吳浩東　吳祖儀　趙寧　胡毛毛　吳沛峰

摘 要：為有效辨識駕駛員的駕駛意圖，提高混合動力汽車整車燃油經(jīng)濟(jì)性，提出了一種根據(jù)駕駛員實(shí)時需求功率及發(fā)動機(jī)萬有特性來即時調(diào)整發(fā)動機(jī)、電機(jī)扭矩分配的方法。通過對整車燃油消耗量的分析，構(gòu)建了整車實(shí)時瞬時燃油消耗率最小目標(biāo)函數(shù)，從而實(shí)時計算并調(diào)整整車扭矩分配，使發(fā)動機(jī)、電機(jī)維持綜合效率最高狀態(tài)運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法可使百公里油耗降低5.01%。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車 燃油經(jīng)濟(jì)性 最小瞬時燃油消耗率 扭矩分配

隨著近些年燃油價格上漲及國家對新能源汽車的大力支持，新能源汽車逐步成為汽車發(fā)展的主要方向。其中，由于純電動汽車存在的續(xù)航及充電問題，混合動力汽車得益于其優(yōu)越的動力性和經(jīng)濟(jì)性，逐漸成為越來越多消費(fèi)者購買新能源汽車的首選目標(biāo)。

對于混合動力汽車來說，其競爭力就在于油耗高低。目前針對燃油經(jīng)濟(jì)性主要的控制方法是使發(fā)動機(jī)一直維持在最優(yōu)工作區(qū)內(nèi)，但由于實(shí)際行駛過程中工況復(fù)雜多變，很難保證發(fā)動機(jī)工況穩(wěn)定性。針對此問題，本文通過優(yōu)化混合動力汽車扭矩分配來使發(fā)動機(jī)實(shí)時運(yùn)行在瞬時燃油消耗率最小點(diǎn)。

1 模型設(shè)計

1.1 動力總成萬有特性

基于上述問題，首先要得到實(shí)時瞬時燃油消耗率?；旌蟿恿ζ囍械尿?qū)動模塊包括電池、電機(jī)、發(fā)動機(jī)，各模塊在不同工況下的實(shí)際效率都不同，因此單獨(dú)使用發(fā)動機(jī)萬有特性得出的并非最準(zhǔn)確的瞬時燃油消耗率。在實(shí)際測試瞬時燃油消耗率時，需在臺架上搭建完整的動力總成模塊，包括發(fā)動機(jī)、電機(jī)及電池，測量不同工況下的實(shí)時燃油消耗量，得到動力總成的萬有特性map。如圖1為動力總成萬有特性map，越靠近中心則瞬時燃油消耗率越低，單位：g/（kWh）。

從圖1中可以得出發(fā)動機(jī)及電機(jī)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但固定點(diǎn)運(yùn)行會使低速時NVH較差或高速時功率不足，因此實(shí)際應(yīng)用時需選取多點(diǎn)進(jìn)行工況覆蓋?；诎j(luò)線原則，可得出發(fā)動機(jī)各功率下瞬時燃油消耗率最低的點(diǎn)，連成線則如圖1中曲線所示，其線上任一點(diǎn)均為當(dāng)前發(fā)動機(jī)功率下瞬時燃油消耗率最低的點(diǎn)。

理論上，如果使發(fā)動機(jī)運(yùn)行在圖1中的曲線上，則其運(yùn)行點(diǎn)始終為當(dāng)前需求功率下瞬時燃油消耗率最低的點(diǎn)。但實(shí)際并聯(lián)行車時，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際車速的相關(guān)性，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)無法嚴(yán)格按照工況點(diǎn)運(yùn)行，否則會導(dǎo)致功率不夠或溢出，此時就需要電機(jī)介入補(bǔ)足扭矩或以多余扭矩充電。本文樣本車輛動力總成架構(gòu)如圖2所示。

本文主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)實(shí)時最小燃油消耗對油耗的影響，因此其他諸如阻力、電平衡、模式切換等因素已在試驗(yàn)驗(yàn)證前完成數(shù)據(jù)優(yōu)化，初版數(shù)據(jù)中已完成這部分內(nèi)容的集成，且已在初版數(shù)據(jù)中集成發(fā)動機(jī)萬有特性，但集成方式為當(dāng)前油耗優(yōu)化策略中普遍采用的方式，仍與本文優(yōu)化方向有所不同：1、普遍采用的優(yōu)化方式為集成發(fā)動機(jī)萬有特性，本文中基于1.1章節(jié)邏輯集成動力總成萬有特性，包含了不同扭矩轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率，主要在于低轉(zhuǎn)速區(qū)間的差別，下文中有詳細(xì)運(yùn)行點(diǎn)圖比較；2、并聯(lián)過程中由于要考慮發(fā)動機(jī)直驅(qū)最優(yōu)還是嚴(yán)格跟隨經(jīng)濟(jì)線最優(yōu)，初版數(shù)據(jù)中暫時采用直驅(qū)模式，具體效率比較下文中會有詳細(xì)對比。

