趙付舟，胡如夫，崔仲華

（寧波工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，寧波，315211）

傳統(tǒng)燃油汽車中用于驅(qū)動的能量只占到發(fā)動機燃燒化學(xué)能的30%左右，另外隨廢氣直接釋放到環(huán)境中的能量占到40%左右，由冷卻水帶出機體并釋放到環(huán)境中的能量占到剩余的40%左右［1］。為了應(yīng)對日益緊迫的能源危機，國內(nèi)外專家做過大量的工作通過各種途徑來提高車輛的節(jié)能潛力。從完善內(nèi)燃機的燃燒過程來提高車輛的能量利用效率目前已經(jīng)逐步達到極限。目前電動汽車受到各工業(yè)發(fā)達國家的普遍重視來應(yīng)對能源危機［2］。電動汽車的儲能元件利用了從熱電廠大規(guī)模高效率燃燒化石燃料所發(fā)的電能或通過其它新能源途徑獲取的電能，因此電動汽車的發(fā)展前景被世界各國普遍看好。純電動汽車面臨儲能元件的能量密度限制而影響汽車的續(xù)駛里程，目前其市場競爭力還不如傳統(tǒng)燃油汽車。而混合電動汽車集成了燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)勢，是世界各大汽車公司角逐的主要新能源汽車產(chǎn)品。

汽車熱電回收是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)，將汽車燃油釋放化學(xué)能中約70%的低品位廢熱直接轉(zhuǎn)化為可利用電能，從而提高車輛的燃油經(jīng)濟性。由于油電式混合電動汽車具備可共享的功率變換單元和大容量儲電元件等電力電子平臺，擬研究熱電回收對并聯(lián)混合電動汽車整車動力性及經(jīng)濟性的影響。

1 熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車控制策略

研究的熱電回收并聯(lián)混合電動汽車結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種混合電動汽車采用“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”和“動力電機”兩路動力并聯(lián)，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩耦合器疊加后傳入變速器中，再經(jīng)過變速系統(tǒng)和主減速器進行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變換，這樣動力就傳遞到驅(qū)動輪上。在燃油發(fā)動機冷卻水箱、機體、機油油底殼、變速器油底殼及排氣管等熱源的外壁布置熱電模塊系統(tǒng)，熱電模塊回收的電能給熱電模塊電機供電，這樣回收的汽車廢熱能量就可以實時地匯入傳動系統(tǒng)中，從而提高汽車的動力性和經(jīng)濟性。

1.1 動力系統(tǒng)控制策略

在熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車中“動力電機”與“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”的運行方式采用電動機輔助的動力系統(tǒng)控制策略，如圖2所示。

1.1.1 蓄電池的電量充足（即SOC＞cs_lo_soc）

車速低于起動轉(zhuǎn)速或者傳動系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機關(guān)閉轉(zhuǎn)矩的情況下關(guān)閉發(fā)動機而由 “動力電機”來提供全部轉(zhuǎn)矩。而車速高于起動轉(zhuǎn)速，且傳動系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機關(guān)閉轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩之間時由“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”提供轉(zhuǎn)矩。當傳動系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩大于“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”最大輸出轉(zhuǎn)矩的情況下“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”和“動力電機”共同提供系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩。

1.1.2 蓄電池的電量不足（即SOC＜cs_lo_soc）

當傳動系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩低于 “發(fā)動機及熱電模塊電機總成”最小轉(zhuǎn)矩曲線時，“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”按照最小轉(zhuǎn)矩曲線提供轉(zhuǎn)矩，剩余的轉(zhuǎn)矩用于給蓄電池充電。當傳動系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩高于“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”最小轉(zhuǎn)矩曲線時，“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”按照最佳工作點運行，剩余的轉(zhuǎn)矩也用于給蓄電池充電。以上兩種情況中，只要發(fā)動機處于運行狀態(tài)下，熱電模塊會一直發(fā)電并供應(yīng)給熱電模塊電機。

1.2 廢熱熱電回收的控制策略

熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車中發(fā)動機運行狀態(tài)下產(chǎn)生的廢熱回收功率與發(fā)動機工況有關(guān)。動力系統(tǒng)總成提供的功率為發(fā)動機曲軸輸出功率、熱電模塊電機功率與動力電機功率之和。因此轉(zhuǎn)矩耦合器輸出的功率（單位W）為：

