混合動(dòng)力汽車瞬時(shí)燃油消耗率最小策略研究

吳浩東　吳祖儀　趙寧　胡毛毛　吳沛峰

摘 要：為有效辨識(shí)駕駛員的駕駛意圖，提高混合動(dòng)力汽車整車燃油經(jīng)濟(jì)性，提出了一種根據(jù)駕駛員實(shí)時(shí)需求功率及發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性來(lái)即時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)扭矩分配的方法。通過(guò)對(duì)整車燃油消耗量的分析，構(gòu)建了整車實(shí)時(shí)瞬時(shí)燃油消耗率最小目標(biāo)函數(shù)，從而實(shí)時(shí)計(jì)算并調(diào)整整車扭矩分配，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)維持綜合效率最高狀態(tài)運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法可使百公里油耗降低5.01%。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 燃油經(jīng)濟(jì)性 最小瞬時(shí)燃油消耗率 扭矩分配

隨著近些年燃油價(jià)格上漲及國(guó)家對(duì)新能源汽車的大力支持，新能源汽車逐步成為汽車發(fā)展的主要方向。其中，由于純電動(dòng)汽車存在的續(xù)航及充電問(wèn)題，混合動(dòng)力汽車得益于其優(yōu)越的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，逐漸成為越來(lái)越多消費(fèi)者購(gòu)買新能源汽車的首選目標(biāo)。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，其競(jìng)爭(zhēng)力就在于油耗高低。目前針對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性主要的控制方法是使發(fā)動(dòng)機(jī)一直維持在最優(yōu)工作區(qū)內(nèi)，但由于實(shí)際行駛過(guò)程中工況復(fù)雜多變，很難保證發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定性。針對(duì)此問(wèn)題，本文通過(guò)優(yōu)化混合動(dòng)力汽車扭矩分配來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行在瞬時(shí)燃油消耗率最小點(diǎn)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力總成萬(wàn)有特性

基于上述問(wèn)題，首先要得到實(shí)時(shí)瞬時(shí)燃油消耗率。混合動(dòng)力汽車中的驅(qū)動(dòng)模塊包括電池、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)，各模塊在不同工況下的實(shí)際效率都不同，因此單獨(dú)使用發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性得出的并非最準(zhǔn)確的瞬時(shí)燃油消耗率。在實(shí)際測(cè)試瞬時(shí)燃油消耗率時(shí)，需在臺(tái)架上搭建完整的動(dòng)力總成模塊，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)及電池，測(cè)量不同工況下的實(shí)時(shí)燃油消耗量，得到動(dòng)力總成的萬(wàn)有特性map。如圖1為動(dòng)力總成萬(wàn)有特性map，越靠近中心則瞬時(shí)燃油消耗率越低，單位：g/（kWh）。

從圖1中可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但固定點(diǎn)運(yùn)行會(huì)使低速時(shí)NVH較差或高速時(shí)功率不足，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)需選取多點(diǎn)進(jìn)行工況覆蓋?；诎j(luò)線原則，可得出發(fā)動(dòng)機(jī)各功率下瞬時(shí)燃油消耗率最低的點(diǎn)，連成線則如圖1中曲線所示，其線上任一點(diǎn)均為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)功率下瞬時(shí)燃油消耗率最低的點(diǎn)。

理論上，如果使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在圖1中的曲線上，則其運(yùn)行點(diǎn)始終為當(dāng)前需求功率下瞬時(shí)燃油消耗率最低的點(diǎn)。但實(shí)際并聯(lián)行車時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際車速的相關(guān)性，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)無(wú)法嚴(yán)格按照工況點(diǎn)運(yùn)行，否則會(huì)導(dǎo)致功率不夠或溢出，此時(shí)就需要電機(jī)介入補(bǔ)足扭矩或以多余扭矩充電。本文樣本車輛動(dòng)力總成架構(gòu)如圖2所示。

本文主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)最小燃油消耗對(duì)油耗的影響，因此其他諸如阻力、電平衡、模式切換等因素已在試驗(yàn)驗(yàn)證前完成數(shù)據(jù)優(yōu)化，初版數(shù)據(jù)中已完成這部分內(nèi)容的集成，且已在初版數(shù)據(jù)中集成發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性，但集成方式為當(dāng)前油耗優(yōu)化策略中普遍采用的方式，仍與本文優(yōu)化方向有所不同：1、普遍采用的優(yōu)化方式為集成發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性，本文中基于1.1章節(jié)邏輯集成動(dòng)力總成萬(wàn)有特性，包含了不同扭矩轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率，主要在于低轉(zhuǎn)速區(qū)間的差別，下文中有詳細(xì)運(yùn)行點(diǎn)圖比較；2、并聯(lián)過(guò)程中由于要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)最優(yōu)還是嚴(yán)格跟隨經(jīng)濟(jì)線最優(yōu)，初版數(shù)據(jù)中暫時(shí)采用直驅(qū)模式，具體效率比較下文中會(huì)有詳細(xì)對(duì)比。

