基于功率損失模型的混合動(dòng)力系統(tǒng)能耗分析*

曾小華，楊南南，宋大鳳，肖利軍，巴特

(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.重慶科鑫三佳車輛技術(shù)有限公司，重慶400714)

基于功率損失模型的混合動(dòng)力系統(tǒng)能耗分析*

曾小華1，楊南南1，宋大鳳1，肖利軍2，巴特1

(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.重慶科鑫三佳車輛技術(shù)有限公司，重慶400714)

本文中根據(jù)兩款典型混合動(dòng)力系統(tǒng)(并聯(lián)構(gòu)型和行星構(gòu)型)中不同工作區(qū)間的能量損失情況，建立了系統(tǒng)的平均功率損失模型，對(duì)兩種系統(tǒng)的能耗進(jìn)行深入的定量分析。整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果和功率損失分析結(jié)論驗(yàn)證了所提出方法的合理性。

混合動(dòng)力汽車;能耗分析;功率損失

前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力車，包括插電式混合動(dòng)力汽車快速發(fā)展，市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)各類混合動(dòng)力構(gòu)型。其中，采用行星齒輪作為動(dòng)力耦合裝置的豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)最具代表性，截止2017年2月，其全球累計(jì)銷量超過(guò)1 000萬(wàn)輛，且近年來(lái)平均每10個(gè)月增長(zhǎng)100多萬(wàn)輛。另外，采用變速器配備單電機(jī)或雙電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，因其對(duì)傳統(tǒng)車改動(dòng)較小，在市場(chǎng)上，尤其是客車領(lǐng)域也具有良好應(yīng)用前景。

當(dāng)前針對(duì)各類混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究，主要集中在構(gòu)型分析［1］、參數(shù)匹配［2－3］和控制策略［4］等方面。也有研究針對(duì)市場(chǎng)上主流混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型的節(jié)油潛力進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)［5］中基于系統(tǒng)排放和油電價(jià)格對(duì)比分析了普銳斯和卡羅拉混合動(dòng)力車的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［6］中提出一種用于修正計(jì)算混合動(dòng)力油耗的解析方法，該方法能有效考慮非線性的系統(tǒng)能量流和部件效率特性，因此能保證較好的修正效果。文獻(xiàn)［7］中基于法規(guī)推薦的等效油耗計(jì)算方法，對(duì)影響并聯(lián)混合動(dòng)力客車油耗的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。另外，在控制策略的研究中，為分析所提出策略的合理性，往往也涉及對(duì)油耗預(yù)測(cè)結(jié)果的分析［8］。可見(jiàn)，當(dāng)前對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，多是基于仿真或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，對(duì)整體油耗和電耗進(jìn)行比較，說(shuō)明新系統(tǒng)或新方法帶來(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)，缺乏針對(duì)細(xì)節(jié)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)化的能耗損失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)。另外，在實(shí)車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和標(biāo)定階段，上述分析方法也有助于為研發(fā)和標(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)。

綜上所述，針對(duì)混合動(dòng)力汽車，一種具有通用性的細(xì)化能耗分析方法，在研發(fā)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都具有重要意義。因此，本文中基于仿真結(jié)果建立混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量損失定量分析模型，通過(guò)對(duì)各模式的能量損失進(jìn)行深入分析，提出一種定量的系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)方法。

1 基于工況的能耗分析方法

混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能的基本途徑已被廣泛認(rèn)可，包括選用小發(fā)動(dòng)機(jī)、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間、消除怠速和再生制動(dòng)4個(gè)方面。首先，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。第二，再生制動(dòng)回收的能量，可通過(guò)仿真中電池能量的變化統(tǒng)計(jì)得到，針對(duì)純電動(dòng)汽車，再生制動(dòng)對(duì)總節(jié)能效果的貢獻(xiàn)度相對(duì)容易評(píng)價(jià)［9］，但由于混動(dòng)系統(tǒng)涉及油電轉(zhuǎn)化，再生制動(dòng)的節(jié)能貢獻(xiàn)度尚難以評(píng)價(jià)。第三，選用小發(fā)動(dòng)機(jī)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。

然而，無(wú)論是行星式混合動(dòng)力系統(tǒng)還是并聯(lián)系統(tǒng)，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。行星構(gòu)型的電路上存在能量二次轉(zhuǎn)換，而并聯(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。可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間優(yōu)化所帶來(lái)的節(jié)油效果和能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損失始終是動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的，因此，在分析油耗時(shí)，應(yīng)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)效率、機(jī)械效率和電路效率，而非僅僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化效果，這給混合動(dòng)力系統(tǒng)的細(xì)節(jié)能耗分析帶來(lái)了很大困難。

