朱永明， 祁宏鐘， 趙江靈， 劉學(xué)武， 張安偉

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

混合動(dòng)力汽車技術(shù)包括插電式和非插電式2種，具有顯著的節(jié)能減排效果，是汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要技術(shù)之一。在混合動(dòng)力構(gòu)型方面，目前國(guó)內(nèi)主要整車企業(yè)逐漸收斂到了串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并在近2年陸續(xù)發(fā)布了相應(yīng)產(chǎn)品和技術(shù)規(guī)劃。針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的油耗分析與節(jié)能優(yōu)化仍然是該領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，包括混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)、參數(shù)匹配、系統(tǒng)建模和控制策略等。對(duì)于非插電式混合動(dòng)力汽車及電量平衡狀態(tài)下的插電式混合動(dòng)力汽車，在一定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，考慮動(dòng)力電池的電量平衡，混合動(dòng)力系統(tǒng)的外界唯一能量來源是燃油，混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能與否的核心影響因素是發(fā)動(dòng)機(jī)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)本身的設(shè)計(jì)和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，前者主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率方面，后者主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)方面。本文針對(duì)雙電機(jī)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率特性出發(fā)，從發(fā)動(dòng)機(jī)選取和工況調(diào)優(yōu)方面進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能機(jī)制闡述并進(jìn)行仿真和測(cè)試驗(yàn)證，揭示混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要節(jié)能因素。

1 串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作原理

串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用2個(gè)電機(jī)，其中一個(gè)主要用于驅(qū)動(dòng)行駛，另一個(gè)主要用于發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)可以經(jīng)過一個(gè)直驅(qū)擋位實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)到輪端的直接驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)能量回收等功能，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)，EM2電機(jī)經(jīng)過兩級(jí)齒輪傳動(dòng)與輸出軸相連，為固定速比傳動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)離合器和兩級(jí)齒輪傳動(dòng)與輸出軸相連，離合器分離時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)無動(dòng)力直接輸出，離合器閉合時(shí)為固定速比傳動(dòng)；EM1電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相連。根據(jù)以上傳動(dòng)關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)因只有一個(gè)傳動(dòng)速比對(duì)輸出軸直接輸出動(dòng)力，考慮到中低車速，應(yīng)盡可能使用純電行駛，使該傳動(dòng)速比盡量滿足中高車速的需求，也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)速比適當(dāng)選擇較小值。串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要功能邏輯為：中低車速EM2驅(qū)動(dòng)，主要為純電驅(qū)動(dòng)；中高車速小負(fù)荷工況離合器閉合，由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，中高車速大負(fù)荷離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，附加動(dòng)力電池輸出電能給EM2電機(jī)，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

顯然，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油消耗只發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)和并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，也就意味著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求、發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)速比iICE選擇、發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)對(duì)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的油耗水平有至關(guān)重要的影響。下文從這三方面進(jìn)行節(jié)能機(jī)制分析。

2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的要求

根據(jù)前文的分析，在串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作運(yùn)行時(shí)，要么工作在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況，要么工作在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況。在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況，為達(dá)到較好的節(jié)油效果，將控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性中的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線上的各工況點(diǎn)，能量經(jīng)油箱到發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)EM1，電能經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM2轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。從輪端來看，發(fā)動(dòng)機(jī)的等效燃油消耗率為：

beeq=be/(ηICE2EM1·ηEM1·ηEM12EM2·ηEM2·

ηEM22diff)

(1)

式中：beeq為串聯(lián)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)等效燃油消耗率[g/(kW·h)]；be為發(fā)動(dòng)機(jī)等效燃油消耗率[g/(kW·h)]；ηICE2EM1為發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)EM1的傳遞效率；ηEM1為發(fā)電機(jī)EM1的轉(zhuǎn)化效率；ηEM12EM2為發(fā)電機(jī)EM1產(chǎn)生的電能到達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM2的電能傳遞效率；ηEM2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM2的轉(zhuǎn)化效率；ηEM22diff為驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM2到主減速器的傳遞效率。

