郭建宏

摘要： 混合動(dòng)力汽車(chē)作為汽車(chē)發(fā)展的一種新趨勢(shì)，具有動(dòng)力性能好，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力汽車(chē)所占市場(chǎng)份額逐年增大，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性研究具有重要價(jià)值。本文通過(guò)研究混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能的匹配問(wèn)題，在不同車(chē)速及路況下進(jìn)行動(dòng)力切換，通過(guò)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性匹配的優(yōu)化研究，分析控制策略和實(shí)施方案。

Abstract： As a new trend of automobile development， the hybrid car has the advantages such as good power performance， energy saving and environmental protection. At present， the market share of hybrid vehicles is gradually increasing， and it is important to study the power performance and economy of hybrid vehicles. This paper studies the matching problems of dynamic and economic performance of hybrid vehicles， conducts power switching at different vehicle speeds and road conditions， and analyzes the control strategies and implementation schemes through the optimization research of dynamic and economic matching.

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力;動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性;優(yōu)化研究

Key words： hybrid power;dynamics and economy;optimization research

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0056-02

1? 研究背景和意義

近年來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展，人類(lèi)所面臨的環(huán)境壓力及能源短缺也日益嚴(yán)峻。當(dāng)下發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)是當(dāng)前我國(guó)應(yīng)對(duì)能源短缺、優(yōu)化環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)的重要措施。未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域研究和發(fā)展的方向趨于新能源汽車(chē)，在關(guān)鍵領(lǐng)域研發(fā)混合動(dòng)力汽車(chē)及純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)制造商加了對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的研發(fā)，但汽車(chē)的動(dòng)力及燃油經(jīng)濟(jì)性較差。因此，開(kāi)發(fā)出動(dòng)力性能好，燃油消耗低等綜合性能優(yōu)的混合動(dòng)力汽車(chē)，具有服務(wù)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的研究意義和戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。

2? 混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，混合動(dòng)力汽車(chē)是我國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)[1]，如今新能源技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能減排已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)話題，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰和2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，新能源技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用很好地契合了社會(huì)的發(fā)展需求。目前，我國(guó)在新能源汽車(chē)的研發(fā)過(guò)程中，確立了以混合電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)為主的研發(fā)布局，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研緊密合作，校企共商，以動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)為模型，進(jìn)行動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能的仿真，對(duì)變速器速比進(jìn)行優(yōu)化，不斷提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性。確立了純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)[2]、燃料電池汽車(chē)為“三縱”，以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整車(chē)控制系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池/燃料電池為“三橫”的科研系統(tǒng)，促使我國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)的研發(fā)取得了較多的成果與進(jìn)展。電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、電控系統(tǒng)以及整車(chē)控制是混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)，汽車(chē)在運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換、油電混合率是目前混合動(dòng)力汽車(chē)研發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容。通過(guò)對(duì)汽車(chē)燃油消耗量的研究，根據(jù)汽車(chē)的運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)，運(yùn)行條件等因素綜合考慮，分別研究了不同質(zhì)量段，不同品牌車(chē)系的燃油消耗評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)。如圖1為主要國(guó)家乘用車(chē)燃料消耗量的變化趨勢(shì)。從圖中可知我國(guó)的乘用車(chē)燃油消耗量呈現(xiàn)逐年大幅下降的趨勢(shì)，而且世界上大多數(shù)國(guó)家乘用車(chē)燃油消耗量也不斷下降?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)作為未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展方向，為了滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求，燃料消耗量這一評(píng)價(jià)指標(biāo)將不斷下降。

2.1 HEV的分類(lèi)及工作原理? 混合動(dòng)力汽車(chē)是由控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。在汽車(chē)行駛之初，蓄電池處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿(mǎn)足車(chē)輛的要求，車(chē)輛勻速起步，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不工作，當(dāng)電池電量低于60%時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)車(chē)輛需求能量較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)和蓄電池同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量。當(dāng)車(chē)輛需求能量較低時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不僅給車(chē)輛提供能量，還為蓄電池進(jìn)行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況，也改善了車(chē)輛排放系統(tǒng)。根據(jù)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同，HEV可分為串聯(lián)、并聯(lián)和組合式3種模式，國(guó)產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車(chē)大多都采用電力驅(qū)動(dòng)與熱能系統(tǒng)混合工作的模式[3]，利用電能等其他形式的能量作為汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，如圖2為混合動(dòng)力汽車(chē)的基本工作原理。HEV根據(jù)汽車(chē)不同的行駛狀況選擇不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況[4]，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與蓄電池的工作轉(zhuǎn)態(tài)有不同的組合模式，通過(guò)不同的組合模式滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的功率需求。當(dāng)汽車(chē)選擇組合動(dòng)力模式，根據(jù)汽車(chē)的行駛狀況，選擇不同的功率輸出模式與之匹配。當(dāng)汽車(chē)需求功率大時(shí)，蓄電池能夠?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)提供功率，當(dāng)汽車(chē)需求功率較小時(shí)，多余的功率能夠儲(chǔ)存在蓄電池中。以豐田HEV的工作原理為例，車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，這時(shí)油耗完全為零。巡航時(shí)，電動(dòng)機(jī)休息，發(fā)動(dòng)機(jī)工作，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，加速時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，通過(guò)電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)油。減速時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于非工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)的作用，將汽車(chē)制動(dòng)時(shí)其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，從而為蓄電池進(jìn)行充電。

