馬明霞，桂經(jīng)良，孫立鵬，寧廷會(huì)

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

混合動(dòng)力系統(tǒng)較傳統(tǒng)動(dòng)力總成系統(tǒng)增加了電機(jī)、電池。使發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)扭矩解耦，優(yōu)化整車經(jīng)濟(jì)性［1-2］。下面給出一種以燃油消耗最低為目的的混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整方法。本文以單軸并聯(lián)系統(tǒng)的應(yīng)用為例介紹，方法可以擴(kuò)展到滿足電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的相應(yīng)系統(tǒng)中。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整情況分類

單軸并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在此不介紹變速器換擋的優(yōu)化方法，只介紹利用電機(jī)、動(dòng)力電池對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的調(diào)整方法的標(biāo)定實(shí)現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率［3］在全工作區(qū)間一般是平順變化的，在定轉(zhuǎn)速、扭矩變化大于某一定值的情況下，存在單位時(shí)間油耗量隨功率升高而升高、隨功率降低而降低的趨勢(shì)。計(jì)算可優(yōu)化范圍內(nèi)所有離散工況點(diǎn)的等效燃油消耗率，根據(jù)等效燃油消耗率結(jié)合零部件動(dòng)態(tài)路徑，合理優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)［4-5］。

圖1 單軸并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于單軸并聯(lián)系統(tǒng)［6-8］，發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)只具有扭矩優(yōu)化維度，扭矩優(yōu)化又分兩種情況：發(fā)電——通過(guò)電機(jī)發(fā)電提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷；助力——通過(guò)電機(jī)助力降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。助力又分為兩種情況：變速器輸入軸需求超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，電機(jī)已經(jīng)助力，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)繼續(xù)助力；變速器輸入軸需求沒(méi)有超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)電機(jī)助力。下面對(duì)上述情況詳細(xì)說(shuō)明，發(fā)動(dòng)機(jī)初始工況點(diǎn)及改變后工況點(diǎn)相對(duì)位置如圖2所示。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整-發(fā)電

不經(jīng)過(guò)扭矩優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)處于中低負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率偏低，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。基于發(fā)電等效燃油消耗率合理調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電工況。發(fā)電等效燃油消耗率計(jì)算原理如下。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)初始工況點(diǎn)A（nSpdA，TTrqA），電機(jī)發(fā)電調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)為B（nSpdA，TTrqB）。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)相對(duì)位置

式中：ΔT——電機(jī)發(fā)電扭矩，Nm；TTrqB——調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)扭矩，Nm；TTrqA——初始發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)扭矩，Nm。

2）基于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有數(shù)據(jù)，工況點(diǎn)A 1s內(nèi)對(duì)應(yīng)的油耗量mAkg，工況點(diǎn)B 1s內(nèi)對(duì)應(yīng)油耗量mBkg。

3） 電機(jī)發(fā)電工況點(diǎn)C（nSpdA，ΔT），得到

式中：WBatt_chagC——?jiǎng)恿﹄姵爻潆娏浚琸Wh；nSpdA——初始發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)速，r／min；ηTM_GenC——C點(diǎn)電機(jī)發(fā)電效率；ηBatt_chagC——C點(diǎn)電池充電效率。

4）得到發(fā)電等效燃油消耗率：

式中：KGen——發(fā)電等效燃油消耗率，g／kWh；mB——調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)油耗量，kg；mA——初始發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)油耗量，kg。

5） 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nSpd_ini，變化范圍nmin～nmax（nmax由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定），變化步長(zhǎng)ΔnSpd，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nSpd_ini對(duì)應(yīng)的扭矩初始值TTrq_ini，變化范圍Tmin～Tmax（Tmax由此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩決定），變化步長(zhǎng)ΔTTrq。對(duì)于所有發(fā)動(dòng)機(jī)初始點(diǎn)，發(fā)電扭矩變化范圍TGen_min～TGen_max（TGen_max由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)決定），變化步長(zhǎng)ΔTGen。

6）得到Ncount_gen個(gè)以發(fā)動(dòng)機(jī)初始扭矩需求、電機(jī)發(fā)電扭矩為橫縱坐標(biāo)、以電機(jī)發(fā)電等效燃油消耗率為輸出的基礎(chǔ)MAP。

