張 巖,段 煉,袁俠義,江 亮,徐仰匯,蘭鳳崇
(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州 511442; 2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣州 511434)
近年來,國(guó)內(nèi)汽油、柴油消費(fèi)占燃料總消費(fèi)的55%以上[1],由此導(dǎo)致2018年汽車排放占比大幅增加,其中CO和HC占比超過80%,NOx和PM超過90%[2]。在此背景下,能源利用率最大化已迫在眉睫。全球面臨能源緊張和純電動(dòng)車巡航里程的限制[3],從能量分配角度出發(fā),混合動(dòng)力汽車(PHEV)成為當(dāng)下最佳的交通工具。
在PHEV的開發(fā)過程中,如何準(zhǔn)確獲取汽車在實(shí)際運(yùn)行工況中各部件的能量消耗是制定能量管理策略的關(guān)鍵。PHEV除保留有傳統(tǒng)車的部件外,還增加了電機(jī)、電池和散熱附件等,因此獲取各部件的能量消耗更為困難。目前,動(dòng)力總成能量的研究主要是針對(duì)單一系統(tǒng)[4-5],而汽車各個(gè)部件之間具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系,因此開展整個(gè)系統(tǒng)的能量流研究意義重大。研究人員普遍采用仿真方法對(duì)動(dòng)力總成能量流進(jìn)行計(jì)算分析[6-10]。其仿真結(jié)果與實(shí)際路況的能量消耗還有一定的差異,且模型的精度也有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。為進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)能力,研究人員開始通過試驗(yàn)手段來實(shí)現(xiàn)能量流的研究。以提高燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),采用試驗(yàn)手段分析某一工況下能量消耗占比[11-12]。所搭建的能量流測(cè)試平臺(tái)是針對(duì)傳統(tǒng)車而言,且測(cè)試主要圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)來進(jìn)行,整車能量利用效率主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。本文中搭建了PHEV的能量流測(cè)試平臺(tái),與傳統(tǒng)汽車相比,PHEV汽車熱管理系統(tǒng)的附件、電池包和電機(jī)等部件增多,其能量分配策略更加復(fù)雜,因此分析不同工況下的能量流有利于掌握整車的能量分配策略,進(jìn)而可有效進(jìn)行能量的管理和合理分配。
本文中針對(duì)某款PHEV搭建了能量流測(cè)試平臺(tái),以測(cè)試每個(gè)部件的輸入輸出參數(shù),并計(jì)算不同循環(huán)工況下由發(fā)動(dòng)機(jī)和電池提供的能量的傳遞與耗散過程,根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了兩種工況下能量流圖并加以分析。
選取采用混聯(lián)式動(dòng)力模式的某款PHEV?;谥暗难芯浚?3],PHEV的所有能量來源于發(fā)動(dòng)機(jī)和電池,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)(停機(jī)、工作)和電池(充電、放電、不工作)的工作狀態(tài),PHEV的驅(qū)動(dòng)模式可分為4種:純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并發(fā)電、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)輸出能量為
式中:Efuel為燃油能量;Ebatt為電池輸出能量。
雖然PHEV的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)和電池提供,但兩者的工作模式是獨(dú)立的,就單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)而言,根據(jù)能量傳遞路徑,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒化學(xué)能可分為指示功Eindi、排氣損失Eexh和熱量損失Ethermloss,數(shù)學(xué)表達(dá)式為
式中:Efri為摩擦損失功;Eeff為有效功。
式(1)和式(2)中,燃油能量可表示為
式中:mfuel為瞬時(shí)燃油消耗量;Hu為燃料熱值。
發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功為
式中:pme為平均有效壓力;Vs為單缸排量;n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;i為缸數(shù);τ為沖程數(shù);ηeff為發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走的能量包括傳熱損失和摩擦損失。冷卻系統(tǒng)帶走的能量及其占總能量的比例分別為
