曾小華，李廣含，宋大鳳，朱光海，王印束

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025； 2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450016)

前言

混合動(dòng)力汽車作為傳統(tǒng)汽車向電動(dòng)汽車發(fā)展的過(guò)渡車型，能夠有效緩解汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染以及能源危機(jī)問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展迅速。其中，以行星齒輪作為動(dòng)力耦合裝置的豐田功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)最具代表性，截至2017年2月，其全球累計(jì)銷量突破1 000萬(wàn)輛。此外，行星式混合動(dòng)力系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)客車市場(chǎng)領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。

目前針對(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)域研究的焦點(diǎn)問(wèn)題[1－2]，包括混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型分析[3－5]、參數(shù)匹配[6－7]、系統(tǒng)建模[8－9]和控制策略[10－13]等方面。首先，針對(duì)混合動(dòng)力汽車的性能需求合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)型是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車最佳經(jīng)濟(jì)性能的基礎(chǔ)[3]。為獲取具備最優(yōu)節(jié)能潛力的構(gòu)型，相關(guān)學(xué)者提出了較為系統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)理論[4]以及目標(biāo)構(gòu)型快速優(yōu)選方法[5]。在構(gòu)型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)與優(yōu)化，是提升整車經(jīng)濟(jì)性能的另一重要方面。混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配通?？紤]動(dòng)力源效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率、整車行駛工況需求[6]，同時(shí)利用不同的優(yōu)化算法，如遺傳算法和序列二次規(guī)劃等[7]，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)多因素參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)決定了系統(tǒng)的節(jié)能潛力，而系統(tǒng)最優(yōu)性能的發(fā)揮則依賴于整車控制策略的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。當(dāng)前學(xué)者針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略也開(kāi)展了大量的研究工作，研究?jī)?nèi)容主要包括基于規(guī)則的能量管理策略[10]、基于等效燃油消耗最小的優(yōu)化控制算法[11－12]和基于全局優(yōu)化的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法[13]。此外，二次型最優(yōu)控制[14]、模型預(yù)測(cè)控制[15]等現(xiàn)代優(yōu)化控制理論同樣在混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制中得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)油效果?？梢?jiàn)，目前針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的油耗分析與節(jié)能優(yōu)化所開(kāi)展的研究主要基于穩(wěn)態(tài)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，分析混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型、控制策略以及關(guān)鍵控制參數(shù)等對(duì)油耗的影響，或者基于優(yōu)化控制理論實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能提升。

上述針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的研究，仍然多是基于仿真或者實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)整體能耗進(jìn)行比較分析，說(shuō)明新構(gòu)型或者新方法帶來(lái)的節(jié)油效果，這樣的對(duì)比分析只能從宏觀角度說(shuō)明系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。目前也有學(xué)者針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗的關(guān)鍵影響因素[16－18]開(kāi)展分析，但仍然缺乏對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油因素的細(xì)節(jié)定量的分析和探討。然而，更加細(xì)化的油耗分析無(wú)論在早期開(kāi)發(fā)還是后期優(yōu)化都具有重要意義。首先，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的前期方案論證階段，定量的油耗分析和細(xì)化的節(jié)油影響因素分析，既能輔助證明宏觀油耗結(jié)果的合理性，又能揭示系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)理，幫助開(kāi)發(fā)者深入了解所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，分解系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化指標(biāo)。其次，在實(shí)車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、標(biāo)定階段，定量的節(jié)油分析也有助于為研發(fā)、標(biāo)定人員指明系統(tǒng)優(yōu)化方向。

由于混合動(dòng)力系統(tǒng)中存在多動(dòng)力源，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。在混合動(dòng)力系統(tǒng)工作過(guò)程中，多動(dòng)力源之間的能量轉(zhuǎn)換與損失無(wú)法避免[19－21]。一方面，系統(tǒng)中存在機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程，比如再生制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池充電、電動(dòng)機(jī)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效區(qū)間等；另一方面，系統(tǒng)工作過(guò)程中始終存在效率損失，包括各動(dòng)力源的效率特性和機(jī)械部件傳動(dòng)效率特性。混合動(dòng)力系統(tǒng)多動(dòng)力源之間的能量轉(zhuǎn)換損失耦合特性使混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗定量分析變得更加復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗定量分析，本文中主要研究以下兩方面內(nèi)容：