式中：Ncount_gen——發(fā)電等效燃油消耗率計(jì)算用轉(zhuǎn)速點(diǎn)個(gè)數(shù)；nmax——設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大值，r／min；nmin——設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最小值，r／min；ΔnSpd——轉(zhuǎn)速變化步長(zhǎng)，r／min。

7）得到優(yōu)化范圍內(nèi)所有發(fā)電等效燃油消耗率KGen。KGen表示發(fā)動(dòng)機(jī)給電池充電1kWh消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗KGeng。KGen越小，對(duì)應(yīng)發(fā)電效率越高。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整-助力

3.1 初始工況點(diǎn)未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性

如何合理分配混合動(dòng)力系統(tǒng)中能量回收及發(fā)電電量，即如何通過(guò)電機(jī)助力來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)。在單軸并聯(lián)系統(tǒng)中，模式切換 （純電動(dòng)模式到混動(dòng)模式的切換）是電機(jī)助力的一種特殊情況——電機(jī)完全助力。當(dāng)初始工況點(diǎn)未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，電機(jī)助力等效燃油消耗率計(jì)算原理如下。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)初始工況點(diǎn)A（nSpdA，TTrqA）。電機(jī)助力后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)為D（nSpdA，TTrqD）。

式中：ΔTN——電機(jī)助力扭矩，Nm；TTrqD——調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)扭矩，Nm。

2）基于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有數(shù)據(jù)，工況點(diǎn)D 1s內(nèi)對(duì)應(yīng)油耗量mDkg。

3） 電機(jī)助力工況點(diǎn)E（nSpdA，ΔTN）。

式中：WBatt_DishcagE——?jiǎng)恿﹄姵胤烹娏浚琸Wh；ηTM_MotE——E點(diǎn)電機(jī)電動(dòng)效率；ηBatt_DishcagE——E點(diǎn)動(dòng)力電池放電效率。

4）得到初始工況點(diǎn)未超過(guò)外特性時(shí)，電機(jī)助力等效燃油消耗率：

式中：KMot_N——初始工況點(diǎn)未超過(guò)外特性時(shí)，電機(jī)助力等效燃油消耗率，g／kWh；mD——調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)油耗量，kg。

5） 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nSpd_ini，變化范圍nmin～nmax，變化步長(zhǎng)ΔnSpd。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nSpd_ini對(duì)應(yīng)的扭矩初始值TTrq_ini，變化范圍Tmin～Tmax（Tmax由此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩決定），變化步長(zhǎng)ΔTTrq。對(duì)于所有發(fā)動(dòng)機(jī)初始點(diǎn)，電機(jī)助力扭矩變化范圍TMot_min～TMot_max（TMot_max由發(fā)動(dòng)機(jī)初始點(diǎn)、電機(jī)、動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)決定），變化步長(zhǎng)ΔTMot。

6）得到Ncount_mot_N個(gè)以發(fā)動(dòng)機(jī)初始扭矩需求、電機(jī)助力扭矩為橫縱坐標(biāo)、以電機(jī)助力等效燃油消耗率為輸出的電機(jī)助力基礎(chǔ)MAP。

式中：Ncount_mot_N——初始工況點(diǎn)未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，助力等效燃油消耗率計(jì)算用轉(zhuǎn)速點(diǎn)個(gè)數(shù)。由于在助力等效燃油消耗率計(jì)算中采用與發(fā)電等效燃油消耗率相同的轉(zhuǎn)速劃分方式，所以基礎(chǔ)MAP個(gè)數(shù)相同，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需求改變。

7）得到優(yōu)化范圍內(nèi)所有電機(jī)助力等效燃油消耗率KMot_N。電機(jī)助力等效燃油消耗率表示動(dòng)力電池放電1kWh替代的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗KMot_Ng。KMot_N越大，對(duì)應(yīng)電機(jī)助力效率越高。

3.2 初始工況點(diǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性

當(dāng)初始工況點(diǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，電機(jī)助力等效燃油消耗率計(jì)算原理如下。

1） 變速器輸入端初始工況點(diǎn)F（nSpdF，TTrqF），此時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性G（nSpdF，TTrqG）。

式中：ΔTz_ini——電機(jī)強(qiáng)制助力扭矩，Nm；TTrqF——變速器輸入端初始工況點(diǎn)扭矩，Nm；TTrqG——轉(zhuǎn)速nSpdF對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩，Nm。