根據(jù)式(1)，將發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ和發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ各自萬有特性中各轉(zhuǎn)速下的最佳燃油消耗率曲線和串聯(lián)工況下等效最佳燃油消耗率曲線進(jìn)行對(duì)比，假定在應(yīng)用2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)各工況點(diǎn)下除發(fā)動(dòng)機(jī)效率不同外其他均一致，可得到圖2所示結(jié)果。從圖2可看出：因串聯(lián)驅(qū)動(dòng)需經(jīng)過多級(jí)能量轉(zhuǎn)換，其實(shí)際等效發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率比發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)時(shí)高，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ串聯(lián)等效最低燃油消耗率工況點(diǎn)P和發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ串聯(lián)等效最低燃油消耗率工況Q的水平直線，分別與發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ和發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ的最低燃油消耗率曲線相交于點(diǎn)E、F和點(diǎn)G、H?？紤]到串聯(lián)驅(qū)動(dòng)應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)沿最佳燃油經(jīng)濟(jì)曲線工作在相對(duì)最優(yōu)工況點(diǎn)的原則，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ，在轉(zhuǎn)速nE和nF之間工作時(shí)，采用串聯(lián)工況的等效燃油消耗率比發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率低，也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ在轉(zhuǎn)速nE和nF之間更適合并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，反之則更適合串聯(lián)驅(qū)動(dòng)；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ，轉(zhuǎn)速在nG和nH之間更適合并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，反之則更適合串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。從發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ來看，其適合并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速范圍涵蓋了絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域，該發(fā)動(dòng)機(jī)更適合并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。綜上，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)所應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)更注重局部較窄轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效，不追求全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效。

圖2 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)最低燃油消耗率

在發(fā)動(dòng)機(jī)某一給定轉(zhuǎn)速下，可根據(jù)式(1)將發(fā)動(dòng)機(jī)在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下各扭矩的燃油消耗率曲線與并聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況下等效燃油消耗率曲線進(jìn)行對(duì)比。假定在應(yīng)用2臺(tái)不同發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)各工況點(diǎn)下除發(fā)動(dòng)機(jī)效率不同外其他均一致，可得到圖3所示結(jié)果。在給定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ、發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ的最低燃油消耗率的工況點(diǎn)分別為M和N，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩為TM和TN。并聯(lián)驅(qū)動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)優(yōu)時(shí)，為提升系統(tǒng)效率，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩應(yīng)盡可能接近該轉(zhuǎn)速下最低燃油消耗率的工況點(diǎn)，額外的轉(zhuǎn)矩需要電機(jī)補(bǔ)償，此時(shí)將產(chǎn)生一定效率損失，將最優(yōu)點(diǎn)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)調(diào)優(yōu)的等效燃油消耗率畫水平線，分別與發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ、發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ相交于點(diǎn)A、B和點(diǎn)C、D。從圖3可看出：在給定轉(zhuǎn)速下，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ，在轉(zhuǎn)矩TA和TB之間工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)的等效燃油消耗率比直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率高，也就是說在轉(zhuǎn)矩TA和TB之間工作時(shí)，不適合發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)，反之則應(yīng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)；在給定轉(zhuǎn)速下，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ，在轉(zhuǎn)矩TC和TD之間工作時(shí)，不適合進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)，反之則應(yīng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)。發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ適合并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)的轉(zhuǎn)矩范圍涵蓋了絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)矩，該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工況調(diào)優(yōu)時(shí)，大部分工況下系統(tǒng)效率比不調(diào)優(yōu)更低，且發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ需要調(diào)優(yōu)的轉(zhuǎn)矩差值大，在動(dòng)力電池容量一定的情況下，穩(wěn)態(tài)行駛工況所能維系的調(diào)優(yōu)時(shí)長(zhǎng)有限。綜上，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)所應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)更注重局部較窄轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效，不追求全轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效。

圖3 給定轉(zhuǎn)速下并聯(lián)驅(qū)動(dòng)燃油消耗率

綜合以上分析，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)所用發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩上都更偏向較窄區(qū)域的高效，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)期望盡可能全工況范圍高效不同，需設(shè)計(jì)開發(fā)混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)，從熱效率角度出發(fā)，該需求可縮減發(fā)動(dòng)機(jī)的使用工況區(qū)域，簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)。

11月8日，一〇四團(tuán)四道岔社區(qū)黨支部開展了主題黨日活動(dòng)，活動(dòng)由新一屆黨支部書記郭鋼主持。活動(dòng)中，黨員們集體重溫了入黨誓詞，學(xué)習(xí)了《中國(guó)共產(chǎn)黨紀(jì)律處分條例》等內(nèi)容。自10月份上任以來，郭鋼為了更好更快地勝任社區(qū)書記的崗位，充分利用八小時(shí)以外的時(shí)間，積極主動(dòng)向社區(qū)原主任陸攀峰學(xué)習(xí)交流群眾工作中好的經(jīng)驗(yàn)做法，晚上積極走訪入戶，爭(zhēng)取一切時(shí)間聯(lián)系群眾，在一個(gè)多月的時(shí)間里對(duì)社區(qū)進(jìn)行了全面了解，為今后更好地開展工作奠定了理論和群眾基礎(chǔ)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)比的選擇