式中：Te為發(fā)動機曲軸輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；ωe為發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速，rad/s；Gf為燃油消耗率，g/s；Hu為燃料低熱值，J/g；ηr為熱電模塊廢熱發(fā)電效率；ηm為熱電模塊電機效率；Pm為動力電機發(fā)出的功率，W。

熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車的轉(zhuǎn)矩耦合器輸出最大轉(zhuǎn)矩（單位：Nm）為

式中：Temax為發(fā)動機輸出最大轉(zhuǎn)矩，Nm；Tm為動力電機輸出轉(zhuǎn)矩，N.m；其他參數(shù)含義同式（1）。

熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車制動轉(zhuǎn)矩為發(fā)動機制動轉(zhuǎn)矩與電機制動轉(zhuǎn)矩之和，其值（單位Nm）為：

式中：Vs為發(fā)動機排量，L；ωemax為發(fā)動機曲軸最高轉(zhuǎn)速，rad/s；Tmb為動力電機制動轉(zhuǎn)矩，Nm；其他參數(shù)含義同式（1）。

在發(fā)動機工況變化過程中，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加或負荷增大時排氣管的排氣溫度是逐漸增加的，排氣廢熱功率也會增加［3］。適合熱電模塊回收的廢熱，除了發(fā)動機排氣管外，還有冷卻系統(tǒng)和機體等部位。在試驗的基礎(chǔ)上，可以計算得到各個發(fā)動機工況點的最高廢熱功率為：

廢熱功率的獲得為設(shè)計熱電模塊廢熱回收控制策略提供了方便。根據(jù)測量得到的發(fā)動機燃油消耗率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可以計算出任意工況點的最大廢熱功率。

圖3給出了某型乘用車中1.9 L（95 kW）汽油發(fā)動機轉(zhuǎn)速從 500～6 000 r/min（12個轉(zhuǎn)速點）、節(jié)氣門從15%～100%（10個負荷點）的廢熱功率。圖3中用“○”表示該工況點發(fā)動機的廢熱功率大于100 kW，而用“●”表示該工況點發(fā)動機的廢熱功率大于200 kW。從圖3可以看出發(fā)動機的廢熱功率隨其轉(zhuǎn)速和負荷增加而增大，在高速高負荷下廢熱的功率最大。發(fā)動機廢熱功率增加時排氣管、機體、水箱及油底殼等熱源部位的外壁溫度增加［4］，熱電模塊回收廢熱發(fā)電的功率也相應(yīng)增加。

2 熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車整車仿真

研究的熱電回收并聯(lián)混合電動汽車是在某款汽油發(fā)動機乘用車基礎(chǔ)上改裝而成，原車的參數(shù)如表1所示。

表1 某款汽油發(fā)動機乘用車參數(shù)

在ADVISOR 2002中可以很方便地選用不同類型的發(fā)動機、變速器、底盤、車身、電機、蓄電池及汽車附件等部件，并可以對“…ADVISOR 2002data”文件夾中與部件參數(shù)關(guān)聯(lián)的M文件進行修改，然后對“…ADVISOR 2002models”文件夾中的simulink文件進行計算過程與控制算法模型的修改。圖4顯示了ADVISOR并聯(lián)混合電動汽車simulink仿真框圖結(jié)構(gòu)，可以看出數(shù)據(jù)是按照前向和后饋方式混合流經(jīng)每個部件節(jié)點的［5］。

原汽油乘用車改裝時擬采用并聯(lián)輕度混合電動結(jié)構(gòu)，因此采用某小型永磁同步直流電機，電機的額定功率為25 kW，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，質(zhì)量45 kg，電機具備電動助力和制動發(fā)電的功能。蓄電池采用某型6AH的鋰離子動力電池，75節(jié)電池單元的串聯(lián)輸出額定電壓為267 V，質(zhì)量28 kg。

應(yīng)用ADVISOR 2002模型可以模擬混合電動汽車以及熱電回收的混合電動汽車的動力性與經(jīng)濟性。熱電回收的混合電動汽車與混合電動汽車相比是在汽車的熱源部位安裝了熱電模塊，熱電模塊所發(fā)的電能供應(yīng)給熱電模塊電機，這樣回收的汽車廢熱能量就可以實時地匯入傳動系統(tǒng)中。由于熱電模塊電機的功率隨發(fā)動機工況變化，經(jīng)過計算后修改發(fā)動機M文件中高速高負荷工況的油耗和外特性轉(zhuǎn)矩曲線就可以建立“發(fā)動機及熱電模塊電機總成”的ADVISOR模型。原汽油乘用車的性能參數(shù)可以從制造廠商獲得，混合電動汽車以及熱電回收混合電動汽車的性能參數(shù)是以汽油乘用車的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用ADVISOR 2002模擬計算得到的。計算汽車循環(huán)工況油耗時選用CYC_UDDS近似代表城市路況，而選用CYC_WVUINTER近似代表高速公路路況。