據(jù)此，本文中首先建立通用的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量損失模型，再考慮工作時(shí)間因素將其轉(zhuǎn)化為平均損失功率模型。平均損失功率可間接表示系統(tǒng)在不同工作模式或不同工作區(qū)間內(nèi)的工作效率。另外，由于能耗是功率在時(shí)間上的累積，本文中將時(shí)間因素轉(zhuǎn)化為不同模式的權(quán)重因子，表征具體模式的效率對(duì)系統(tǒng)綜合效率影響的比重。因此，結(jié)合平均損失功率和時(shí)間權(quán)重兩個(gè)概念，本文中提出了一種新型的系統(tǒng)效率分析方法，以便于對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的能耗進(jìn)行細(xì)化分析。

1.1 系統(tǒng)能量損失模型

首先，在相同的運(yùn)行工況下，系統(tǒng)的總能量損耗減少，系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性就越好。分析能量的損耗情況即可確定系統(tǒng)的綜合效率。

第二，無(wú)論是何種混合動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)其發(fā)動(dòng)機(jī)(停機(jī)、工作)和電池(充電、放電、不工作)的工作情況，都可將驅(qū)動(dòng)模式分為4種，如表1所示。

表1 混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

第三，如前所述，由于當(dāng)前混合動(dòng)力系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)功能，而本文中所提出的方法主要是對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的橫向?qū)Ρ龋虼瞬辉倏疾煜∷俚墓?jié)能貢獻(xiàn)。

第四，再生制動(dòng)會(huì)優(yōu)化系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，也相應(yīng)地減小了系統(tǒng)的能量損耗。

根據(jù)以上分析，則混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量損失為

式中:Eloss，EV為純電動(dòng)模式下的系統(tǒng)能量損失; Eloss，HEV，i為第i個(gè)混合動(dòng)力模式的能量損失，i∈［1，3］，分別對(duì)應(yīng)表1中3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的模式;Ergb為再生制動(dòng)回收的能量。

1．2系統(tǒng)平均損失功率模型

由于不同系統(tǒng)的模式切換規(guī)則不同，不同模式的工作時(shí)間也就不同，所以，能量損失模型并不能反映系統(tǒng)在不同工作模式下的工作效率。考慮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的影響，將系統(tǒng)的能量損失轉(zhuǎn)化為功率損失:

式中:Ploss，avg為整個(gè)系統(tǒng)的平均損失功率;tall為系統(tǒng)的總運(yùn)行時(shí)間;Ploss，EV為純電動(dòng)模式下的系統(tǒng)平均損失功率;Ploss，HEV，i為第i個(gè)混合動(dòng)力模式下的系統(tǒng)平均損失功率;γEV=tEV/tall，為純電動(dòng)模式的工作時(shí)間比例;γHEV，i=tHEV，i/tall，為第i個(gè)混合動(dòng)力模式下的工作時(shí)間比例;Prgb為再生制動(dòng)能量相對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)間的平均功率，可說(shuō)明再生制動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)損失的平均貢獻(xiàn)。

可見(jiàn)，利用上述公式，可計(jì)算混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同工作模式下的平均損失功率，即不同工作模式的效率和具體工作模式的工作時(shí)間比例，即各模式對(duì)系統(tǒng)綜合效率的影響權(quán)重，也可說(shuō)明再生制動(dòng)的節(jié)能貢獻(xiàn)度。

1．3不同工作區(qū)間的損失功率模型

由于混合動(dòng)力模式下，系統(tǒng)的損失功率來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)(將發(fā)動(dòng)機(jī)與系統(tǒng)輸出之間的部分視作廣義的傳動(dòng)系統(tǒng))兩部分。而發(fā)動(dòng)機(jī)在不同區(qū)間工作時(shí)，效率差異也較大。因此，又可將混動(dòng)模式下的損失功率表示為

式中:Peng，i，k，Ptrans，i，k和γi，k分別表示在第i個(gè)混動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在第k個(gè)區(qū)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均損失功率、傳動(dòng)系統(tǒng)平均損失功率和該工作區(qū)間的工作時(shí)間比例。

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的細(xì)化分解，結(jié)合式(2)和式(3)可以分析不同混合動(dòng)力模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作區(qū)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率和傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

在仿真計(jì)算中，發(fā)動(dòng)機(jī)的損失功率可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)及其MAP計(jì)算得到:

式中:Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率;be為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)及其MAP查表得到;q為燃油的熱值。

傳動(dòng)系統(tǒng)的損失功率為

式中:Pout為主減速器的輸出功率;Pbat為電池功率，當(dāng)電池充電時(shí)，Pbat＞0，表示發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出能量用于驅(qū)動(dòng)車輛并給電池充電，當(dāng)電池放電時(shí)，Pbat＜0，表示電池和發(fā)動(dòng)機(jī)共同輸出能量，用于驅(qū)動(dòng)車輛。

結(jié)合式(4)和式(5)，可計(jì)算出全工況中所有驅(qū)動(dòng)情況下的系統(tǒng)內(nèi)部功率損失。

2 案例分析

利用上述分析方法，對(duì)兩種典型混動(dòng)系統(tǒng)(并聯(lián)系統(tǒng)和行星混聯(lián)系統(tǒng))的節(jié)油效果進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗(yàn)證分析方法的合理性。

2．1整車參數(shù)

針對(duì)相同的整車參數(shù)，分別建立雙電機(jī)加兩擋變速器的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)模型(以下簡(jiǎn)稱“并聯(lián)構(gòu)型”，見(jiàn)圖1)和行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)模型(以下簡(jiǎn)稱“行星構(gòu)型”，見(jiàn)圖2)。

圖2 行星構(gòu)型

兩種系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)混動(dòng)系統(tǒng)的4種節(jié)能途徑。其中，并聯(lián)構(gòu)型可利用兩擋變速器調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并利用電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在高效區(qū)間;行星構(gòu)型具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩雙解耦的能力，可將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在最優(yōu)工作曲線上。兩種系統(tǒng)的基本參數(shù)如表2所示。

表2 基本參數(shù)

2．2油耗結(jié)果

在典型城市工況下對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行仿真，都能良好地實(shí)現(xiàn)車速跟隨，滿足典型工況的動(dòng)力性要求，如圖3所示。

圖3 工況跟隨情況

經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表3所示。

表3 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

2．3細(xì)節(jié)能耗分析

根據(jù)前文所述方法，對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。首先根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)兩系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式工作時(shí)間比例，再對(duì)各模式下的平均損失功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2．3．1各模式工作時(shí)間比例

首先統(tǒng)計(jì)兩種構(gòu)型各模式的工作時(shí)間比例，即計(jì)算得到式(2)中的γEV和γHEV，i，如表4所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，兩種系統(tǒng)都沒(méi)有工作在發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式下。其中，行星構(gòu)型因?yàn)槭冀K有部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率需要流經(jīng)電路才能最終輸出，受到兩電機(jī)效率的影響，很難保證輸入和輸出功率完全相同，故系統(tǒng)中始終存在少量的電池功率(充電或放電)。而并聯(lián)構(gòu)型采用外特性策略，即盡可能地將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在外特性上。當(dāng)需求功率較小時(shí)，將對(duì)電池充電;當(dāng)需求功率較大時(shí)，則需要電池放電，因此也沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式。

表4 工作模式分布時(shí)間比例%

另外，由于并聯(lián)構(gòu)型長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式下，其電池被充電至較高SOC狀態(tài)，為保證系統(tǒng)電量平衡，純電動(dòng)模式的工作時(shí)間比例相應(yīng)增大，達(dá)到72%。而行星構(gòu)型的充電情況較少，其純電動(dòng)模式消耗的電能幾乎全部由再生制動(dòng)回收得到，因此，行星構(gòu)型的純電動(dòng)行駛時(shí)間比例相對(duì)較小。

2．3．2純電動(dòng)模式平均損失功率

在純電動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，系統(tǒng)所需的全部功率由電池提供，因此，按照前文的定義方式，純電動(dòng)模式下僅存在傳動(dòng)損失，即式(5)中的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率始終為0。計(jì)算得到純電動(dòng)模式下的平均損失功率，即式(2)中的Ploss，EV，如表5所示。

表5 純電動(dòng)模式平均損失功率

將兩種系統(tǒng)在純電動(dòng)模式下的電機(jī)工作點(diǎn)映射到電機(jī)MAP圖上，如圖4所示。兩種系統(tǒng)的電機(jī)MAP的效率分布較為接近，電機(jī)工作點(diǎn)的分布也較為類似，且采用相同的電池參數(shù)，因此兩種系統(tǒng)在純電動(dòng)模式下的平均損失功率必然較為接近，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果合理。

