馮仁華，陳昆陽，趙智超, 王韶陽，孫旺兵，郭 棟

(1.重慶理工大學 車輛工程學院， 重慶 400054；2.中國汽車工程研究院有限公司， 重慶 401122；3.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

0 引言

能源危機和環(huán)境保護是當今世界面臨的兩大挑戰(zhàn)[1]。實現碳中和是許多國家和政府在2060年左右要實現的目標[2]。交通運輸業(yè)由于碳排放量大，是能源消耗和污染最嚴重的行業(yè)。有數據顯示，全球交通運輸領域的能源消費占能源消費總量的28.8%，其中，石油消費占比達到65.2%[3]。汽車作為交通工具中最重要的一部分，帶來了巨大的油耗和環(huán)境污染?！吨袊苿釉喘h(huán)境管理年報(2021)》顯示[4]，汽車是大氣污染物以及能耗的主要貢獻者，其中商用車的排放量及能耗更是居高不下。

為節(jié)約能源和保護環(huán)境，許多國家制定了更嚴格的汽車油耗和排放量法規(guī)，對整車精細化、高質量的發(fā)展提出了更高的要求，特別是油耗和排放較大的商用車。因此，很多技術和措施應用到傳統(tǒng)內燃機及整車上，如替代燃料、燃燒優(yōu)化、關鍵零部件和系統(tǒng)優(yōu)化、廢氣后處理、低風阻技術等。近年來，整車能量流管理和分析被廣泛應用于汽車的設計、開發(fā)和優(yōu)化中，以促進節(jié)能減排[5-10]。通過對整車能量流的研究，可掌握整車的能量使用效率，以及各部件的能量損失率，以便汽車制造商對整車能量進行合理的管理，保證整車各子系統(tǒng)高效協同工作，最終生產出節(jié)能、高效、環(huán)保的汽車。

近年來，混合動力汽車由于結合了燃油車和電動汽車的優(yōu)點而得到了廣泛的發(fā)展，尤其是在商用車方面。與傳統(tǒng)的內燃機汽車相比，混合動力汽車可以消耗更少的化石燃料，產生更低的溫室氣體排放，而與純電動汽車相比，由于混合動力汽車有內燃機和動力電池輸出能量，避免了里程焦慮。當前，混合動力汽車的能量流分析與管理在提高車輛效率方面發(fā)揮著尤為重要的作用，已受到國內外學者和專家的廣泛關注，并通過數值模擬、試驗研究等方式進行了一定的研究，取得了相關的研究成果[11-15]。但國內外關于能量流的研究主要針對乘用車，對商用車特別是混合動力商用車能量流分析的研究很少。此外，一些關于混合動力汽車的研究缺乏對具體的驅動模式和關鍵部件運行狀況及效能的分析，也未對各行駛模式進行明確的劃分和分析，研究的深度和廣度上還存在一定的不足。本文主要通過試驗研究的方法，全面分析某混合動力商用車的總體油耗、能量流特性、具體驅動模式、關鍵部件的運行狀況及能效，同時還對各工作模式做了詳細的劃分和研究，為該車輛后續(xù)的動力性、經濟性優(yōu)化等提供相關指導和支持。

1 試驗設備及試驗過程

1.1 試驗車輛

試驗車輛為一輛混合動力箱式商用車，其動力系統(tǒng)由一臺直列四缸、四沖程、3.74 L渦輪增壓柴油發(fā)動機，一個峰值功率為110 kW的驅動電機和一臺電池容量為26 kW·h的錳酸鋰高壓動力電池組成。整車及相關部件的主要技術參數見表1所示。

表1 試驗車輛及相關部件主要技術參數

1.2 試驗設備及傳感器布置

整車能量流測試在帶環(huán)境倉的底盤測功機上進行，能量流試驗裝置如圖1所示。其中，環(huán)境艙用于模擬真實的環(huán)境條件，車輛固定在底盤測功機上以模擬車輛在道路上的行駛情況。測試平臺中的各種系統(tǒng)包括排放采集系統(tǒng)、底盤測功機數據采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和風機控制系統(tǒng)等。各個試驗設備都是為了盡可能地模擬車輛的真實行駛狀況。