式中:mcool為冷卻液質(zhì)量流量;cp,cool為冷卻液比熱;Tcool,out為流出發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度;Tcool,in為流入發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度;ηcool為冷卻液帶走的能量占總能量的比例。
排氣帶走的能量和能量占比分別為
式中:cp,exh和 cp,int分別為排氣和進(jìn)氣定壓比熱;mexh和mint分別為排氣和進(jìn)氣質(zhì)量流率;Texh和Tint分別為排氣和進(jìn)氣溫度。同時(shí)根據(jù)質(zhì)量守恒,有
電池的能量變化為
式中:Urated為電池包額定電壓;Crated為電池包額定容量;SOCini為電池包初始SOC;SOCend為工況結(jié)束時(shí)電池包SOC。
相比于傳統(tǒng)燃油車,PHEV的關(guān)鍵部件是發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī),發(fā)電機(jī)的輸出功率為
式中:Ugen為發(fā)電機(jī)輸出電壓;Igen為發(fā)電機(jī)輸出電流。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率為
式中:Tmot為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;nmot為電機(jī)轉(zhuǎn)速。
基于某款PHEV搭建試驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)汽車動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電池和車輛行駛系統(tǒng)等關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)試。部件之間的能量傳遞示意圖如圖1所示。
圖1 能量傳遞示意圖
為保證數(shù)據(jù)的可靠性,開展與真實(shí)環(huán)境非常接近的環(huán)模測(cè)試。環(huán)模測(cè)試示意圖和測(cè)試平臺(tái)分別如圖2和圖3所示。測(cè)試采用多物理通道的方式采集傳感器數(shù)據(jù),多物理通道包含多種信號(hào)采集系統(tǒng),主要分為以下4種:(1)頻率類型采集系統(tǒng)(轉(zhuǎn)速、角位移、冷卻液和燃油流量傳感器);(2)CAN采集系統(tǒng)(汽車ECU的數(shù)據(jù)、燃燒分析儀與主采集系統(tǒng)之間的交互);(3)電流/電壓采集系統(tǒng)(轉(zhuǎn)矩、壓力、流量、λ信號(hào));(4)電壓可變采集系統(tǒng)(熱電偶)。傳感器大小和位置的選擇盡可能減小對(duì)系統(tǒng)的影響,并保證傳感器的精度經(jīng)過標(biāo)定,使其能滿足系統(tǒng)要求。
圖2 環(huán)模測(cè)試示意圖
圖3 測(cè)試平臺(tái)
為保證測(cè)試的可重復(fù)性并與現(xiàn)實(shí)情況更為接近,在環(huán)模測(cè)試中采取如下方式:
(1)環(huán)境溫度保持穩(wěn)定;
(2)采用4個(gè)筒式測(cè)功機(jī),每個(gè)車輪單獨(dú)可控;
(3)風(fēng)可重復(fù)吹在汽車正向1 m×0.5 m的區(qū)域內(nèi);
(4)采用駕駛機(jī)器人來使汽車完成加速、制動(dòng)和穩(wěn)定工況運(yùn)行。
測(cè)試采用4缸4沖程、1.5 L排量的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。測(cè)試車輛的具體參數(shù)如表1所示。
表1 測(cè)試車輛參數(shù)
為更好地評(píng)價(jià)車輛的效率和廢氣熱量的利用率[14],目前常用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試循環(huán)工況NEDC,它包含市區(qū)工況和郊區(qū)工況兩部分。工況運(yùn)行總時(shí)間為1 180 s。隨著排放法規(guī)要求日益嚴(yán)苛,WLTC工況能更接近實(shí)際路況,采集的路況信息包括市區(qū)、市郊和高速,總時(shí)長(zhǎng)為1 800 s。NEDC和WLTC測(cè)試循環(huán)的對(duì)比見圖4。在市區(qū)工況下,車輛一般是熱起動(dòng)。基于上述的考慮,本文中研究熱起動(dòng)下,NEDC和WLTC工況的車輛效率和各部件能量分布[15]。
圖4 NEDC和WLTC工況車速測(cè)試對(duì)比
作為能量流中的關(guān)鍵部件,發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響能量流的分布。在NEDC和WLTC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和指示平均有效壓力(IMEP)的對(duì)比如圖5所示。由圖可見,WLTC運(yùn)行工況比NEDC更為復(fù)雜,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和IMEP變化更為劇烈。在市區(qū)工況下NEDC和WLTC的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速基本接近,在郊區(qū)工況下,NEDC的發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速比WLTC低8.4%,這與車速的運(yùn)行需求密切相關(guān)。