2）在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性G的基礎(chǔ)上，電機(jī)持續(xù)助力調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)為H（nSpdF，TTrqH）。

式中：ΔTZ-Trq——電機(jī)持續(xù)助力扭矩，Nm；TTrqH——調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)扭矩，Nm。

此時(shí)電機(jī)工況點(diǎn)I（nSpdF，TTrqI）。

式中：TTrqI——電機(jī)助力扭矩，Nm。

3）基于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性G點(diǎn)1s內(nèi)對(duì)應(yīng)的油耗量mGkg，持續(xù)助力后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)H點(diǎn) 1s內(nèi)對(duì)應(yīng)油耗量mHkg。

4）當(dāng)初始工況點(diǎn)超過(guò)外特性時(shí)：

式中：WBatt_Dishcag_ini——電機(jī)強(qiáng)制助力的動(dòng)力電池放電量，kWh；nSpdF——初始點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；ηZ_ini——電機(jī)強(qiáng)制助力時(shí)電動(dòng)效率；ηBatt_Dishcag_ini——此時(shí)電池放電效率。

式中：WBatt_DishcagI——調(diào)整工況點(diǎn)后，電機(jī)助力消耗的動(dòng)力電池放電量，kWh；ηZ_MotI——持續(xù)助力后，電機(jī)電動(dòng)效率；ηBatt_DishcagI——持續(xù)助力后，電池放電效率。

5）初始工況點(diǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，電機(jī)持續(xù)助力等效燃油消耗率：

式中：KMot_Z——初始工況點(diǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，電機(jī)助力等效燃油消耗率，g／kWh。

6） 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nSpd_ini，變化范圍nmin～nmax，變化步長(zhǎng)ΔnSpd。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nSpd_ini對(duì)應(yīng)電機(jī)強(qiáng)制助力扭矩TTrq_ini變化范圍Tmin～TMot_ini_max（TMot_ini_max由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)決定），變化步長(zhǎng)ΔTTrq。強(qiáng)制助力后，電機(jī)持續(xù)助力扭矩變化范圍TMot_min～TMot_max_Z（TMot_max_Z由強(qiáng)制助力點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)決定），變化步長(zhǎng)ΔTMot。

7）得到Ncount_mot_Z個(gè)以強(qiáng)制助力扭矩、持續(xù)助力扭矩為橫縱坐標(biāo)、以電機(jī)助力等效燃油消耗率為輸出的電機(jī)助力基礎(chǔ)MAP。

式中：Ncount_mot_Z——初始工況點(diǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)，助力等效燃油消耗率計(jì)算用轉(zhuǎn)速點(diǎn)個(gè)數(shù)。由于在助力等效燃油消耗率計(jì)算中采用與發(fā)電等效燃油消耗率相同的轉(zhuǎn)速劃分方式，所以基礎(chǔ)MAP個(gè)數(shù)相同，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需求改變。

8）得到優(yōu)化范圍內(nèi)所有電機(jī)持續(xù)助力等效燃油消耗率KMot_Z。電機(jī)持續(xù)助力等效燃油消耗率表示動(dòng)力電池放電1kWh替代的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗KMot_Zg。KMot_Z越大，對(duì)應(yīng)電機(jī)持續(xù)助力效率越高。

4 標(biāo)定實(shí)現(xiàn)

基于電機(jī)發(fā)電等效燃油消耗率MAP、初始工況點(diǎn)未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)電機(jī)助力等效燃油消耗率MAP、初始工況點(diǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性時(shí)電機(jī)持續(xù)助力等效燃油消耗率MAP，混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行特定要求工況下，要求電池電量保持平衡［9-10］，則：

式中：W發(fā)電——特定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電到動(dòng)力電池總能量，kWh；W制動(dòng)——特定工況下，動(dòng)力電池制動(dòng)回收總能量，kWh；W助力——特定工況下，電機(jī)助力動(dòng)力電池消耗總能量，kWh。

在特定運(yùn)行工況下，W制動(dòng)在固定的制動(dòng)回收策略標(biāo)定下為固定值。如果W制動(dòng)小于強(qiáng)制助力能量，則首先選擇滿足強(qiáng)制助力能量的最小KGen對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電工況點(diǎn)。