圖1 整車能量流試驗示意圖

為了獲得能量流的具體數據，在試驗車輛上安裝了不同種類的傳感器和裝置，用于實時記錄車輛狀態(tài)信號。各種溫度、壓力和流量傳感器分別安裝在冷卻水回路、氣體回路和潤滑油回路中。同時，在電路上安裝了電流和電壓傳感器。驅動電機的電功率由功率分析儀測量。油耗儀和應變式扭矩儀分別用于測量和反映車輛經濟性和動力性。根據測量的信號特性，所有傳感器類型和范圍都經過仔細選擇和校準。一些車輛信號從車輛CAN總線獲得，進而在測試過程中準確監(jiān)控車輛狀態(tài)。將上述各傳感器、信號采集裝置和CAN總線信號集成到HBM-Quantum X數據采集系統(tǒng)中，實現對車輛的實時信號采集。相關設備和傳感器安裝完成后需要進行調試以保證試驗數據的準確性，傳感器布局方案如圖2所示。測試設備及主要參數如表2所示。

圖2 傳感器布置方案示意圖

表2 測試設備及主要參數

續(xù)表(表2)

1.3 試驗過程

由于本研究試驗車輛為重型混合動力廂式貨車，故環(huán)境艙的溫度、濕度以及測量方法均按照國家標準GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》來執(zhí)行。在試驗循環(huán)工況選擇上，中國對重型商用車的試驗工況一般采用CHTC-HT工況(中國貨車行駛工況，GVW>5 500 kg)和C-WTVC工況(中國-世界商用車瞬態(tài)行駛工況)， 2種工況對比詳見圖3所示。

圖3 循環(huán)工況曲線

CHTC-HT工況分為市區(qū)、郊區(qū)和高速部分，其中市區(qū)部分占比19%；C-WTVC工況分為市區(qū)、公路和高速部分，其中市區(qū)部分占比50%。本試驗車輛為廂式貨車，主要用于城市內物流運送，在市區(qū)內運行的時間相對較長，所以本次測試的循環(huán)工況采取市區(qū)部分占比較大的C-WTVC工況，以更好地體現試驗車輛的實際工作情況。根據 C-WTVC工況中的相關標準，正式試驗前，需對該車輛和底盤測功機進行充分預熱。

為模擬實際道路的行駛，還需要對底盤測功機進行道路阻力模擬設置，得到的道路阻力曲線如圖4。

圖4 道路阻力曲線

1.4 數據處理

在整車能量流研究中，需要對試驗測得的燃油量、電流、電壓、溫度、壓力、流量等進行能量計算，以獲取各系統(tǒng)或部件的能量消耗、能量損失等。

燃油作為車輛的唯一能量來源，其能量數值對于評價發(fā)動機的熱效率等有著至關重要的作用，燃油總能量計算公式如下所示：

Qfuel=Mfuel·Hfuel

(1)

式中：Qfuel代表燃油釋放的總能量；Mfuel代表燃油質量，由油耗儀測得；Hfuel表示燃油的低熱值。

混合動力商用車中，發(fā)動機作為主要輸出源之一，其換熱損失也不可忽略，本文研究的換熱損失主要包括暖風換熱損失、散熱器換熱損失等，具體的計算公式如下：

(2)

電機及電器回路的能量數值主要根據功率分析儀或者傳感器測試的電流、電壓計算而來；發(fā)動機以及傳動系的能耗數值主要由扭矩傳感器、CAN總線、底盤測功機等采集或者通過計算而來。

為研究電機控制器的效率，本次試驗中電機控制器的輸出與輸入能量由功率分析儀獲得，具體的計算方法如下所示：

(3)

(4)

式中：Ep_in、Ep_out分別為高壓分電盒(PDU)充放電能量；Ec_in、Ec_out分別為電機控制器充放電能量；Wp、Wc、Tm分別為功率分析儀測試的高壓分電盒、電機控制器能量和電機扭矩。

試驗中，各用電器的能量主要通過傳感器測量的電流及電壓得到，具體的計算公式為：

(5)