由圖4可見,NEDC的最大車速比WLTC低9.0%,可見發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由車速的需求所決定。對(duì)于IMEP而言,在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min時(shí),NEDC和WLTC的IMEP平均值在0.7 MPa左右,但在高速工況下NEDC的IMEP最大值比WLTC高6.6%,此趨勢(shì)正好與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的趨勢(shì)相反,這說明在NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較低。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)壓力測(cè)試對(duì)比
能量流的另一個(gè)重要參數(shù)是燃油量。NEDC循環(huán)工況和WLTC工況下的瞬時(shí)燃油消耗量如圖6所示。WLTC峰值附近瞬時(shí)燃油消耗量變化較為劇烈,這與WLTC工況下車輛反復(fù)的加速、減速有著直接關(guān)系。從圖中可以看出,在0-1 000 s內(nèi)NEDC工況的瞬時(shí)燃油消耗量遠(yuǎn)低于WLTC工況,而1 000-1 200 s內(nèi)NEDC工況的瞬時(shí)燃油消耗量則遠(yuǎn)高于WLTC工況。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),單位時(shí)間內(nèi)NEDC工況的平均燃油量為0.036 L/min,WLTC工況的平均燃油量為0.059 L/min,是 NEDC工況的1.6倍左右。這是由于WLTC工況下幾乎沒有等速巡航過程,每一次的加速過程都會(huì)使燃油量急劇增加,從而使整體的燃油量明顯增加。
圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油量測(cè)試對(duì)比
圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)MAP
發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行MAP如圖7所示。它反映發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、指示壓力、指示效率三者之間的關(guān)系,散點(diǎn)為整車行駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。從圖7(a)中可以看出,整車NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)時(shí)間內(nèi)指示熱效率高于40%,且發(fā)動(dòng)機(jī)基本上在中低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,最高轉(zhuǎn)速不高于3 300 r/min,最大指示壓力約為1.0 MPa。從圖7(b)中可以看出,WLTC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的指示效率主要集中在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間,即40%~49%的范圍內(nèi)變化。發(fā)動(dòng)機(jī)同樣在低于轉(zhuǎn)速3 300 r/min下運(yùn)行。通過對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可以發(fā)現(xiàn),NEDC工況下隨著轉(zhuǎn)速的增加,指示壓力和效率呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì);而WLTC工況下隨著轉(zhuǎn)速的增加,指示壓力和效率在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)上下波動(dòng),這與NEDC工況下車輛持續(xù)加速有著直接的關(guān)聯(lián)。此外,由圖7(b)還可以看出,WLTC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)多次指示壓力急劇下降至0.2 MPa,這是由于車輛在反復(fù)制動(dòng)所致。
PHEV的另一個(gè)能量源是電池,電池分為高壓(HV)電池和低壓(LV)電池,高壓電池為壓縮機(jī)和電機(jī)等提供動(dòng)力;低壓電池為汽車附件提供能量。本研究中高壓電池的額定電壓為346 V,容量為37 A·h,低壓電池額定電壓為 12.87 V,容量為55 A·h。相對(duì)而言,高壓電池是主要的能量源。循環(huán)工況測(cè)試中高壓電池SOC的變化如圖8所示。NEDC工況和WLTC工況下的初始SOC分別為26.5%和26.9%。NEDC工況的SOC最終增加了0.4%,WLTC工況的SOC最終減小了0.3%,兩者的變化都很小,說明兩種工況下消耗的能量主要來自燃油。
圖8 NEDC和WLTC高壓電池SOC變化
低壓電池的輸出電流如圖9所示。圖中工況下的電流為負(fù)值,說明電池是在放電,NEDC工況下低壓電池的容量衰減較快,WLTC工況電流變化較為平緩,造成這種差異的原因主要有兩點(diǎn),一是由于工作附件電量需求的差異,另一個(gè)是DCDC對(duì)低壓電池的充電。
圖9 低壓電池電流變化