(1)分析混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部能量流、部件效率因素與理論油耗之間的內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗定量計(jì)算；

(2)建立系統(tǒng)油耗關(guān)鍵影響因素與理論油耗之間的變化聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)各影響因素與理論油耗之間的解耦分析，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)理論節(jié)油率定量計(jì)算，預(yù)測(cè)混合動(dòng)力系統(tǒng)性能。

基于此，針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)中存在的多動(dòng)力源能量轉(zhuǎn)換損失耦合特性，在作者前期研究過(guò)程中提出的混合動(dòng)力系統(tǒng)功率損失模型能耗分析方法的基礎(chǔ)上[22]，本文中基于混合動(dòng)力汽車內(nèi)部能量流，定義系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率概念，并建立基于能量計(jì)算的混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗模型，結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)基本節(jié)油途徑，考慮再生制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率和平均綜合傳動(dòng)效率變化因素，建立混合動(dòng)力系統(tǒng)理論綜合油耗增量計(jì)算模型，并針對(duì)某行星式功率分流混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)公交客車的油耗影響因素進(jìn)行深入的定量分析。

1 基于能量計(jì)算的理論油耗模型

本文中基于混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部能量流角度，提出基于能量計(jì)算的混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算模型。首先，無(wú)論是并聯(lián)式構(gòu)型還是混聯(lián)式構(gòu)型，均可按照?qǐng)D1所示，劃分為動(dòng)力源模塊、傳動(dòng)系統(tǒng)模塊和車體模塊。其中動(dòng)力源模塊由發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組成，傳動(dòng)模塊由電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)以及變速機(jī)構(gòu)組成，具體取決于混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，車體模塊根據(jù)汽車?yán)碚摵?jiǎn)化為整車縱向動(dòng)力學(xué)模型，如式(1)所示。

式中：Ft為車輪處整車驅(qū)動(dòng)力，N·m；Ff為滾動(dòng)阻力，N·m；Fw為空氣阻力，N·m；Fi為坡道阻力，N·m；Fj為加速阻力，N·m。

圖1中混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部不同端點(diǎn)位置的能量流定義分別如式(2)～式(7)所示。

圖1 基于系統(tǒng)能量流角度混合動(dòng)力系統(tǒng)模塊劃分

其中

式中：Ewh為車輪處循環(huán)工況理論總驅(qū)動(dòng)能量，kJ；Efuel為發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油總能量，kJ；Eice為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際提供的能量，kJ；ergb(t)和Ergb為電池端再生制動(dòng)各點(diǎn)回收能量和總回收能量，kJ；Eb，dc為電池放電總能量，kJ；Eb，c為電池充電總能量，kJ；Ft(t)和 F′t(t)為循環(huán)工況各點(diǎn)需求驅(qū)動(dòng)力和整車驅(qū)動(dòng)力，N·m；v(t)為循環(huán)工況各點(diǎn)車速，m/s；n為循環(huán)工況總時(shí)間，s(計(jì)算步長(zhǎng)為1s)；fe為整車百公里燃油消耗，L/100km；Ca為燃油熱值，kJ/g；SOC(t)為循環(huán)工況各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)SOC變化；SOCini為電池初始SOC；SOCend為電池終值SOC；BrkP(t)為循環(huán)工況各點(diǎn)制動(dòng)踏板開(kāi)度；BE 為電池能量，kW·h；be，avg為發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率，g·(kW·h)－1；C為油耗單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。be，avg和C計(jì)算如式(8)和式(9)所示。

式中：ρfuel為燃油密度，kg/L；xtot為循環(huán)工況總行駛里程，km；Me(t)為循環(huán)工況各點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量，g/h；Pe(t)為循環(huán)工況各點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；

根據(jù)上述混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部各端點(diǎn)處能量計(jì)算，所劃分的傳動(dòng)系統(tǒng)模塊的輸入總能量包括發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際提供能量Eice、電池端再生制動(dòng)總回收能量Ergb和電池放電總能量Eb，dc，傳動(dòng)系統(tǒng)模塊的輸出總能量包括車輪處循環(huán)工況理論總驅(qū)動(dòng)能量Ewh和電池充電總能量Eb，c。結(jié)合能量守恒定律，定義混合動(dòng)力系統(tǒng)的平均綜合傳動(dòng)效率ηtr，如式(10)所示。

