齊芳

武漢華夏理工學院汽車工程學院 湖北省武漢市 430223

隨著社會的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活代步工具，給人們帶來生活便利的同時，也引發(fā)了一系列嚴峻的環(huán)境問題以及急需解決的能源緊缺問題。目前，環(huán)境和能源問題已經(jīng)成為世界各國發(fā)展中面對的難題?；谶@種背景下，如何提高全社會的節(jié)能意識，推動全球汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國關(guān)注重點，而開展的Honda中國節(jié)能競技大賽，能夠在比賽過程中利用節(jié)能制造技術(shù)以及先進理念，能夠為之后完善節(jié)能汽車制造提供基礎，此外可以讓更多的人關(guān)注到節(jié)能汽車制造的領(lǐng)域中，，Honda中國節(jié)能汽車大賽是與時代環(huán)保節(jié)能主題相符合的，讓企業(yè)處于良性循環(huán)的過程中，讓更多人參與進來，推廣環(huán)保理念，同時能夠在理論基礎上發(fā)揮創(chuàng)新力，讓設計者從理論拓展到實踐，在比賽過程中能夠為未來汽車節(jié)能提供可能性。

1 混合動力汽車三大節(jié)能技術(shù)以及相關(guān)研究

混合動力系統(tǒng)在目前的研究過程中一些技術(shù)問題，主要涉及汽車控制，發(fā)動機，內(nèi)燃機，充電系統(tǒng)等一些相關(guān)研究，實現(xiàn)混合動力汽車節(jié)能減排需要采取科學合理的控制措施，在制定控制策略時需要考慮以下問題：優(yōu)化發(fā)動機工作點合理的啟動停，怠速停機，安全的電池電壓，電池SOC，發(fā)動機工作點的分布，合理的發(fā)動機運行曲線，制動能量回收。具體來說，混合動力車的節(jié)能是集眾多技術(shù)的研究成果，其具有多種新技術(shù)，同時也兼具一些傳統(tǒng)的燃油車的技術(shù)，通常能夠使混合動力車節(jié)油的技術(shù)主要是制動能量回收，發(fā)動機工作點優(yōu)化，怠速停機。我們從三種節(jié)能方式的節(jié)能潛力入手，致力于找到降低發(fā)動機能源消耗的策略，實現(xiàn)節(jié)能減排。

目前優(yōu)化發(fā)動機工作點其實是關(guān)乎整車控制策略，目前并聯(lián)混合動力汽車使用功能的策略由五類構(gòu)成，自適應；電力輔助；全局優(yōu)化；模糊以及最優(yōu)工作曲線控制策略。其中在并聯(lián)式的混合動力汽車匯中常采用的是電力輔助策略，實際是采取統(tǒng)一的門限值控制，通常也被認為是邏輯門限值控制?；谶@種設計思路具體是利用汽車的發(fā)動機進行驅(qū)動，這種驅(qū)動能夠有效避免處于低速工況條件下燃油消耗比高的情況，能夠確保發(fā)動機在燃油量較低同時，能夠使汽車的電池SOC值處于理想范圍，基于全局控制的策略是指汽車在行駛過程中優(yōu)化整車行駛工況的工作點，通過設定約束條件進而實現(xiàn)對目標函數(shù)進行優(yōu)化，以滿足發(fā)動機的需求。全局優(yōu)化目標進行精量化，以汽車某一工況下的總?cè)加拖淖畹妥顬樽罱K優(yōu)化目標，這種策略相比傳統(tǒng)的電力輔助控制策略效果要好。自適應控制是在一定條件下能夠進行自適應的控制策略，對路況進行自動化識別，能夠選擇相適應的控制策略，進而實現(xiàn)最佳控制。是以發(fā)動機的燃油消耗量最低和排放量最低作為優(yōu)化目標，建立函數(shù)，通過優(yōu)化能夠使混合動力車的燃油消耗以及所排放的氧化物達到最小。

2 發(fā)動機工作點的優(yōu)化

從發(fā)動機的工作曲線上來看，為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳經(jīng)濟性曲線，在節(jié)能汽車動力性能的條件上提高汽車發(fā)動機的燃油性能，最佳工作曲線能夠使發(fā)動機處于最佳的經(jīng)濟狀態(tài)，減少汽車的燃油消耗量以及一些汽車尾氣排放量，進而提高節(jié)能車的燃油效率。目前的混合動力汽車利用電機進行驅(qū)動，能夠確保發(fā)動機長期處于較低燃油量的消耗狀態(tài)，減少燃油量。最佳工作線分別是：最佳動力性和經(jīng)濟性工作線，在本次研究的動力車中采用的是后者。發(fā)動機的最佳經(jīng)濟性工作點是指在等功率和等有效燃油消耗率曲線的切點，具體是指處于該功率位點上發(fā)動機的燃油效率最低，而且利用該切點可以獲得某一功率條件下發(fā)動機的最佳工作點，并進行數(shù)據(jù)擬合，以便獲得最佳經(jīng)濟工作曲線。從發(fā)動機的工作點分布情況上來看，在功率方面，同等功率下應當確保發(fā)動機最佳工作點與最差性能工作點差距縮小，一般來說，發(fā)動機功率越大，差別越小，但是發(fā)動機處于怠速和高速轉(zhuǎn)動過程中燃油量會急速增加，因此我們需要對汽車發(fā)動機的整體工作點分布情況進行觀察，很多工作點轉(zhuǎn)速，其中處于800到1000轉(zhuǎn)速以內(nèi)，而轉(zhuǎn)矩分布廣泛，工作點在最低燃油消耗率的等油量消耗曲線分布，是密集的，具體來說，在電機輔助下，現(xiàn)有的混合動力多數(shù)工作點在燃油效率較低時，這種方法能夠避免燃油消耗率較高的工況，實現(xiàn)節(jié)能減排。我們從最佳工作性工作曲線作為目標進行優(yōu)化，通過觀察發(fā)動機的工作點在等比油耗曲線上的分布，同時對發(fā)動機工作點與最佳工作性曲線的位置關(guān)系，我們可以發(fā)現(xiàn)，處于不同的檔位時，發(fā)動機工作點的分布區(qū)域以及密集程度存在較大差異，而且低檔位下發(fā)動機的分布較亂，在最佳經(jīng)濟工作曲線的上方有，而在高檔位下，發(fā)動機的工作點主要集中于最佳經(jīng)濟性工作曲線上方，整體比較密集。在最佳經(jīng)濟工作曲線位點較少。