根據(jù)圖1，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有且僅有1個(gè)傳動(dòng)速比，而在中低車速范圍內(nèi)一般采用純電驅(qū)動(dòng)，故該傳動(dòng)速比不應(yīng)以中低速驅(qū)動(dòng)為目標(biāo)。

結(jié)合上文分析，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中唯一的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)速比是為了改善中高車速段使用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的等效發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率較低的問題。因此，恰當(dāng)?shù)乃俦仍O(shè)計(jì)對(duì)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能效果的影響非常關(guān)鍵。

假定2個(gè)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)速比，混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出端的功率隨車速的變化見圖4。發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)滿足長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)行駛的需求。從圖4可看出：因串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性一般不強(qiáng)，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，較大發(fā)動(dòng)機(jī)速比2可獲得較高的最高車速，但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線偏離穩(wěn)定行駛阻力所需功率，意味著穩(wěn)態(tài)工作時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性較差；從性能穩(wěn)定性角度出發(fā)，考慮到并聯(lián)驅(qū)動(dòng)可能失效的情況，應(yīng)盡可能使串聯(lián)驅(qū)動(dòng)同樣覆蓋并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)工況，速比選擇時(shí)應(yīng)盡可能使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定特性覆蓋并聯(lián)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的外特性輸出。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)速比的影響

4 發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)

假定某一工況的驅(qū)動(dòng)所需能量為E，不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況點(diǎn)進(jìn)行調(diào)優(yōu)時(shí)的燃油消耗率為a，則該工況下燃油消耗量f1為：

f1=E/(ηICE2diff)a

(2)

式中：ηICE2diff為發(fā)動(dòng)機(jī)到主減速器輸出的傳動(dòng)效率。

若在該工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，使其工作在效率相對(duì)高效點(diǎn)，此時(shí)的燃油消耗量f2為：

f2=E/[ξ·ηICE2EM1·ηEM1·ηEM12EM2·ηEM2·

(3)

式中：ξ為電傳動(dòng)比例，表示發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)后經(jīng)電驅(qū)動(dòng)回路傳遞的能量占比，純串聯(lián)工況時(shí)ξ=1；Δa為發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)后發(fā)動(dòng)機(jī)所能降低的燃油消耗率[g/(kW·h)]。

調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的目的是實(shí)現(xiàn)節(jié)油，應(yīng)使f2

Δa/a>ξ[1-(ξ·ηICE2EM1·ηEM1·ηEM12EM2·

ηEM2·ηEM22diff)/ηICE2diff]

(4)

根據(jù)式(4)，要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的調(diào)優(yōu)，其調(diào)整幅度必須大于一定值才能獲得混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)油，該調(diào)節(jié)幅度主要受系統(tǒng)的各級(jí)機(jī)械傳動(dòng)效率和發(fā)電機(jī)EM1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM2工作效率的影響。在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況即ξ=1時(shí)，不考慮電池的充放電效率，并假設(shè)因發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)多發(fā)的電量存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，在未來依舊用于當(dāng)前驅(qū)動(dòng)工況，單級(jí)齒輪傳遞效率為0.985、發(fā)電機(jī)EM1的工作效率為0.90、驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM2的工作效率為0.92時(shí)，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)幅度需大于18.8%才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。以最低燃油消耗率為202 g/(kW·h)的發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在248.8 g/(kW·h)以下燃油消耗率范圍內(nèi)不適合進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)。

5 仿真分析

式(2)為給定工況下油耗，轉(zhuǎn)換成瞬態(tài)系統(tǒng)效率，可表示為：

(5)

式中：ηsys為混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率；Pdiff為混合動(dòng)力系統(tǒng)半軸輸出功率(kW)；Pbatt為動(dòng)力電池充放電功率(kW)；ηE2B為動(dòng)力電池的充放電效率；Hu為燃油的熱值(J/kg)。

進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析的參數(shù)見表1，所用發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性見圖5。

表1 仿真參數(shù)

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性

根據(jù)式(5)，在不同半軸輸出功率下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行調(diào)優(yōu)，其串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)效率見圖6。