式中：En為各個用電器的用電量；Ut和It分別為測試的電壓和電流。

電機和發(fā)動機作為動力輸出源，其效率及能量走向直接與整車的經濟動力性有關，故本文對電機和發(fā)動機的能量計算如下：

(6)

(7)

式中：Ee為發(fā)動機輸出能量；Em_in和Em_out分別為電機充電和放電時的能量；Te為發(fā)動機扭矩；Ne和Nm分別為電機和發(fā)動機轉速。

混合動力汽車的傳動是電機和發(fā)動機進行動力耦合輸出的，為進一步確定整車傳動效率，計算出傳動軸輸出能量是必須的，所以傳動軸能量計算公式如下：

(8)

式中：Ea為傳動軸輸出能量；Ta、Nv分別表示傳動軸扭矩和車輪轉速。

余項損失在發(fā)動機的能量損失中占主要部分，主要包括發(fā)動機泵氣損失、摩擦損失、燃燒損失以及排氣焓增等，為了更好地對整車的能量走向進行說明，研究和分析余項損失是必要的。余項損失的各組成部分計算公式如下。

泵氣損失和摩擦損失分別為：

(9)

(10)

式中：Qpmep、Qfmep分別為發(fā)動機的泵氣損失和摩擦損失；Ppmep、Pfmep分別為泵氣損失壓力和摩擦損失壓力；Vs為發(fā)動機每缸的工作容積；n為發(fā)動機轉速；i為發(fā)動機缸數；τ為沖程數。

燃燒損失：

Qcmb=mfuel·Hu·(1-λ)+mx·Hx

(11)

式中：Qcmb為燃燒損失；λ為過量空氣系數；mx和Hx分別為排氣中未燃組分(THC、CO)質量及低熱值。

排氣焓增：

(12)

2 試驗結果及分析

2.1 整車油耗及能量分布特性

根據C-WTVC工況能量流測試結果示，該試驗車輛行駛里程為20.51 km，百公里油耗為23.76 L，動力電池能量消耗為671 kJ。

由以上各公式計算出的整車能量流分布特性如圖5所示，整車的能耗分布特性如圖6所示。

圖5 整車能量流分布特性(單位：kJ)

由圖5可知，本文試驗車輛的電池電量相對均衡，能量大部分仍由發(fā)動機提供，從發(fā)動機輸出軸輸出的能量通過直接驅動或為發(fā)電機發(fā)電后電機驅動車輛行駛，此外，車輛在制動時也有部分能量回收并存儲到電池中。通過制動回收的能量為12 742 kJ，回收的能量經過變速箱、電機、電機控制器和高壓分電盒后儲存在動力電池中，動力電池的制動能量回收率為81.95%。

圖6 整車能耗分布特性

從圖6整車能耗分布特性看出，用于驅動車輛的能量占總能量的30.99%。在整個傳動系統(tǒng)中，電機、電機控制器及AMT變速箱在驅動和制動過程中受到其機械效率的影響，都存在一定的能量損失，電機、電機控制器、變速箱的能量損失所占比例分別為1.11%、0.53%、4.17%，可以通過提高相關部件的機械效率及優(yōu)化工況點來降低這部分損失。

對于低壓附件來說，其消耗的能量相對非常小。除了發(fā)動機的輸出功外，由圖5、圖6所知，發(fā)動機的換熱損失及余項損失的能量非常大。發(fā)動機的換熱損失中，散熱器和電機回路的換熱損失占主要部分，分別占總能量的8.89%和2.6%。余項損失主要包括發(fā)動機的泵氣損失、摩擦損失、燃燒損失、排氣焓增及其他各種損失等，他們主要與發(fā)動機的設計與所用燃料的種類有關。余項損失的數值為燃油總能量減去發(fā)動機輸出能量與換熱損失之和，通過圖5整車能量流分布特性可計算出余項損失占總能量的50.67%，降低該部分的損失可以有效地提高整車的燃油經濟性，如發(fā)動機燃燒優(yōu)化、進排氣系統(tǒng)優(yōu)化設計、低摩擦技術、渦輪增壓器優(yōu)化匹配、尾氣能量回收等[16-17]，可在后續(xù)的研究中重點測量和分析余項損失中各部分的能量損失情況。