為獲得部件能量消耗,將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件,利用Matlab軟件編程,算出每個(gè)部件的輸入和輸出能量。NEDC和WLTC工況下的PHEV的整體能量流分布分別如圖10和圖11所示。為更好地對(duì)比,從以下幾方面來討論。
圖10 NEDC工況下的PHEV的整體能量流分布
圖11 WLTC工況下的PHEV的整體能量流分布
首先是燃油消耗量方面。在NEDC工況下PHEV所有能量都來自于燃油消耗,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有用功的比例達(dá)到29.54%,比WLTC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有用功高5.63%,這是由于NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的IMEP相對(duì)較高,且平均燃油消耗量只有WLTC的62.5%。本文中研究的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.5 L,發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速在2 000 r/min左右。由圖6可見,NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都工作在最經(jīng)濟(jì)的工況點(diǎn)。WLTC工況排氣帶走的能量比NEDC工況多6.29%,這也說明發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有用功更多被排氣損失耗散,兩種不同工況下的摩擦功和傳熱損失的能量總和差異很小,只有0.66%。結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣損失降低比例幾乎全部轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率增加的比例,由此可見,排氣損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的重要影響。兩種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)化為電機(jī)發(fā)電的比例差別很小,都在15%以上,在NEDC工況下轉(zhuǎn)化為電機(jī)發(fā)電與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率之比達(dá)到50.85%,WLTC工況下其值達(dá)62.28%,這是由于PHEV在城市道路工況下車輛更多地在純電模式和混動(dòng)模式下工作,WLTC工況下發(fā)電機(jī)發(fā)電比例相對(duì)較高,且車輛頻繁地加、減速,因此純電模式更有利于提高車輛的能量經(jīng)濟(jì)性。
其次是電機(jī)和電池能量方面。NEDC和WLTC工況下傳遞給車輛行駛能量分別為19.74%和18.76%,兩者相差在1%左右,兩者的能量回收率分別為18.14%和15.83%。雖然行駛能量的差異不足1%,但能量回收率差值達(dá)到了2.31%,可見WLTC工況下車輛頻繁減速回收能量,但能量回收率并未得到有效的提高,因此車輛的能量回收策略還有待進(jìn)一步的優(yōu)化和提高?;厥盏哪芰亢碗姍C(jī)發(fā)電能量最終進(jìn)入高壓電池的能量在NEDC和WLTC工況下分別為15.37%和13.80%,儲(chǔ)存于電池的能量很少,可見在NEDC和WLTC兩種復(fù)雜工況下,高壓電池持續(xù)工作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力,在WLTC工況下高壓電池僅有0.25%的電能參與到整車的能量流中。由上述分析可知,在NEDC和WLTC工況下,整車的全部能量幾乎都來自于發(fā)動(dòng)機(jī),這與電池初始的SOC都較低有很大的關(guān)系。經(jīng)過高壓電池回到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量比例在兩種工況下非常接近,NEDC工況比WLTC工況略低0.42%左右,這與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電機(jī)的能量有直接關(guān)系。電機(jī)的效率在設(shè)計(jì)選型時(shí)就基本確定了,本研究中電池電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率基本上接近85%。此外,電機(jī)冷卻能量比例在NEDC和WLTC工況下分別為3.21%和3.13%,說明兩種工況下電機(jī)工作溫度和電機(jī)工作效率都非常接近。
(1)在電池處于SOC較低時(shí),WLTC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)平均油耗遠(yuǎn)高于NEDC工況油耗,前者是后者的1.6倍左右。
(2)在電池處于SOC較低時(shí),WLTC和NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電機(jī)的能量比例非常接近,從而兩種工況下高壓電池回到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量比例也非常接近,都在12.5%左右。
(3)在電池處于SOC較低時(shí),WLTC和NEDC工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率很接近,都在85%左右。