圖5分別給出了城市路況（見圖5a）和高速公路路況（見圖5b）下熱電并聯(lián)混合電動汽車循環(huán)工況仿真結(jié)果。從圖中可以看出在高速公路路況下發(fā)動機的廢熱功率遠高于城市路況，而高速公路路況下動力電機驅(qū)動做功（功率為正值）或制動發(fā)電（功率為負值）的功率要遠低于城市路況。在城市路況下，汽車頻繁加速或減速的行駛特征，決定了汽車制動能回收功率潛力大。而在高速路況下發(fā)動機負荷較大的行駛特征決定了發(fā)動機的廢熱熱電回收功率潛力較大。汽車制動能回收效率較高導(dǎo)致圖5a中電池的SOC值呈鋸齒狀充放電波動而下降緩慢。汽車熱電模塊發(fā)出的電能沒有存入蓄電池而是直接匯入傳動系統(tǒng)中導(dǎo)致圖5b中電池的SOC值呈不斷下降的趨勢。從圖5中可以看出熱電并聯(lián)混合電動汽車在不同的路況下可以交替發(fā)揮汽車制動能回收和廢熱熱電回收的優(yōu)勢。從理論上分析，熱電并聯(lián)混合電動汽車比并聯(lián)混合電動汽車具有更大的節(jié)能潛力。

表2 三種不同結(jié)構(gòu)的汽車性能比較

表2給出了三種不同結(jié)構(gòu)的汽車動力性和經(jīng)濟性參數(shù)比較。從表中可以看出模擬計算得到的混合電動汽車和熱電回收的并聯(lián)混合電動汽車的油耗均低于原汽油乘用車。原車改裝為混合電動汽車后整車油耗平均下降了9.2%，而并聯(lián)混合電動汽車加裝熱電模塊后整車的油耗進一步平均下降6.8%。原車改裝為混合電動汽車后最大爬坡度提高了27.7%，最高車速提高了3.3%，而加裝熱電回收系統(tǒng)后并聯(lián)混合電動汽車的最大爬坡度進一步提高了14.2%，最高車速也進一步提高了5.6%。加速時間也顯示了加裝熱電回收系統(tǒng)后并聯(lián)混合電動汽車的動力性進一步增加。

3 結(jié)論

（1）提出了熱電并聯(lián)混合電動汽車的動力系統(tǒng)控制策略和廢熱熱電回收控制策略，用于建立ADVISOR汽車分析模型。

（2）模型仿真結(jié)果顯示在城市路況下熱電并聯(lián)混合電動汽車具有較大的汽車制動能回收潛力，而在城市路況下熱電并聯(lián)混合電動汽車具有較大的熱電廢熱回收潛力，因此熱電并聯(lián)混合電動汽車在不同的路況下都可以發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢。

（3）并聯(lián)混合電動汽車比原汽油乘用車具備更高的動力性和經(jīng)濟性，而加裝熱電回收系統(tǒng)后的熱電并聯(lián)混合電動汽車的動力性和經(jīng)濟性能進一步提高。

［1］Jihui Yang，F(xiàn)rancis r.Stabler.Automotive Applications of Thermoelectric Materials ［J］.Journal of Electronic Materials，2009（38）：1245～1251.

［2］Barack Obama.The State Of the Union 2011--Winning the Future ［OL］.http：//www.whitehouse.gov/state-of-the-union-2011.

［3］蔡銳彬，陳子健，等.車用汽油機排氣溫度特性的研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（7）：77-80.

［4］趙付舟，王俊席，等.輕型柴油汽車中適合熱電回收的主要熱源特征研究［J］.內(nèi)燃機工程，2013（1）：40-45.

［5］曾小華.基于ADVISOR軟件的雙軸驅(qū)動混合動力汽車性能仿真模塊開發(fā)［J］.汽車工程，2003（5）：424-427.