2.2 整車行駛模式分析

通過整車能量流測試結果及整車能量流分析基本理論，該試驗車輛劃分為7個行駛模式，分別為發(fā)動機直驅、純電驅動、并聯驅動、發(fā)動機驅動發(fā)電、怠速、機械制動和能量回收。在C-WTVC循環(huán)工況下，各模式行駛時間占的比例如圖7所示,各行駛模式分布特性如圖8所示。

圖7 各模式行駛時間所占比例

從圖7和圖8可以看出，純電驅動模式主要工作在車速低于30 km/h且電池SOC處于較高狀態(tài)，純電驅動模式共164 s，占比為9.1%。并聯驅動主要在車輛加速或車速較高時，這時車輛需要較大的驅動功率，并聯驅動模式共532 s，占比為29.56%。發(fā)動機直驅主要在中等車速時，發(fā)動機直驅共47 s，占比為2.61%。驅動發(fā)電主要在整車SOC值較低且需要較大功率輸出的情況，驅動發(fā)電共333 s，占比為18.51%。能量回收主要發(fā)生車輛減速時，通過電機反轉驅動發(fā)電機發(fā)電，能量回收共425 s，占比為23.61%；機械制動是指在車輛緊急制動時，滿足了整車制動，但制動能量未被電機回收利用的情況，機械制動共117 s，占比為6.5%。怠速工況是指整車無動力輸出，車輛靜止時的工作模式，怠速共182 s，占比為10.11%。

圖8 行駛模式分布特性

3 關鍵部件工作狀態(tài)分析

為了更深入地了解該車的油耗和能量流特性，對動力系統(tǒng)(發(fā)動機和電池)和部件(主要是電機)的工況和能效進行了分析。

3.1 動力電池工作狀態(tài)

在混合動力汽車中，動力電池的工作主要是頻繁的制動能量回收以及加速時的輔助動力輸出。對于動力電池來說，SOC是最重要的參數和指標之一[18]。動力電池管理策略主要取決于其荷電狀態(tài)(SOC)的準確性。在本次C-WTVC循環(huán)工況中，試驗車輛動力電池的SOC如圖9所示。動力電池SOC為37.2%～49.3%，在1 547 s時SOC達到最小值37.21%，平均SOC為42.7%。從電池SOC變化歷程可知，在長下坡時，電池SOC增長較快，說明制動回收效果顯著，動力電池SOC在加速和高速階段下降較快，但在SOC處于較低位置時，由于電池控制策略，使得電池依舊處于充電模式，發(fā)動機負責驅動并同時給電池充電。

圖9 動力電池SOC變化曲線

內阻是動力電池的關鍵參數之一，它分為靜態(tài)內阻和工作內阻。內阻與電池的充放電息息相關，直接反應電池的老化程度，也是電池失效的重要指標之一[19]。動力電池電流和電壓擬合關系如圖10所示，其中擬合曲線的斜率可以表示電池的內阻，由圖可見該動力電池的內阻為0.141 9 Ω。

圖10 動力電池電流電壓擬合關系

3.2 發(fā)動機工作狀態(tài)

發(fā)動機作為混合動力車輛的主要動力源之一，其工作點的分布直接影響整個行駛過程的油耗[20]。本次試驗車輛的發(fā)動機工作點在萬有特性上的分布如圖11所示。由圖11可知，該試驗車輛發(fā)動機的最低燃油消耗率為185 g/(kW·h)。

圖11 發(fā)動機工作點分布

圖11中，發(fā)動機并聯驅動時，由于有電機的輔助動力輸出，發(fā)動機主要工作在中等轉速、中高負荷，該區(qū)域發(fā)動機油耗較低，以致整車的能量利用率高，表現出良好的經濟性。當發(fā)動機驅動發(fā)電時，需要較大的動力輸出，發(fā)動機主要工作在中等轉速的外特性上，該區(qū)域有較好的燃油經濟性。此時發(fā)動機動力輸出得到充分利用，發(fā)動機效率較高。發(fā)動機直驅工作點在整個循環(huán)中較少，且工作點大部分位于低轉速、高油耗區(qū)域，此工作模式多用在其余2種模式切換的中間過程。