圖4 電機(jī)工作點(diǎn)分布

2．3．3混合動(dòng)力模式平均損失功率

根據(jù)式(3)，混動(dòng)模式下的系統(tǒng)損失功率包括

發(fā)動(dòng)機(jī)損失Peng，i，k和傳動(dòng)損失Ptrans，i，k兩部分。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性(如圖5所示)，將發(fā)動(dòng)機(jī)MAP劃分為不同工作區(qū)間，轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～900，900～1 400，1 400～1 900和1 900～2 500r/min，負(fù)荷率區(qū)間為0～30%，30%～60%和60%～100%。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式，統(tǒng)計(jì)兩種系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)區(qū)間內(nèi)的工作時(shí)間比例，如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)各區(qū)間時(shí)間比例

并聯(lián)構(gòu)型采用外特性策略，因此所有工作點(diǎn)分布在高負(fù)荷區(qū)間。另外，并聯(lián)構(gòu)型不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速解耦，因此900～2 500r/min的區(qū)間都有工作點(diǎn)分布。行星構(gòu)型采用基于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線的功率跟隨策略，其工作點(diǎn)分布與發(fā)動(dòng)機(jī)功率緊密相關(guān)，而該模式下需求功率通常較小，因此行星構(gòu)型的工作點(diǎn)幾乎全部分布在低速、中等負(fù)荷區(qū)間。

兩種系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均損失功率如圖7所示。并聯(lián)構(gòu)型的外特性策略在提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率的同時(shí)，也帶來(lái)了較高的發(fā)動(dòng)機(jī)損失功率，在高速、高負(fù)荷區(qū)間內(nèi)尤為明顯。相比之下，行星構(gòu)型將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在中等轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)損失明顯減小。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)平均損失功率

兩種構(gòu)型的傳動(dòng)損失統(tǒng)計(jì)如圖8所示。與發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失類似，并聯(lián)構(gòu)型在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)也有較高的功率損失，而在中低速區(qū)間相對(duì)較小。行星構(gòu)型因其功率分流特性，始終存在電功率流，在低速區(qū)間的功率損失較大。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將數(shù)據(jù)代入式(3)，可計(jì)算出該模式下兩種系統(tǒng)的平均功率損失，見(jiàn)表6。可見(jiàn)，雖然行星構(gòu)型在部分區(qū)間的損失功率較高，但由于工作點(diǎn)集中在900～1 400 r/min與30%～60%的區(qū)間，整個(gè)模式下的平均損失功率顯著低于并聯(lián)模式。

圖8 傳動(dòng)系平均損失功率

表6 驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式的平均損失功率kW

如上所述，較多的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并充電模式會(huì)帶來(lái)更多的純電動(dòng)模式，而根據(jù)上節(jié)的分析結(jié)果可知，純電動(dòng)模式的平均功率損失非常小。所以，雖然并聯(lián)構(gòu)型在該模式下的平均功率損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行星構(gòu)型，但不能就此認(rèn)為并聯(lián)構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式會(huì)惡化整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)將結(jié)合系統(tǒng)中其他使用電量的模式進(jìn)行綜合判定。

(2)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式

方法同上，可統(tǒng)計(jì)得到聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式下，兩種系統(tǒng)的功率損失情況與工作時(shí)間的比例，此處不再詳細(xì)分析。兩種系統(tǒng)在該模式下的平均功率損失情況如表7所示。

2．3．4綜合平均損失功率

以上分析計(jì)算，已經(jīng)分別得到兩種系統(tǒng)在不同模式下的平均損失功率和工作時(shí)間比例。進(jìn)一步，結(jié)合式(2)可算出兩種系統(tǒng)在全工況下的平均損失功率，并聯(lián)構(gòu)型為40．25kW，行星構(gòu)型為38．96kW。綜上可知，外特性策略使并聯(lián)構(gòu)型長(zhǎng)時(shí)間工作在驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式下，獲得了更大的純電動(dòng)行駛比例，大幅降低了驅(qū)動(dòng)時(shí)的平均功率損失。而行星構(gòu)型的純電動(dòng)行駛比例雖然相對(duì)較小，但各模式下的平均功率損失都明顯優(yōu)于并聯(lián)構(gòu)型，從而具有更小的系統(tǒng)平均功率損失。因此，單就驅(qū)動(dòng)情況而言，在當(dāng)前策略下，行星系統(tǒng)的綜合效率優(yōu)于并聯(lián)構(gòu)型。以上分析也為并聯(lián)構(gòu)型的改進(jìn)提供了基礎(chǔ)，綜合考慮發(fā)電模式和純電動(dòng)模式的效率，優(yōu)化兩者的比例，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)綜合效率。