充電功率為負(fù)值，表示動(dòng)力電池進(jìn)行放電

從圖6可看出：在小負(fù)荷工況，提升發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷可有效提升系統(tǒng)效率，驅(qū)動(dòng)負(fù)荷超過一定值時(shí)，維持電池充電功率為零，即采用驅(qū)動(dòng)功率需求多少，EM1發(fā)電功率提供多少的功率跟隨效率最高。在5 kW以下的驅(qū)動(dòng)功率需求下，提升2～6 kW發(fā)電功率，可獲得較高的系統(tǒng)效率。特別地，在駐車發(fā)電工況，即驅(qū)動(dòng)功率為零時(shí)，不同的充電功率對(duì)系統(tǒng)效率的影響最顯著，2 kW的充電功率僅能獲得0.18的系統(tǒng)效率，而8 kW的充電功率可獲得0.253的系統(tǒng)效率。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，駐車發(fā)電需考慮NVH(噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)的限制，此時(shí)車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，沒有背景噪聲的影響往往對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH較敏感，故駐車充電功率不會(huì)過大。

上述結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性總體趨勢(shì)一致，在發(fā)動(dòng)機(jī)最低燃油消耗率附近以下的輸出功率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況沿最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線進(jìn)行調(diào)優(yōu)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷至最低燃油消耗率附近，可獲得較好的系統(tǒng)效率。但調(diào)節(jié)幅度超過最低燃油消耗率附近，系統(tǒng)效率反而下降，這從側(cè)面說明串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)效率的最大影響因素是發(fā)動(dòng)機(jī)。

并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況不能與車輛行駛工況完全解耦，僅能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)。在給定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩工作時(shí)，其并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率見圖7～10。

圖7 1 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)并聯(lián)工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率

圖8 2 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)并聯(lián)工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率

圖9 3 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)并聯(lián)工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率

圖10 4 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)并聯(lián)工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率

從圖7～10可看出：1) 在給定轉(zhuǎn)速下，小負(fù)荷時(shí)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷給動(dòng)力電池充電，可提高系統(tǒng)效率；大負(fù)荷時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，可提高系統(tǒng)效率。2) 在動(dòng)力電池不充不放的跟隨工況，系統(tǒng)效率較高點(diǎn)的負(fù)荷較大，這其實(shí)也是由于發(fā)動(dòng)機(jī)特性的影響。根據(jù)前文分析，中高穩(wěn)定車速驅(qū)動(dòng)下采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，一般采用功率跟隨，即動(dòng)力電池不充不放，也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)的速比選擇應(yīng)使并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨功率貼近車輛穩(wěn)定工況行駛的阻力功率，從而達(dá)到最大幅度節(jié)能的目的。

將混合動(dòng)力系統(tǒng)搭載在整車上，按瞬時(shí)系統(tǒng)效率最優(yōu)運(yùn)行WLTC(全球統(tǒng)一輕型汽車測(cè)試)工況，仿真結(jié)果見圖11。仿真前后維持動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)SOC平衡一致，按發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)與否，統(tǒng)計(jì)仿真循環(huán)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

圖11 WLTC工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果

表2 循環(huán)工況能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表2可看出：進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)優(yōu)可有效提升系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性，提升幅度為9.39%，其主要貢獻(xiàn)來自串聯(lián)工況下的調(diào)優(yōu)，占比為66.87%。

6 結(jié)論

(1) 分析串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能關(guān)鍵因素，因該系統(tǒng)所用發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)工況與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的解耦，所用發(fā)動(dòng)機(jī)為有別于傳統(tǒng)燃油汽車用的專用發(fā)動(dòng)機(jī)，其高效應(yīng)設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩上都更扁平，外特性要求低，輸出響應(yīng)亦可降低，可大幅簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和突出發(fā)動(dòng)機(jī)局部效率特性。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)速比的選擇主要考慮長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定中高車速下中小負(fù)荷驅(qū)動(dòng)工況，將發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油輸出線貼近阻力線，能獲得較高的等速油耗。

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)的工況調(diào)節(jié)能在一定程度上提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，且工況調(diào)優(yōu)幅度需達(dá)到一定值才具備提升經(jīng)濟(jì)性。示例仿真結(jié)果為發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)優(yōu)幅度達(dá)到18.8%才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升；WLTC工況提升9.39%的燃油經(jīng)濟(jì)性，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)優(yōu)占比較大，為66.87%。串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)效率主要依賴發(fā)動(dòng)機(jī)的效率特性。

(4) 串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、速比選擇、工況調(diào)優(yōu)基本圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)效率特性展開，而電機(jī)的工作效率遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)，說明串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)效率的最大影響因素是發(fā)動(dòng)機(jī)，串并聯(lián)機(jī)電耦合系統(tǒng)為專用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及工況調(diào)優(yōu)提供了可能。