基于平均綜合傳動(dòng)效率的定義，提出混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算模型，如式(11)所示。

式中：ηb，c為電池充電平均效率；ηb，dc為電池放電平均效率。

2 基于理論油耗模型的節(jié)油因素分析

基于上述混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算模型，進(jìn)一步分析混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗影響因素，并建立理論油耗增量計(jì)算模型，定量計(jì)算各影響因素可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油指標(biāo)。

2.1 理論綜合油耗增量計(jì)算模型

根據(jù)式(11)所示的理論油耗計(jì)算模型，影響混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗的主要因素包括：車輪處循環(huán)工況理論總驅(qū)動(dòng)能量Ewh、再生制動(dòng)回收能量Ergb、電池充放電能量 Eb，c與 Eb，dc、平均綜合傳動(dòng)效率 ηtr、發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率be，avg(發(fā)動(dòng)機(jī)效率)和電池充放電效率 ηb，c與 ηb，dc。

其中，車輪處循環(huán)工況理論總驅(qū)動(dòng)能量Ewh取決于循環(huán)工況需求，在循環(huán)工況選定的情況下，該能量為常數(shù)。 電池充放電能量 Eb，c，Eb，dc取決于循環(huán)工況仿真結(jié)束后電池SOC的終值，若工況運(yùn)行結(jié)束SOC完全平衡，則電池充電、放電總能量均為0，但實(shí)際控制過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)SOC的完全平衡。因此，在上述理論油耗模型的基礎(chǔ)上加入電池電量修正，根據(jù)理論計(jì)算模型將電池充、放電電量等效計(jì)算為百公里油耗，如式(12)所示。

進(jìn)一步推導(dǎo)，得到電量修正后的混合動(dòng)力系統(tǒng)統(tǒng)一理論綜合油耗計(jì)算模型，如式(13)所示。

式中fe，u為理論綜合百公里油耗，L/100km。

根據(jù)式(13)所示的理論綜合油耗計(jì)算模型，進(jìn)一步分析再生制動(dòng)能量、發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率和混合動(dòng)力系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率對(duì)整車百公里油耗的影響。

首先，定義系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率的變化梯度?和發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率的變化梯度γ，如式(14)與式(15)所示。

式中：Δη為平均綜合傳動(dòng)效率變化量；ηtr_inc為相對(duì)ηtr變化后的平均綜合傳動(dòng)效率；Δbe為發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化量，g·(kW·h)－1；be，avg_inc為相對(duì)be，avg變化后的發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率，g·(kW·h)－1。

進(jìn)一步，可推導(dǎo)混合動(dòng)力系統(tǒng)理論綜合油耗增量計(jì)算模型，如式(16)所示。

式中：fe，u，inc為各因素變化后混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合百公里油耗，L/100 km；Ergb_inc為變化后的再生制動(dòng)回收能量，kJ；ΔErgb為再生制動(dòng)回收能量變化量，kJ。 其中，由于電池的充放電效率損失大多來(lái)自自身內(nèi)阻引起的功率損失，在電池內(nèi)阻較小的情況下(文中混合動(dòng)力系統(tǒng)電池內(nèi)阻0.08Ω左右)，電池充放電平均效率均較高，因此式(16)所示的增量綜合油耗模型中忽略了電池充放電效率的影響。

2.2 節(jié)油量與節(jié)油率定義

根據(jù)上述混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算模型和綜合油耗增量模型，進(jìn)一步計(jì)算混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油量和節(jié)油率，分別如式(17)和式(18)所示，其中節(jié)油量與節(jié)油率之間滿足式(19)所示關(guān)系。

式中：Δfe為節(jié)油量，L/100 km；σfe為節(jié)油率。

可見(jiàn)，文中所提出的節(jié)油率的物理意義是指混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油能量占車輪處理論總驅(qū)動(dòng)能量的比例。