2.2 HEV的動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析? HEV的動(dòng)力性指標(biāo)主要由最高運(yùn)行車(chē)速、加速能力和最大爬坡能力來(lái)衡量，是汽車(chē)在行駛狀態(tài)下綜合性能的重要體現(xiàn)。隨著汽車(chē)制造測(cè)試水平的不斷提高，綜合性能指標(biāo)是汽車(chē)制造廠根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)，通過(guò)樣車(chē)測(cè)試得大數(shù)據(jù)得出來(lái)的。HEV最高車(chē)速充分反映了在正常路況條件下，汽車(chē)所能行駛的最大速度。HEV的加速能力大小指汽車(chē)在行駛中單位時(shí)間內(nèi)速度的變化快慢，通過(guò)大的加速度可以滿(mǎn)足行駛的要求。在標(biāo)準(zhǔn)體系中，用加速時(shí)間T和加速距離S來(lái)表示，衡量汽車(chē)原地起步性能和超車(chē)性能。爬坡能力指的是汽車(chē)在路況較好的情況下，HEV各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)正常的情況下，在低速檔行駛下所能爬行的最大坡度。為了確?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)合理的行駛性能，要求其具有高比能量，以確?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)達(dá)到合理的行駛里程，具有高比功率，確保其加速和爬坡性能。串聯(lián)式HEV的動(dòng)力源完全由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)總成與蓄電池組提供電機(jī)所需要的動(dòng)力源，電池工作狀態(tài)處于較高水平時(shí)，HEV對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)功率的要求與純電動(dòng)汽車(chē)相似，不足之處是容量要低。并聯(lián)式HEV內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)都可以直接對(duì)車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn)提供持續(xù)的動(dòng)力源，汽車(chē)行駛的動(dòng)力源要求可以由不同的動(dòng)力電池組組合滿(mǎn)足汽車(chē)的動(dòng)力要求。當(dāng)電池的容量比較小的時(shí)候，汽車(chē)動(dòng)力電池組瞬時(shí)提供的功率要滿(mǎn)足汽車(chē)運(yùn)行的基本要求。

3? 混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性參數(shù)研究

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷升級(jí)改造，產(chǎn)品的不斷更新迭代，混合動(dòng)力汽車(chē)將多種能量的轉(zhuǎn)換技術(shù)集于一體，這種混合減少了汽車(chē)尾氣排放，減低了燃油消耗。針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力性能的研究參數(shù)，采用多元函數(shù)定性分析方。通過(guò)路況測(cè)試分析動(dòng)力總成參數(shù)，當(dāng)駕駛員在變換檔位的時(shí)候能夠有效的控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳的工作擬合曲線上。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速和低轉(zhuǎn)矩下工作，適當(dāng)減少燃油消耗，降低成本，提高汽車(chē)及零部件性能及壽命，通過(guò)能量回收，保持發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化配置，如圖3為汽車(chē)運(yùn)行速度與燃油消耗的變化曲線，以達(dá)到混合動(dòng)力汽車(chē)對(duì)動(dòng)力性能的要求[5]，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和參數(shù)調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)具有高動(dòng)力性能，低燃油消耗的新技術(shù)。

4? 混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)匹配性

汽車(chē)動(dòng)力性能參數(shù)優(yōu)化是以汽車(chē)動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)分析汽車(chē)的動(dòng)力性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，以汽車(chē)動(dòng)力性要求為約束條件，多工況燃料經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以豐田系列的汽車(chē)為例，通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)變速器速比實(shí)現(xiàn)運(yùn)行汽車(chē)在額定載荷下滿(mǎn)足動(dòng)力性要求，達(dá)到最佳工況下燃料的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在新能源汽車(chē)中，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)有三個(gè)動(dòng)力輸出部件，即汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各部件工作狀態(tài)復(fù)雜，汽車(chē)在運(yùn)行中需要對(duì)各個(gè)動(dòng)力部件輸出動(dòng)力源、動(dòng)力的復(fù)合優(yōu)化及分配進(jìn)行控制。因此，研究對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略路徑并實(shí)施控制策略[6]，通過(guò)汽車(chē)不同條件下的動(dòng)力特性曲線分析，兼顧經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)原則，以汽車(chē)行駛速度等為參數(shù)進(jìn)行模擬，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工況和整車(chē)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

5? 總結(jié)

本文研究了混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性匹配問(wèn)題，通過(guò)分析動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，從而研究整車(chē)的最佳工況，優(yōu)化控制策略。通過(guò)設(shè)定經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，選擇研究的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力模式的分析，及各個(gè)模式下的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)模式及工作條件，得到通用性控制策略;通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩功率的輸出進(jìn)行了定性分析，建立了動(dòng)力部件轉(zhuǎn)矩輸出的控制策略，復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

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