1.2 串并聯(lián)工況區(qū)分

1.2.1 串聯(lián)工況

發(fā)動機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時，由于發(fā)動機(jī)可自由運(yùn)行，因此可以嚴(yán)格按照瞬時燃油消耗率最低的工況運(yùn)行。如固定點(diǎn)運(yùn)行，除上述NVH與功率需求問題外，還需考慮整車能量流。串聯(lián)行駛時，由于發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組與驅(qū)動軸脫開，實(shí)際運(yùn)行工況可以嚴(yán)格跟隨最低燃油消耗率曲線，由此發(fā)動機(jī)運(yùn)行時為理論上的最優(yōu)工況。

1.2.2 并聯(lián)工況

并聯(lián)工況由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速強(qiáng)相關(guān)，無法完全按照最優(yōu)線工作（否則會導(dǎo)致低功率需求時電池過充或高功率需求時過放，無法維持正常SOC區(qū)間）。而且，并聯(lián)時發(fā)動機(jī)傳遞效率如表1所示，從表中可以看出發(fā)動機(jī)直驅(qū)效率要高于充電后再由電池輸出功率，因此實(shí)際策略中需實(shí)時對當(dāng)前發(fā)動機(jī)扭矩及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計算，得出當(dāng)前可以直驅(qū)的最佳扭矩。

具體計算方法如下：

直驅(qū)時：

固定發(fā)動機(jī)功率時：

式中：

P為當(dāng)前整車需求驅(qū)動功率（kW）；

PE1為當(dāng)前需求功率P時發(fā)動機(jī)并聯(lián)直驅(qū)時的發(fā)動機(jī)功率（kW）；

PE2為當(dāng)前需求功率P時發(fā)動機(jī)固定工作點(diǎn)的總功率（kW），其中用于驅(qū)動，為多余功率充電后可用于低功率需求時補(bǔ)扭的功率；

PED為固定發(fā)動機(jī)功率時的發(fā)動機(jī)功率（kW）；

PBC為發(fā)動機(jī)多出功率對電池充電的功率（kW）；

PBD為發(fā)動機(jī)不足功率使用電池放電對應(yīng)的功率（kW）；

U1為發(fā)動機(jī)功率為時當(dāng)前轉(zhuǎn)速的熱效率（%）；

為并聯(lián)直驅(qū)時發(fā)動機(jī)綜合效率（%）；

為發(fā)動機(jī)功率為時當(dāng)前轉(zhuǎn)速的熱效率（%）；

為并聯(lián)固定工作點(diǎn)發(fā)動機(jī)功率高于當(dāng)前需求功率時發(fā)動機(jī)綜合效率（%）；

為聯(lián)固定工作點(diǎn)發(fā)動機(jī)功率低于當(dāng)前需求功率時發(fā)動機(jī)綜合效率（%）。

由于動力總成萬有特性map已知，以上公式中P、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速都可實(shí)時讀取，、、已知，因此可實(shí)時計算與或的值實(shí)時比較大小，即可隨時判斷當(dāng)前工況下更經(jīng)濟(jì)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時選擇瞬時燃油消耗率最低策略。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述策略，將此策略集成后轉(zhuǎn)載入如圖3所示的HEV車輛中，分別以原始數(shù)據(jù)及優(yōu)化后的策略進(jìn)行WLTC測試，運(yùn)行點(diǎn)對比如圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表2：

如上所述，本研究中，車輛已通過集成發(fā)動機(jī)萬有特性及其他基礎(chǔ)措施對油耗進(jìn)行了初步優(yōu)化。而通過上述的瞬時燃油消耗率最低策略，為對偏離經(jīng)濟(jì)區(qū)的工況進(jìn)行約束，優(yōu)化低轉(zhuǎn)速工況后油耗有明顯改善，降低3.43%，同時SOC略有上漲。（圖4、表３）

應(yīng)用上述策略后，并聯(lián)時發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)明顯收縮但仍沒有完全按照經(jīng)濟(jì)性分布，油耗優(yōu)化1.64%，試驗(yàn)匯總?cè)缦?，共降低油?.01%。（表4）

3 結(jié)語

本文針對動力總成萬有特性對發(fā)動機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行實(shí)時計算和對比，從而達(dá)到優(yōu)化油耗的目的。在混合動力汽車受到普遍關(guān)注的當(dāng)下，此研究可以顯著降低混合動力汽車油耗，由于車輛在不同工況、不同里程及不同溫度下特性都不同，所以在實(shí)際進(jìn)行最低燃油消耗率計算時，需要更詳盡準(zhǔn)確的動力總成模型，特別是系統(tǒng)效率及萬有特性方面。

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