2.3 油耗影響因素分析

目前針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑已經(jīng)被廣泛確認(rèn)，包括：(1)減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率；(2)消除發(fā)動(dòng)機(jī)怠速；(3)再生制動(dòng)；(4)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間。其中，消除怠速功能在混動(dòng)系統(tǒng)中已被廣泛實(shí)現(xiàn)，在行駛工況相同的條件下，各系統(tǒng)構(gòu)型在消除怠速方面實(shí)現(xiàn)的節(jié)油效果相同；同時(shí)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率是通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)油效果，因此在系統(tǒng)構(gòu)型確定后，其節(jié)能效果被轉(zhuǎn)化為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間帶來(lái)的節(jié)能效果?；诖耍闹兄饕治鱿到y(tǒng)基本構(gòu)型確定之后，再生制動(dòng)能量回收以及優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)及工作區(qū)間對(duì)油耗的影響。

然而，無(wú)論是串聯(lián)式、并聯(lián)式還是混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的同時(shí)，都會(huì)帶來(lái)額外的能量轉(zhuǎn)換損失。行星混聯(lián)與串聯(lián)式構(gòu)型的電路徑上存在能量二次轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)混聯(lián)構(gòu)型和并聯(lián)構(gòu)型在調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的同時(shí)也會(huì)因?yàn)闄C(jī)械能和電池電能的轉(zhuǎn)換帶來(lái)額外損失?？梢?jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間優(yōu)化產(chǎn)生的節(jié)油效果和能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損失始終是耦合在一起的，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油分析帶來(lái)很大困難。

基于此，利用文中提出的平均綜合傳動(dòng)效率的概念定義，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間優(yōu)化的節(jié)油效果分析進(jìn)行解耦。實(shí)際上，通過(guò)控制策略改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗的影響主要包括兩個(gè)方面：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間變化之后，發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率發(fā)生變化；(2)由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整過(guò)程需求電機(jī)主動(dòng)調(diào)節(jié)，此時(shí)機(jī)械能與電池電能的轉(zhuǎn)換帶來(lái)的額外損失實(shí)際引起了混合動(dòng)力系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率的變化。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間優(yōu)化帶來(lái)的節(jié)油效果可從兩個(gè)方面分析：發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率和平均綜合傳動(dòng)效率。

綜上所述，在混合動(dòng)力系統(tǒng)基本構(gòu)型參數(shù)確定的前提下，系統(tǒng)主要節(jié)油因素包括再生制動(dòng)能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率優(yōu)化和平均綜合傳動(dòng)效率提升，此結(jié)論也與式(17)所表達(dá)的節(jié)油量計(jì)算的主要影響因素相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)上述混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算模型和綜合油耗增量計(jì)算模型，對(duì)各因素引起的節(jié)油量進(jìn)行理論分析。

2.3.1 再生制動(dòng)能量回收節(jié)油理論分析

基于混合動(dòng)力系統(tǒng)宏觀能量角度，再生制動(dòng)能量回收使系統(tǒng)獲取了“免費(fèi)”的電能，從而可以提升系統(tǒng)純電動(dòng)工作的時(shí)間比例，減少發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)工作時(shí)間，而當(dāng)系統(tǒng)基本控制策略不變的情況下，再生制動(dòng)本身不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布區(qū)間產(chǎn)生較大的影響，此外系統(tǒng)的平均綜合傳動(dòng)效率此時(shí)主要受到純電動(dòng)工作模式效率與發(fā)動(dòng)機(jī)模式效率影響，其變化也非常有限。

為盡可能清晰地表達(dá)再生制動(dòng)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油的影響，忽略再生制動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率影響，令γ≈0，進(jìn)而推導(dǎo)出再生制動(dòng)能量回收可實(shí)現(xiàn)的混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油率σfe_rgb和節(jié)油量Δfe_rgb：

如式(20)所示，首先，由于再生制動(dòng)能量回收導(dǎo)致混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式時(shí)間比例分布發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致平均綜合傳動(dòng)效率發(fā)生變化，即再生制動(dòng)回收能量變化量帶來(lái)節(jié)油，即與系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率和制動(dòng)能量回收變化量成正比。

2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率節(jié)油理論分析

當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)確定之后，發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率優(yōu)化主要通過(guò)控制策略優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間實(shí)現(xiàn)?？刂撇呗詫?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)平均工作效率的影響機(jī)理，文中不作重點(diǎn)分析，而重點(diǎn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率的變化對(duì)油耗的影響。