1） 此時(shí)KGen值為KGen_min，KGen_min大于等于KMot_N和KMot_Z，則

式中：KGen_min——滿足強(qiáng)制助力能量的最小發(fā)電等效燃油消耗率，g／kWh；NumGen、NumMot——需要計(jì)算的發(fā)電、助力等效燃油消耗率基礎(chǔ)MAP個(gè)數(shù)；ΔK——發(fā)電、助力等效燃油消耗率變化步長(zhǎng)，g／kWh。

基于運(yùn)行工況，得到KGen_min+i×ΔK（i=1∶1∶NumGen） 對(duì)應(yīng)的扣除強(qiáng)制發(fā)電能量后的WGen_i，KMot_max+j×ΔK （j=1∶1∶NumMot） 對(duì)應(yīng)的助力能量WMot_j。根據(jù)式 （18）得到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)時(shí)iOpti、jOptj，并得到此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)時(shí)，發(fā)電等效燃油消耗率KGen_Opti=KGen_min+iOpti×ΔK，助力等效燃油消耗率KMot_Opti=KMot_max-jOptj×ΔK。系統(tǒng)僅選取最小發(fā)電等效燃油消耗率KGen_min對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整。

2） 此時(shí)KGen_min值小于KMot_N或KMot_Z，設(shè)定KMot_max=max（KMot_N，KMot_Z），則以ΔK為步長(zhǎng)，選取滿足式 （17）的正整數(shù)NumGen，NumMot。

如果W制動(dòng)大于等于強(qiáng)制助力能量，則KGen_min為運(yùn)行工況中實(shí)際對(duì)應(yīng)的最小發(fā)電等效燃油消耗率。經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)時(shí)，發(fā)電、助力等效燃油消耗率的計(jì)算過(guò)程遵循上述1）2）3）步。選取KGen_Opti、KMot_Opti對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電、助力工況點(diǎn)，如果某一轉(zhuǎn)速、某一初始扭矩下，確定的等效燃油消耗率對(duì)應(yīng)兩個(gè)及以上的發(fā)電扭矩／助力扭矩，選取扭矩最大值。

僅考慮KGen_Opti、KMot_Opti得到的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整策略是動(dòng)力總成穩(wěn)態(tài)情況下的最優(yōu)值，存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①得到穩(wěn)態(tài)最優(yōu)值，受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)油耗的影響，不一定是動(dòng)力總成動(dòng)態(tài)運(yùn)行最優(yōu)值。②等效燃油消耗率為非線性離散數(shù)據(jù)，導(dǎo)致選取扭矩MAP存在與周圍數(shù)據(jù)相差極大的奇異點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，給出扭矩分配初始MAP的修正方法：①綜合考慮變化后最終發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)落點(diǎn)，及調(diào)整后工況點(diǎn)相對(duì)于周圍工況點(diǎn)的變化率來(lái)適當(dāng)修正扭矩分配初始MAP。即考慮動(dòng)力總成在此工況點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，解決動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能的差異。②根據(jù)動(dòng)力總成動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力及避免頻繁電機(jī)狀態(tài)切換刪除奇異點(diǎn)。

5 應(yīng)用實(shí)例

本文以16.5t單軸并聯(lián)公交車系統(tǒng)為例，對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)按照等效燃油消耗率調(diào)整前后的實(shí)車道路氣耗。單軸并聯(lián)公交車動(dòng)力總成配置參數(shù)見表1。

表1 動(dòng)力總成配置參數(shù)

國(guó)標(biāo)GB／T 19754-2015［11］規(guī)定了該車型的試驗(yàn)工況CCBC及試驗(yàn)方法。CCBC運(yùn)行工況如圖3所示。

圖3 CCBC工況

標(biāo)定前后實(shí)車道路測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)如圖4、圖5所示。

圖4 標(biāo)定前發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)

圖5 標(biāo)定后發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)

根據(jù)氣耗結(jié)果，基于等效燃油消耗率調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)，使氣耗降低2.1m3／100km，有效提高整車經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

本文基于等效燃油消耗率，提出一種調(diào)整混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的方法。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)零部件動(dòng)態(tài)性能實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，并通過(guò)實(shí)車道路試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法有助于降低油耗，提高整車經(jīng)濟(jì)性。

（編輯 楊 景）