)系，散點為整車行駛狀態(tài)下發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。從圖7（a）中可以看出，整車NEDC工況下發(fā)動機大多數(shù)時間內(nèi)指示熱效率高于40%，且發(fā)動機基本上在中低轉(zhuǎn)速下運行，最高轉(zhuǎn)速不高于3 300 r／min，最大指示壓力約為1.0 MPa。從圖7（b）中可以看出，WLTC工況下發(fā)動機運行的指示效率主要集中在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間，即40%～49%的范圍內(nèi)變化。發(fā)動機同樣在低于轉(zhuǎn)速3 300 r／min下運行。通過對比圖7（a）和圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，NEDC工況下隨著轉(zhuǎn)速的增加，指示壓力和效率呈現(xiàn)逐步增加的趨勢；而WLTC工況下隨著轉(zhuǎn)速的增加，指示壓力和效率在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)上下波動，這與NEDC工況下車輛持續(xù)加速有著直接的關(guān)聯(lián)。此外，由圖7（b）還可以看出，WLTC工況下發(fā)動機多次指示壓力急劇下降至0.2 MPa，這是由于車輛在反復(fù)制動所致。

3.2 電池狀態(tài)分析

PHEV的另一個能量源是電池，電池分為高壓（HV）電池和低壓（LV）電池，高壓電池為壓縮機和電機等提供動力；低壓電池為汽車附件提供能量。本研究中高壓電池的額定電壓為346 V，容量為37 A·h，低壓電池額定電壓為 12.87 V，容量為55 A·h。相對而言，高壓電池是主要的能量源。循環(huán)工況測試中高壓電池SOC的變化如圖8所示。NEDC工況和WLTC工況下的初始SOC分別為26.5%和26.9%。NEDC工況的SOC最終增加了0.4%，WLTC工況的SOC最終減小了0.3%，兩者的變化都很小，說明兩種工況下消耗的能量主要來自燃油。

圖8 NEDC和WLTC高壓電池SOC變化

低壓電池的輸出電流如圖9所示。圖中工況下的電流為負(fù)值，說明電池是在放電，NEDC工況下低壓電池的容量衰減較快，WLTC工況電流變化較為平緩，造成這種差異的原因主要有兩點，一是由于工作附件電量需求的差異，另一個是DCDC對低壓電池的充電。

3.3 結(jié)果分析

圖9 低壓電池電流變化

為獲得部件能量消耗，將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件，利用Matlab軟件編程，算出每個部件的輸入和輸出能量。NEDC和WLTC工況下的PHEV的整體能量流分布分別如圖10和圖11所示。為更好地對比，從以下幾方面來討論。

圖10 NEDC工況下的PHEV的整體能量流分布

圖11 WLTC工況下的PHEV的整體能量流分布

首先是燃油消耗量方面。在NEDC工況下PHEV所有能量都來自于燃油消耗，發(fā)動機輸出有用功的比例達(dá)到29.54%，比WLTC工況下發(fā)動機輸出有用功高5.63%，這是由于NEDC工況下發(fā)動機的IMEP相對較高，且平均燃油消耗量只有WLTC的62.5%。本文中研究的發(fā)動機排量為1.5 L，發(fā)動機最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速在2 000 r／min左右。由圖6可見，NEDC工況下發(fā)動機幾乎都工作在最經(jīng)濟的工況點。WLTC工況排氣帶走的能量比NEDC工況多6.29%，這也說明發(fā)動機輸出有用功更多被排氣損失耗散，兩種不同工況下的摩擦功和傳熱損失的能量總和差異很小，只有0.66%。結(jié)果表明，發(fā)動機的排氣損失降低比例幾乎全部轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的輸出功率增加的比例，由此可見，排氣損失對發(fā)動機效率的重要影響。兩種工況下發(fā)動機輸出功率轉(zhuǎn)化為電機發(fā)電的比例差別很小，都在15%以上，在NEDC工況下轉(zhuǎn)化為電機發(fā)電與發(fā)動機輸出功率之比達(dá)到50.85%，WLTC工況下其值達(dá)62.28%，這是由于PHEV在城市道路工況下車輛更多地在純電模式和混動模式下工作，WLTC工況下發(fā)電機發(fā)電比例相對較高，且車輛頻繁地加、減速，因此純電模式更有利于提高車輛的能量經(jīng)濟性。

其次是電機和電池能量方面。NEDC和WLTC工況下傳遞給車輛行駛能量分別為19.74%和18.76%，兩者相差在1%左右，兩者的能量回收率分別為18.14%和15.83%。雖然行駛能量的差異不足1%，但能量回收率差值達(dá)到了2.31%，可見WLTC工況下車輛頻繁減速回收能量，但能量回收率并未得到有效的提高，因此車輛的能量回收策略還有待進一步的優(yōu)化和提高?；厥盏哪芰亢碗姍C發(fā)電能量最終進入高壓電池的能量在NEDC和WLTC工況下分別為15.37%和13.80%，儲存于電池的能量很少，可見在NEDC和WLTC兩種復(fù)雜工況下，高壓電池持續(xù)工作為驅(qū)動電機提供動力，在WLTC工況下高壓電池僅有0.25%的電能參與到整車的能量流中。由上述分析可知，在NEDC和WLTC工況下，整車的全部能量幾乎都來自于發(fā)動機，這與電池初始的SOC都較低有很大的關(guān)系。經(jīng)過高壓電池回到驅(qū)動電機的能量比例在兩種工況下非常接近，NEDC工況比WLTC工況略低0.42%左右，這與發(fā)動機轉(zhuǎn)化為電機的能量有直接關(guān)系。電機的效率在設(shè)計選型時就基本確定了，本研究中電池電能驅(qū)動電機的效率基本上接近85%。此外，電機冷卻能量比例在NEDC和WLTC工況下分別為3.21%和3.13%，說明兩種工況下電機工作溫度和電機工作效率都非常接近。

4 結(jié)論

（1）在電池處于SOC較低時，WLTC工況下的發(fā)動機平均油耗遠(yuǎn)高于NEDC工況油耗，前者是后者的1.6倍左右。

（2）在電池處于SOC較低時，WLTC和NEDC工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)化為電機的能量比例非常接近，從而兩種工況下高壓電池回到驅(qū)動電機的能量比例也非常接近，都在12.5%左右。

（3）在電池處于SOC較低時，WLTC和NEDC工況下驅(qū)動電機的效率很接近，都在85%左右。