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        串聯(lián)式混合動(dòng)力越野車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配分析

        2015-09-10 03:18:58鄭賢文周振華靜大勇
        汽車科技 2015年6期
        關(guān)鍵詞:串聯(lián)式油耗動(dòng)力電池

        鄭賢文, 周振華, 靜大勇

        (東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430058)

        1 研究背景

        越野汽車相對(duì)傳統(tǒng)公路車輛,由于路況復(fù)雜,故其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)往往較難取得較好平衡。由于越野車主要行駛在低、中速工況,車輛驅(qū)動(dòng)扭矩需求大但負(fù)載功率并不高,結(jié)果帶來(lái)較高的油耗值。傳動(dòng)增程式技術(shù)方案主要應(yīng)用于城市行駛的公交車、乘用車等,為追求更高的節(jié)油與排放目標(biāo),往往以動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)為主,小排量發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電為輔[1],對(duì)越野車由于行駛路況復(fù)雜,且對(duì)應(yīng)充電設(shè)施少,傳統(tǒng)增程式并不是最佳解決方案。隨著近年來(lái)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及動(dòng)力電池充放電水平的提升,為在越野汽車上采用串聯(lián)式混合動(dòng)力方案,并進(jìn)一步提升越野汽車性能創(chuàng)造了條件:可通過(guò)采用串聯(lián)式混合動(dòng)力方案來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性;通過(guò)動(dòng)力電池附加能量輸出來(lái)彌補(bǔ)為適應(yīng)路面沖擊而增加的結(jié)構(gòu)附加重量,同時(shí)對(duì)車輛動(dòng)力性,尤其對(duì)加速性能的提升。

        2 技術(shù)方案

        本文以某串聯(lián)式混合動(dòng)力四輪輪轂驅(qū)動(dòng)越野車為例進(jìn)行分析,其動(dòng)力模塊由高轉(zhuǎn)速高效柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)與三元系鋰離子動(dòng)力電池構(gòu)成,驅(qū)動(dòng)模塊由四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成,整車控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,為車輛行駛提供能源,同時(shí)對(duì)四輪輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。如圖 1為串聯(lián)式四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)越野汽車原理圖。

        3 越野工況及控制模型建立

        由于車輛負(fù)載功率、行駛車速及油門踏板開(kāi)度等信號(hào)可基本反映出車輛的具體工況需求與駕駛員意圖,所以可從此三個(gè)信號(hào)作為控制切入點(diǎn),如表1,將混合動(dòng)力越野車分為8種常見(jiàn)工況,分別對(duì)應(yīng)越野路行駛、公路行駛、極限攀爬等路況。在中低速公路行駛工況中包含低附著路驅(qū)動(dòng)控制,其中起步加速工況由于車輛加速慣性阻力功率,起步時(shí)功率在很短時(shí)間內(nèi)提高,然后保持在較高水平,直至車輛達(dá)到目標(biāo)車速,越野極限攀爬工況雖然驅(qū)動(dòng)力處于較大水平,由于車輛轉(zhuǎn)速極低,總體需求功率很小,因此可根據(jù)駕駛員油門踏板大小判斷驅(qū)動(dòng)力需求。對(duì)此本文不詳細(xì)展開(kāi)。

        表1 混合動(dòng)力越野汽車基本工況識(shí)別

        車輛負(fù)載功率計(jì)算公式如下(不考慮加速慣性阻力):

        式中:Pz為車輛行駛阻力功率(單位kW);m為車輛質(zhì)量(單位kg);g為重力加速度(取9.8m/s2);θ為坡道與水平面夾角;f為車輛行駛滾動(dòng)阻力系數(shù);cd為車輛風(fēng)阻系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積(單位m2)。

        HEV動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池組成。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池參與特點(diǎn),可拆分為三種工作模式如下:

        經(jīng)濟(jì)模式:動(dòng)力電池參與充放電,在滿足車輛功率需求的前提下,發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)總是處于最佳高效點(diǎn)運(yùn)行模式,主要用于車輛定速持續(xù)行駛工況,負(fù)載功率較小,系統(tǒng)在EV模式與HEV模式之間不斷切換;

        綜合模式:即功率跟隨式控制策略[2],動(dòng)力電池不參與充放電,發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組自適應(yīng)模式,此模式特點(diǎn)在于動(dòng)力電池由于不參與循環(huán),能夠在滿足一定低油耗的前提下保證動(dòng)力電池較高的使用壽命與綜合工況需求,負(fù)載功率居中,系統(tǒng)處于HEV模式;

        動(dòng)力模式:為滿足越野車輛高負(fù)載功率需求,發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)位于最高輸出功率點(diǎn),動(dòng)力電池全程參與放電,主用于車輛加速,負(fù)載功率最大。

        4 APU總成

        選型某高轉(zhuǎn)速柴油發(fā)動(dòng)機(jī),其萬(wàn)有特性如圖2所示,提出發(fā)動(dòng)機(jī)等效效率ηe的概念,其計(jì)算如公式(2),為發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速點(diǎn)最低比油耗ξi與一定負(fù)載功率下的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳比油耗ξmin的比值,發(fā)動(dòng)機(jī)等效效率體現(xiàn)了在一定轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)負(fù)載調(diào)整所能充分節(jié)油的能力。

        選型某永磁同步發(fā)電機(jī),其效率如圖3,發(fā)電機(jī)效率由ηm表示。

        根據(jù)圖 2、圖3,建立發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性參數(shù)查表模型,見(jiàn)公式 (3),其 中Ni=Nj,

        在經(jīng)濟(jì)模式,APU總是處于高效區(qū),限定工況行駛時(shí) HEV及 EV模式對(duì)應(yīng)往復(fù)切換的時(shí)間如下:

        式中: T1、T2分別為在經(jīng)濟(jì)模式下對(duì)應(yīng) HEV與EV運(yùn) 行周期(s);C為 動(dòng)力電池容量(Ah);U為動(dòng)力電池電壓(V);Pz為車輛負(fù)載功率(kW);P0為 APU高 效輸出功率; SOCmx與 SOCmn分別為動(dòng)力電池S OC上、下控制限值;η為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率。

        5 計(jì)算分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

        5. 1 動(dòng)力性分析與驗(yàn)證

        根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)理論、整車基本參數(shù),以及總成選型參數(shù)(見(jiàn)表 2),建立整車動(dòng)力性計(jì)算模型,計(jì)算車輛輸出與負(fù)載功率如圖 4所示:

        表2 串聯(lián)式混合動(dòng)力越野車計(jì)算輸入?yún)?shù)

        對(duì)原地起步加速工況進(jìn)行分析,如圖5所示,其中整車負(fù)載功率 Pz為由行駛阻力、風(fēng)阻產(chǎn)生的阻力功率,而整車有效負(fù)載功率則為考慮車輛加速慣性阻力功率的總負(fù)載功率。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載功率由發(fā)動(dòng)機(jī)起步響應(yīng)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)功率能力決定,剩余的功率缺口則完全由動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)充,在起步加速 20 s左右,加速動(dòng)作結(jié)束,車輛以最高車速勻速行駛。對(duì)應(yīng)動(dòng)力電池輸出電量變化如圖6所示。

        由圖 7可知,通過(guò)采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)方案,車輛加速性能提高了50%。

        以發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最高效點(diǎn)為優(yōu)化目標(biāo),計(jì)算可得在不同車速下的最佳比油耗ξ如圖8。在中低車速范圍,經(jīng)濟(jì)模式比綜合模式節(jié)油明顯,但隨著車速提高,車輛需求功率加大,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載功率可控制在最佳油耗點(diǎn)處,經(jīng)濟(jì)模式與綜合模式油耗曲線重合。

        5.2 經(jīng)濟(jì)模式控制分析與驗(yàn)證

        根據(jù)公式 4、公式 5,可以得到在不同限定車速工況下的循環(huán)時(shí)間,如圖 9左圖所示,可見(jiàn)循環(huán)周期與車速成雙曲線關(guān)系。在75 km/h車速處,HEV電池充電行駛與EV電池放電行駛時(shí)間相同,且對(duì)應(yīng)最短的循環(huán)周期(48 min),即車輛以75 km/h行駛48 min(其中HEV及EV周期分別為24 min),車輛將自動(dòng)切換到下個(gè)循環(huán)。在0~75 km/h車速范圍內(nèi),基本上每隔1km,車輛將自動(dòng)切換一個(gè)循環(huán),動(dòng)力電池電量在30%與80%之間往復(fù)變換一次。

        由圖9右圖可知,在中低速時(shí),車輛經(jīng)濟(jì)模式單循環(huán)里程基本保持在60 km左右,車速超過(guò)75 km/h后,單循環(huán)里程迅速提高。

        考慮到動(dòng)力電池充放電效率(97%左右)以及HEV、EV每個(gè)循環(huán)內(nèi)的里程比例,可求得經(jīng)濟(jì)模式循環(huán)工況綜合油耗在不同車速下的變化曲線,如圖9:

        在圖 8得到的不同負(fù)載功率下的比油耗曲線基礎(chǔ)上,計(jì)算在不同車速下車輛對(duì)應(yīng)最佳百公里油耗,并將試驗(yàn)結(jié)果與同噸位搭載五檔變速箱的越野車進(jìn)行對(duì)比,如圖 11,其中“ 1檔百公里油耗”曲線至“ 5檔百公里油耗”曲線為同噸位搭載 5檔變速箱試驗(yàn)數(shù)據(jù),“經(jīng)濟(jì)模式-理論”為計(jì)算理論曲線,“經(jīng)濟(jì)模式-試驗(yàn)”曲線為實(shí)車測(cè)試曲線,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果比理論計(jì)算油耗值稍大,這是由于試驗(yàn)值匹配點(diǎn)未能準(zhǔn)確達(dá)到理想目標(biāo)所致。

        兩種車輛在80 km/h車速下對(duì)應(yīng)百公里油耗見(jiàn)表 3,可見(jiàn)通過(guò)采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng),在等速工況下,整車可實(shí)現(xiàn)至少 17%~21%的節(jié)油效果。

        表3 百公里油耗試驗(yàn)對(duì)比(80km/h等速)

        6 結(jié)論

        (1)串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)越野車可通過(guò)采用經(jīng)濟(jì)模式、動(dòng)力模式與綜合模式的控制方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)綜合提升;

        (2)串聯(lián)式混合動(dòng)力越野車能夠通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)匹配與控制達(dá)到較好的動(dòng)力輸出與節(jié)油效果,相對(duì)同噸位傳統(tǒng)車輛,加速性能可提升 50%,可至少節(jié)油 17~21%。

        [1]曾小華,軍用混合動(dòng)力輕型越野汽車動(dòng)力總成匹配及控制策略研究,吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001.

        [2]《混合動(dòng)力軍用越野汽車動(dòng)力匹配研究(一)》輕型汽車技術(shù)2007( 7/8).

        [3]曲 曉冬等.增程式電動(dòng)車的 APU 控制策略的研究.汽車工程,2013(9).

        [4]祝雅琦等.增程式電動(dòng)客車能量管理策略仿真研究.汽車工程學(xué)報(bào),2013(11).

        [5]宋珂等.增程式純電驅(qū)動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究.汽車技術(shù),2011(7).

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