表7 聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式平均損失功率kW

最后，統(tǒng)計(jì)兩種系統(tǒng)回收的再生制動(dòng)能量，計(jì)算再生制動(dòng)的補(bǔ)償功率，即式(2)中的Prgb，最終得到系統(tǒng)的綜合平均損失功率Ploss，avg，如表8所示。

表8 系統(tǒng)綜合平均損失功率統(tǒng)計(jì)kW

由于兩種系統(tǒng)的主電機(jī)功率等級(jí)相同，僅由于電機(jī)的傳動(dòng)比不同而導(dǎo)致兩種系統(tǒng)再生制動(dòng)補(bǔ)償功率略有不同。同時(shí)，再生制動(dòng)將兩種系統(tǒng)的功率損失分別降低了37%和40%，對(duì)系統(tǒng)綜合效率的提升具有顯著貢獻(xiàn)。最終，行星構(gòu)型的綜合效率仍優(yōu)于并聯(lián)構(gòu)型，與整車油耗仿真結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文中結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑，通過(guò)建立混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量損失模型，考慮不同模式下、不同工作區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)能量損失情況，最終形成混合動(dòng)力系統(tǒng)的平均損失功率模型。該模型既可有效說(shuō)明不同模式的運(yùn)行效率，也能表征不同模式對(duì)系統(tǒng)綜合效率的影響權(quán)重。可見(jiàn)，針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的細(xì)化能耗特性，該模型提供了一種具有通用性的量化評(píng)價(jià)方法。

本文中所提出的混合動(dòng)力系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)方法，為不同構(gòu)型的對(duì)標(biāo)分析提供了量化依據(jù)，也為混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，有效提升混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

［1］WANG W，SONG R，GUO M，et al．Analysis on compound-split configuration of power-split hybrid electric vehicle［J］．Mechanism and Machine Theory，2014，78:272－288．

［2］彭志遠(yuǎn)，秦大同，段志輝，等．新型混合動(dòng)力汽車工作模式分析與參數(shù)匹配設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2012，23(9):1122－1128．

［3］ZENG X，YANG N，WANG J，et al．Predictive-model-based dynamic coordination control strategy for power-split hybrid electric bus［J］．Mechanical System and Signal Processing，2015(60－61):785－798．

［4］左義和，項(xiàng)昌樂(lè)，閆清東，等．基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的混聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011，41 (4):898－903．

［5］LAVE L B，MACLEAN H L．An environmental-economy evaluation of hybrid electric vehicles:Toyota’s Prius vs．its conventional internal combustion engine Corolla［J］．Transportation Research Part D，2002，7(2):155－162．

［6］KATRANIK T．Analytical method to evaluate fuel consumption of hybrid electric vehicles at balanced energy content of the electric storage devices［J］．Applied Energy，2010，87(11):3330－3339．

［7］李騰騰，秦孔建，高俊華，等．并聯(lián)混合動(dòng)力客車等效燃油經(jīng)濟(jì)性分析［J］．汽車工程，2012，34(4):297－300．

［8］曾育平，秦大同，蘇嶺，等．計(jì)及駕駛室供暖功率需求的插電式混合動(dòng)力汽車實(shí)時(shí)控制策略［J］．汽車工程，2016，38(1): 109－115．

［9］姚亮，初亮，周飛鯤，等．純電動(dòng)轎車制動(dòng)能量回收節(jié)能潛力仿真分析［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013，43(1):6－11．

HEV Energy Consumption Analysis Based on Power Loss Model

Zeng Xiaohua1，Yang Nannan1，Song Dafeng1，Xiao Lijun2＆Ba Te1
1．Jilin University，State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Changchun 130025; 2．Chongqing CO-Sunjoy Vehicle Technology Co．，Ltd．，Chongqing 400714

In this paper，based on the energy loss patterns in different working regions of two typical hybrid power systems(parallel configuration and planetary configuration)，an average power loss model is established to conduct an in-depth quantitative analysis on the energy consumption of two systems．The results of vehicle fuel economy simulation and the conclusion of power loss analysis verify the reasonableness of method proposed．

HEV;energy consumption analysis;power loss model

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．004

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51575112和51675214)、吉林省科技項(xiàng)目(20160519008JH)和吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016083)資助。

原稿收到日期為2016年5月31日，修改稿收到日期為2016年8月16日。

宋大鳳，副教授，博士，E-mail:songdf@jlu．edu．cn。