1.2 串并聯(lián)工況區(qū)分

1.2.1 串聯(lián)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可自由運(yùn)行，因此可以嚴(yán)格按照瞬時(shí)燃油消耗率最低的工況運(yùn)行。如固定點(diǎn)運(yùn)行，除上述NVH與功率需求問(wèn)題外，還需考慮整車能量流。串聯(lián)行駛時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組與驅(qū)動(dòng)軸脫開，實(shí)際運(yùn)行工況可以嚴(yán)格跟隨最低燃油消耗率曲線，由此發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)為理論上的最優(yōu)工況。

1.2.2 并聯(lián)工況

并聯(lián)工況由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速?gòu)?qiáng)相關(guān)，無(wú)法完全按照最優(yōu)線工作（否則會(huì)導(dǎo)致低功率需求時(shí)電池過(guò)充或高功率需求時(shí)過(guò)放，無(wú)法維持正常SOC區(qū)間）。而且，并聯(lián)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞效率如表1所示，從表中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)效率要高于充電后再由電池輸出功率，因此實(shí)際策略中需實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算，得出當(dāng)前可以直驅(qū)的最佳扭矩。

具體計(jì)算方法如下：

直驅(qū)時(shí)：

固定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)：

式中：

P為當(dāng)前整車需求驅(qū)動(dòng)功率（kW）；

PE1為當(dāng)前需求功率P時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)直驅(qū)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率（kW）；

PE2為當(dāng)前需求功率P時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)固定工作點(diǎn)的總功率（kW），其中用于驅(qū)動(dòng)，為多余功率充電后可用于低功率需求時(shí)補(bǔ)扭的功率；

PED為固定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率（kW）；

PBC為發(fā)動(dòng)機(jī)多出功率對(duì)電池充電的功率（kW）；

PBD為發(fā)動(dòng)機(jī)不足功率使用電池放電對(duì)應(yīng)的功率（kW）；

U1為發(fā)動(dòng)機(jī)功率為時(shí)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的熱效率（%）；

為并聯(lián)直驅(qū)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合效率（%）；

為發(fā)動(dòng)機(jī)功率為時(shí)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的熱效率（%）；

為并聯(lián)固定工作點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率高于當(dāng)前需求功率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合效率（%）；

為聯(lián)固定工作點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率低于當(dāng)前需求功率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合效率（%）。

由于動(dòng)力總成萬(wàn)有特性map已知，以上公式中P、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都可實(shí)時(shí)讀取，、、已知，因此可實(shí)時(shí)計(jì)算與或的值實(shí)時(shí)比較大小，即可隨時(shí)判斷當(dāng)前工況下更經(jīng)濟(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)選擇瞬時(shí)燃油消耗率最低策略。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述策略，將此策略集成后轉(zhuǎn)載入如圖3所示的HEV車輛中，分別以原始數(shù)據(jù)及優(yōu)化后的策略進(jìn)行WLTC測(cè)試，運(yùn)行點(diǎn)對(duì)比如圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表2：

如上所述，本研究中，車輛已通過(guò)集成發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性及其他基礎(chǔ)措施對(duì)油耗進(jìn)行了初步優(yōu)化。而通過(guò)上述的瞬時(shí)燃油消耗率最低策略，為對(duì)偏離經(jīng)濟(jì)區(qū)的工況進(jìn)行約束，優(yōu)化低轉(zhuǎn)速工況后油耗有明顯改善，降低3.43%，同時(shí)SOC略有上漲。（圖4、表３）

應(yīng)用上述策略后，并聯(lián)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)明顯收縮但仍沒(méi)有完全按照經(jīng)濟(jì)性分布，油耗優(yōu)化1.64%，試驗(yàn)匯總?cè)缦?，共降低油?.01%。（表4）

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)動(dòng)力總成萬(wàn)有特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和對(duì)比，從而達(dá)到優(yōu)化油耗的目的。在混合動(dòng)力汽車受到普遍關(guān)注的當(dāng)下，此研究可以顯著降低混合動(dòng)力汽車油耗，由于車輛在不同工況、不同里程及不同溫度下特性都不同，所以在實(shí)際進(jìn)行最低燃油消耗率計(jì)算時(shí)，需要更詳盡準(zhǔn)確的動(dòng)力總成模型，特別是系統(tǒng)效率及萬(wàn)有特性方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳昌軍，許輝，丁鎮(zhèn)濤，李港，趙春領(lǐng).并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車最優(yōu)控制方法[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（05）：33-36.

[2]朱東彬，王喜洋，李艷文.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量管理策略研究進(jìn)展[J].機(jī) 械設(shè)計(jì)與制造，2020（03）：293-296.

[3]錢立軍，邱利宏，辛付龍.插電式四驅(qū)混合動(dòng)力汽車控制策略設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，50（06）：1114-1121+1129.