為盡可能清晰地表達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油的影響，忽略計(jì)算過(guò)程中變化不敏感的因素，并作出如下假設(shè)：

(1)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化不會(huì)對(duì)再生制動(dòng)產(chǎn)生影響，ΔErgb＝0；

(2)假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化不影響平均綜合傳動(dòng)效率，令?≈0。

基于上述假設(shè)，推導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化與混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油率σfe_be和節(jié)油量Δfe_be的關(guān)系為

可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油量和節(jié)油率與發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化梯度成正比。

2.3.3 平均綜合傳動(dòng)效率節(jié)油理論分析

引起混合動(dòng)力系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率變化的因素很多，包括機(jī)械效率、電機(jī)工作效率、控制策略影響等，文中重點(diǎn)分析系統(tǒng)機(jī)械效率與電機(jī)工作效率變化情況下，引起的混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油率σfe_η與節(jié)油量Δfe_η變化，如式(22)所示。

根據(jù)式(22)，系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率變化時(shí)對(duì)油耗的影響包括兩個(gè)方面：(1)系統(tǒng)效率變化引起再生制動(dòng)能量回收變化，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)油耗產(chǎn)生影響，即(2)系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率變化與發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率變化耦合，共同對(duì)油耗產(chǎn)生影響，即

3 案例分析驗(yàn)證

本節(jié)利用上述油耗理論計(jì)算模型，對(duì)某行星式功率分流混合動(dòng)力公交客車系統(tǒng)進(jìn)行油耗仿真計(jì)算與理論計(jì)算，通過(guò)仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證上述油耗分析方法的合理性。

3.1 整車基本參數(shù)

某公交客車平臺(tái)行星式功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型(以下簡(jiǎn)稱行星構(gòu)型)如圖2所示，其中，行星構(gòu)型具有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙解耦的能力，可將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在最優(yōu)工作曲線，獲得較好的經(jīng)濟(jì)性能。

整車基本參數(shù)如表1所示，所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性參數(shù)如圖3所示。

圖2 行星混聯(lián)構(gòu)型

表1 整車基本參數(shù)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖

3.2 理論油耗模型驗(yàn)證

首先，通過(guò)MATLAB程序仿真以及基于上述理論油耗模型的理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證文中提出的理論油耗計(jì)算模型的合理性。

中國(guó)典型城市工況下，仿真油耗與理論模型計(jì)算油耗對(duì)比，如表2所示?？梢?jiàn)，針對(duì)該混合動(dòng)力公交客車的仿真結(jié)果與理論油耗計(jì)算結(jié)果基本保持一致，計(jì)算誤差小于0.01%，說(shuō)明本文中提出的基于能量計(jì)算的理論油耗模型合理。

表2 仿真油耗與理論油耗對(duì)比

3.3 理論節(jié)油影響因素分析驗(yàn)證

在理論油耗模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)仿真驗(yàn)證上述各油耗影響因素理論分析的合理性，并根據(jù)上述理論分析結(jié)果定量計(jì)算不同油耗影響因素可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率和節(jié)油量。

3.3.1 再生制動(dòng)能量回收節(jié)油分析

該混合動(dòng)力系統(tǒng)再生制動(dòng)能量回收的油耗分析結(jié)果如表3所示，與不進(jìn)行再生制動(dòng)能量回收相比，不同能量回收工況下，仿真計(jì)算節(jié)油率與理論計(jì)算節(jié)油率結(jié)果基本吻合，計(jì)算誤差均小于5%，證明文中提出的油耗理論分析模型合理。析(與無(wú)再生制動(dòng)相比)

表3 再生制動(dòng)能量回收節(jié)油分

進(jìn)一步利用理論綜合油耗增量模型，定量分析行星式混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同的能量回收率下，可以實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，與無(wú)再生制動(dòng)相比，能量回收率每增加2%，行星構(gòu)型節(jié)油率提升1.7%，節(jié)油量提升0.41 L/100km。

圖4 不同能量回收率下的節(jié)油率與節(jié)油量

3.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率節(jié)油分析

發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化對(duì)油耗的影響分析結(jié)果如表4所示，不同發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率的變化情況下，理論計(jì)算節(jié)油率與仿真節(jié)油率吻合，計(jì)算誤差均小于5%，證明節(jié)油理論分析模型正確。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率節(jié)油分析