3 怠速停機

當汽車由于某種因素而處于停機狀態(tài)時，這種情況被稱為是怠速停機，在允許汽車運行的條件下，為了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，需要根據(jù)車輛的運行狀況自動化控制發(fā)動機運轉(zhuǎn)，能夠及時響應駕駛員的狀態(tài)，并且要求車輛的油耗低于同等時間內(nèi)的怠速累計油耗。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當車輛停止停車便能夠使發(fā)動機停止運行，減少有害氣體的排放。博世公司發(fā)明的是啟動停系統(tǒng)，能夠增加車輛8%的里程，以及降低二氧化碳排放。在國內(nèi)現(xiàn)有的基礎上，怠速停機目前還有不能實現(xiàn)一秒鐘停機的目標，因此可以通過選擇合適的怠速停機時間來實現(xiàn)節(jié)油減排的目的。目前在一些人口密集型的大城市，汽車在運行中發(fā)動機處于停機狀態(tài)的時間會比重較多，如果能夠有效利用這段時間的油耗，那么對于節(jié)油效來說是十分明顯的。我們借助advisor平臺搭建了模型仿真，針對不同怠速時間下的油耗量進行深入分析，能夠準確預測城市的路況情況，給予這種怠速時長下檢測汽車處于停機狀態(tài)時的的節(jié)油效果，最終發(fā)現(xiàn)處于不同怠速時長下的油存在較大差異，其中怠速停機20秒時節(jié)油效果最明顯。

4 制動能量回收

行駛工況可以反映某個區(qū)域內(nèi)的路況，給節(jié)能車輛整車控制策略提供理論基礎，同時對節(jié)能車經(jīng)濟性做出客觀評價，在研究節(jié)能汽車制動回收能量的過程中，應當根據(jù)汽車的行駛狀況和路況變化，分析節(jié)能汽車的綜合情況。同時，在基于現(xiàn)有的路況下混合動力車制動能量和實際回收的能量會隨著時間而積累，可以根據(jù)最大制動能量回收目標作為分析節(jié)能汽車在制動能量回收的潛力。汽車是整體存在的，將這些能量用于去弄時，不僅考慮到制動能量回收問題，同時還得考慮發(fā)動機的工作點，怠速停機以及電池SOC的變化，經(jīng)過充電放電系統(tǒng)耗損等，電動機能量也會受到損失，包括電池電動損耗，以及電池充電損耗等。由于不同路況條件下汽車的可回收制動能量分布是不均勻的，因此需要考慮可回收制動能量以及處于一定轉(zhuǎn)速條件下，汽車電機的充電效率，進而能夠獲得最佳的制動回收能量。因此，在保持原有硬件配置條件下，需要優(yōu)化制動能量回收策略，忽略坡度對于制動能量回收的影響，假設仿真系統(tǒng)的效率為百分之百，當汽車滑行減速低于自動減速時，我們認為此事駕駛員具有制動意圖，可以允許制動能量被回收。電機的充電鈕距不應超過額定扭距的75%，當電池SOC超過80%?；厥罩苿幽芰慨旘?qū)動電機可以提供足夠的整車制動力計時，要先由電機來提供汽車的制動驅(qū)動力，如果電機供應不足時，需要由摩擦力來補充，綜合考慮電機的可回收制動能量以及處于不同轉(zhuǎn)速條件下電機的充電效率，我們將回收到最大制動能量作為優(yōu)化目標，進而修正電機的再生制動扭距，機械摩擦制動系統(tǒng)來提供額外的制動力。通過優(yōu)化之后，車輛行駛過程中回收的能量明顯增加，能夠使同等油耗的車輛增加18%的行駛里程，達到良好的節(jié)油效果，同時，電池整體呈現(xiàn)上升趨勢，說明優(yōu)化后的制動能量回收策略能夠給電池提供足夠的電量。通過觀察控制策略優(yōu)化之后電機隨時間的變化情況，能夠發(fā)現(xiàn)電機機有電動過程，有充電過程，之后的電機功率充電功率以及回收能夠相比優(yōu)化前增加很多，在多數(shù)情況下，我們可以增加電機的驅(qū)動力，進而能夠減少發(fā)動機帶動電機的充電效率，以便能夠改善汽車的節(jié)能效果。

5 結(jié)語

節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)成為當前是汽車行業(yè)研究重點，而節(jié)能車是從傳統(tǒng)普通內(nèi)燃機到零排放的電動機過渡的典型產(chǎn)品，我們從三個角度分析了節(jié)能車的整體優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)汽車的制動能量回收在節(jié)油方面具有較大優(yōu)勢，經(jīng)過優(yōu)化控制策略后，對于驅(qū)動自動回收能量占據(jù)發(fā)動機輸出總能量的18%，從一定程度上來說節(jié)能效果較好，同時提升制動能量回收，能夠減少發(fā)動機為汽車電池充電的時間，也對節(jié)能汽車節(jié)能提供幫助。