總體上看，整個循環(huán)試驗中發(fā)動機約有65%的點工作在200 g/(kW·h)以下區(qū)域，發(fā)動機在整個循環(huán)的熱效率為36.81%，說明該混合動力車輛對于發(fā)動機的工作點控制得較好，但是，在發(fā)動機中低轉速、中低負荷的高油耗區(qū)域仍有一部分工作點，后續(xù)可以通過優(yōu)化控制策略使得相關的工作點遠離該高油耗工作區(qū)域。

3.3 電機工作狀態(tài)分析

電機工作點的分布對整車的動力輸出以及能量回收情況都有著很大的影響，直接影響著整車的動力及經濟性[21]。電機工作主要在純電驅動、并聯驅動、能量回收和驅動發(fā)電模式時，電機的效率及工作點分布如圖12所示。

圖12 電機工作點分布

當純電驅動時，電機主要在中等轉速、中等扭矩下工作，電機總體工作效率較高，約有57%的工作點在效率大于94%的區(qū)域。并聯驅動時，由于電機配合發(fā)動機動力輸出，同時調節(jié)發(fā)動機工作點，電機工作點相對分散，電機主要在中等轉速、中低扭矩下工作，效率相對純電驅動低，約有41%的工作點工作在效率大于94%的區(qū)域，約有47%的工作點工作在效率小于92%的區(qū)域。在驅動發(fā)電工況，電機工作為發(fā)電機，并且還需要調節(jié)發(fā)動機的工作狀態(tài)，所以整體效率低于驅動狀態(tài)。在驅動發(fā)電工況下，電機主要在中等轉速、低扭矩下效率為91%～93%區(qū)域內工作。在制動能量回收模式下，電機工作點低轉速、低和高扭矩的區(qū)域，電機工作效率較低。

總體上看，約有24%的工作點工作在效率大于94%的區(qū)域，53%的工作點工作在效率小于92%的區(qū)域，尤其是發(fā)動機驅動電機發(fā)電和能量回收時，后續(xù)可以重點針對這2種模式對電機的工況進行優(yōu)化，以提升電機的整體工作效率。

4 結論

本文以某重型混合動力商用車為研究對象，基于中國-世界商用車瞬態(tài)行駛工況(C-WTVC)，在帶環(huán)境倉的底盤測功機上進行整車能量流試驗，研究了該混合動力汽車的能量流特性，并分析了試驗循環(huán)中試驗車輛的具體驅動方式、動力系統(tǒng)及關鍵部件的工作狀態(tài)和能效，主要結論如下：

1) 整車百公里油耗為23.76 L，通過制動回收的能量為12 742 kJ，該能量儲存到動力電池的制動能量回收效率為81.95%。

2) 用于驅動車輛的能量占總能量的30.99%。在發(fā)動機的換熱損失中，散熱器和電機回路的換熱損失占主要部分，分別占總能量的8.89%和2.6%。主要包括發(fā)動機的泵氣損失、摩擦損失、燃燒損失、排氣焓增等的余項損失占總能量的50.67%，在后續(xù)的研究中應重點測量和分析余項損失中各部分的能量損失情況，并進行優(yōu)化。

3) 發(fā)動機直驅、純電驅動、并聯驅動、驅動發(fā)電和能量回收分別占總循環(huán)時間的2.61%、9.1%、29.56%、18.51%和23.61%，各模式分配較合理。

4) 發(fā)動機試驗循環(huán)的總熱效率為36.81%。在發(fā)動機中低轉速、中低負荷的高油耗區(qū)域的部分工作點，可以通過優(yōu)化控制策略使相關工作點遠離高油耗工作區(qū)域。

5) 約有24%的電機工作點工作在效率大于94%的區(qū)域，約有53%的電機工作點工作在效率小于92%的區(qū)域，且主要集中在發(fā)動機驅動電機發(fā)電和能量回收時，需要對這2種模式時電機的工況進行優(yōu)化，以提升電機的整體工作效率。