進(jìn)一步結(jié)合理論綜合油耗增量模型，定量分析各混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型在發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化或者發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率變化的情況下，可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量，結(jié)果如圖5和圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，與初始值195 g·(kW·h)－1相比，發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率每降低5 g·(kW·h)－1，行星混聯(lián)構(gòu)型節(jié)油率提升1.7%，節(jié)油量提升0.39 L/100km。

3.3.3 平均綜合傳動(dòng)效率節(jié)油分析

前文中已針對(duì)再生制動(dòng)能量回收和發(fā)動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)系統(tǒng)油耗的影響規(guī)律進(jìn)行了定量分析，本節(jié)重點(diǎn)考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)油耗的影響規(guī)律。因此本文中針對(duì)平均綜合傳動(dòng)效率進(jìn)行油耗分析時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng)再生制動(dòng)功能，同時(shí)維持基本控制規(guī)則不變，以使發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率變化可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量

(1)機(jī)械效率變化影響

根據(jù)仿真結(jié)果和式(23)分析系統(tǒng)機(jī)械效率變化可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量，結(jié)果如表5所示?？梢?jiàn)，機(jī)械效率每增加0.01，平均綜合傳動(dòng)效率梯度變化 0.01左右，節(jié)油率增加 1%，節(jié)油量增加0.24 L/100km。由于仿真過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間很難維持完全一致，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率變化時(shí)，仿真計(jì)算與理論計(jì)算結(jié)果存在一定誤差，但最大誤差仍然小于5%。

(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2效率變化影響

驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率變化時(shí)，行星構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量如表6所示?？梢?jiàn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率每增加0.02，平均綜合傳動(dòng)效率梯度變化0.01左右，行星混聯(lián)構(gòu)型節(jié)油率提升1%，節(jié)油量提升0.24 L/100km。消耗率保持一致。此時(shí)，系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率變化實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率可簡(jiǎn)化為

表5 機(jī)械效率影響因素節(jié)油分析

表6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率影響因素節(jié)油分析

從宏觀角度分析，當(dāng)沒(méi)有再生制動(dòng)功能的情況下，系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率可簡(jiǎn)化為(假設(shè)電池SOC保持平衡)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率提升的情況下可進(jìn)一步減少發(fā)動(dòng)機(jī)的總驅(qū)動(dòng)能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平均綜合傳動(dòng)效率的提升。

(3)發(fā)電機(jī)MG1效率變化影響

發(fā)電機(jī)效率變化時(shí)行星構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)的節(jié)油率與節(jié)油量如表7所示?？梢?jiàn)，發(fā)電機(jī)效率每增加0.02，系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率梯度變化0.01左右，節(jié)油率提升1%，節(jié)油量提升0.24 L/100km。

表7 發(fā)電機(jī)效率影響因素節(jié)油分析

從宏觀角度分析，行星構(gòu)型工作過(guò)程中需求發(fā)電機(jī)發(fā)電維持電池電功率平衡，當(dāng)發(fā)電機(jī)效率提升時(shí)，可以減少發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)處的分流功率，進(jìn)而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的總驅(qū)動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)平均綜合傳動(dòng)效率的提升，減少系統(tǒng)油耗。

4 結(jié)論

本文中基于混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部能量流角度，提出混合動(dòng)力系統(tǒng)平均綜合傳動(dòng)效率概念，并建立了基于能量計(jì)算的混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算模型；結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑，考慮再生制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃油消耗率和平均綜合傳動(dòng)效率變化因素，最終形成混合動(dòng)力系統(tǒng)理論綜合油耗增量計(jì)算模型。該模型既能從宏觀能量角度計(jì)算混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗，也可從細(xì)節(jié)定量表征不同因素變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)油耗的影響。

通過(guò)某公交客車平臺(tái)，針對(duì)行星混聯(lián)構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，本文中所提出的混合動(dòng)力系統(tǒng)理論油耗計(jì)算方法和節(jié)油影響因素分析方法合理，為混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前期方案論證提供了理論基礎(chǔ)，也為混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能細(xì)化分析提供了量化依據(jù)，有助于為實(shí)車研發(fā)、標(biāo)定人員指明系統(tǒng)優(yōu)化方向，為進(jìn)一步提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。