串聯式混合動力越野車動力性經濟性匹配分析

鄭賢文， 周振華， 靜大勇

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

1 研究背景

越野汽車相對傳統公路車輛，由于路況復雜，故其動力性、經濟性指標往往較難取得較好平衡。由于越野車主要行駛在低、中速工況，車輛驅動扭矩需求大但負載功率并不高，結果帶來較高的油耗值。傳動增程式技術方案主要應用于城市行駛的公交車、乘用車等，為追求更高的節油與排放目標，往往以動力電池驅動為主，小排量發動機發電為輔[1]，對越野車由于行駛路況復雜，且對應充電設施少，傳統增程式并不是最佳解決方案。隨著近年來電機技術的發展以及動力電池充放電水平的提升，為在越野汽車上采用串聯式混合動力方案，并進一步提升越野汽車性能創造了條件：可通過采用串聯式混合動力方案來提高燃油經濟性；通過動力電池附加能量輸出來彌補為適應路面沖擊而增加的結構附加重量，同時對車輛動力性，尤其對加速性能的提升。

2 技術方案

本文以某串聯式混合動力四輪輪轂驅動越野車為例進行分析，其動力模塊由高轉速高效柴油發動機、永磁同步發電機與三元系鋰離子動力電池構成，驅動模塊由四輪輪轂驅動電機構成，整車控制器控制發動機驅動發電機發電，為車輛行駛提供能源，同時對四輪輪轂驅動電機進行協調控制。如圖 1為串聯式四輪轂電機驅動越野汽車原理圖。

3 越野工況及控制模型建立

由于車輛負載功率、行駛車速及油門踏板開度等信號可基本反映出車輛的具體工況需求與駕駛員意圖，所以可從此三個信號作為控制切入點，如表1，將混合動力越野車分為8種常見工況，分別對應越野路行駛、公路行駛、極限攀爬等路況。在中低速公路行駛工況中包含低附著路驅動控制，其中起步加速工況由于車輛加速慣性阻力功率，起步時功率在很短時間內提高，然后保持在較高水平，直至車輛達到目標車速，越野極限攀爬工況雖然驅動力處于較大水平，由于車輛轉速極低，總體需求功率很小，因此可根據駕駛員油門踏板大小判斷驅動力需求。對此本文不詳細展開。

表1 混合動力越野汽車基本工況識別

車輛負載功率計算公式如下（不考慮加速慣性阻力）：

式中：Pz為車輛行駛阻力功率（單位kW）；m為車輛質量（單位kg）；g為重力加速度（取9.8m/s2）；θ為坡道與水平面夾角；f為車輛行駛滾動阻力系數；cd為車輛風阻系數；A為車輛迎風面積（單位m2）。

HEV動力系統由發動機、發電機與動力電池組成。根據發動機發電機組與動力電池參與特點，可拆分為三種工作模式如下：

經濟模式：動力電池參與充放電，在滿足車輛功率需求的前提下，發動機發電機總是處于最佳高效點運行模式，主要用于車輛定速持續行駛工況，負載功率較小，系統在EV模式與HEV模式之間不斷切換；

綜合模式：即功率跟隨式控制策略[2]，動力電池不參與充放電，發動機發電機組自適應模式，此模式特點在于動力電池由于不參與循環，能夠在滿足一定低油耗的前提下保證動力電池較高的使用壽命與綜合工況需求，負載功率居中，系統處于HEV模式；

動力模式：為滿足越野車輛高負載功率需求，發動機發電機位于最高輸出功率點，動力電池全程參與放電，主用于車輛加速，負載功率最大。

4 APU總成

選型某高轉速柴油發動機，其萬有特性如圖2所示，提出發動機等效效率ηe的概念，其計算如公式(2)，為發動機對應轉速點最低比油耗ξi與一定負載功率下的發動機最佳比油耗ξmin的比值，發動機等效效率體現了在一定轉速下發動機通過負載調整所能充分節油的能力。

選型某永磁同步發電機，其效率如圖3，發電機效率由ηm表示。

根據圖 2、圖3，建立發動機發電機組動力性經濟性參數查表模型，見公式 (3)，其 中Ni=Nj，

在經濟模式，APU總是處于高效區，限定工況行駛時 HEV及 EV模式對應往復切換的時間如下：

式中： T1、T2分別為在經濟模式下對應 HEV與EV運 行周期（s）；C為 動力電池容量（Ah）；U為動力電池電壓（V）；Pz為車輛負載功率（kW）；P0為 APU高 效輸出功率； SOCmx與 SOCmn分別為動力電池S OC上、下控制限值；η為驅動電機效率。

5 計算分析與試驗驗證

5. 1 動力性分析與驗證

根據汽車動力學理論、整車基本參數，以及總成選型參數（見表 2），建立整車動力性計算模型，計算車輛輸出與負載功率如圖 4所示：

表2 串聯式混合動力越野車計算輸入參數

對原地起步加速工況進行分析，如圖5所示，其中整車負載功率 Pz為由行駛阻力、風阻產生的阻力功率，而整車有效負載功率則為考慮車輛加速慣性阻力功率的總負載功率。發動機發電機組的負載功率由發動機起步響應時間、發動機發電機功率能力決定，剩余的功率缺口則完全由動力電池進行補充，在起步加速 20 s左右，加速動作結束，車輛以最高車速勻速行駛。對應動力電池輸出電量變化如圖6所示。

由圖 7可知，通過采用串聯式混合動力系統方案，車輛加速性能提高了50%。

以發動機發電機組運行在最高效點為優化目標，計算可得在不同車速下的最佳比油耗ξ如圖8。在中低車速范圍，經濟模式比綜合模式節油明顯，但隨著車速提高，車輛需求功率加大，發動機負載功率可控制在最佳油耗點處，經濟模式與綜合模式油耗曲線重合。

5.2 經濟模式控制分析與驗證

根據公式 4、公式 5，可以得到在不同限定車速工況下的循環時間，如圖 9左圖所示，可見循環周期與車速成雙曲線關系。在75 km/h車速處，HEV電池充電行駛與EV電池放電行駛時間相同，且對應最短的循環周期（48 min），即車輛以75 km/h行駛48 min（其中HEV及EV周期分別為24 min），車輛將自動切換到下個循環。在0～75 km/h車速范圍內，基本上每隔1km，車輛將自動切換一個循環，動力電池電量在30%與80%之間往復變換一次。

由圖9右圖可知，在中低速時，車輛經濟模式單循環里程基本保持在60 km左右，車速超過75 km/h后，單循環里程迅速提高。

考慮到動力電池充放電效率（97%左右）以及HEV、EV每個循環內的里程比例，可求得經濟模式循環工況綜合油耗在不同車速下的變化曲線，如圖9：

在圖 8得到的不同負載功率下的比油耗曲線基礎上，計算在不同車速下車輛對應最佳百公里油耗，并將試驗結果與同噸位搭載五檔變速箱的越野車進行對比，如圖 11，其中“ 1檔百公里油耗”曲線至“ 5檔百公里油耗”曲線為同噸位搭載 5檔變速箱試驗數據，“經濟模式-理論”為計算理論曲線，“經濟模式-試驗”曲線為實車測試曲線，發現試驗結果比理論計算油耗值稍大，這是由于試驗值匹配點未能準確達到理想目標所致。

兩種車輛在80 km/h車速下對應百公里油耗見表 3，可見通過采用串聯式混合動力系統，在等速工況下，整車可實現至少 17%～21%的節油效果。

表3 百公里油耗試驗對比（80km/h等速）

6 結論

（1）串聯式混合動力系統越野車可通過采用經濟模式、動力模式與綜合模式的控制方式實現動力性經濟性指標綜合提升；

（2）串聯式混合動力越野車能夠通過動力系統匹配與控制達到較好的動力輸出與節油效果，相對同噸位傳統車輛，加速性能可提升 50%，可至少節油 17～21%。

[1]曾小華,軍用混合動力輕型越野汽車動力總成匹配及控制策略研究，吉林大學碩士學位論文，2001.

[2]《混合動力軍用越野汽車動力匹配研究（一）》輕型汽車技術2007( 7/8).

[3]曲 曉冬等.增程式電動車的 APU 控制策略的研究.汽車工程，2013(9).

[4]祝雅琦等.增程式電動客車能量管理策略仿真研究.汽車工程學報，2013(11).

[5]宋珂等.增程式純電驅動汽車動力系統研究.汽車技術，2011(7).