節能車整體優化設計分析

齊芳

武漢華夏理工學院汽車工程學院 湖北省武漢市 430223

隨著社會的發展，汽車已經成為人們生活代步工具，給人們帶來生活便利的同時，也引發了一系列嚴峻的環境問題以及急需解決的能源緊缺問題。目前，環境和能源問題已經成為世界各國發展中面對的難題。基于這種背景下，如何提高全社會的節能意識，推動全球汽車節能技術發展已經成為世界各國關注重點，而開展的Honda中國節能競技大賽，能夠在比賽過程中利用節能制造技術以及先進理念，能夠為之后完善節能汽車制造提供基礎，此外可以讓更多的人關注到節能汽車制造的領域中，，Honda中國節能汽車大賽是與時代環保節能主題相符合的，讓企業處于良性循環的過程中，讓更多人參與進來，推廣環保理念，同時能夠在理論基礎上發揮創新力，讓設計者從理論拓展到實踐，在比賽過程中能夠為未來汽車節能提供可能性。

1 混合動力汽車三大節能技術以及相關研究

混合動力系統在目前的研究過程中一些技術問題，主要涉及汽車控制，發動機，內燃機，充電系統等一些相關研究，實現混合動力汽車節能減排需要采取科學合理的控制措施，在制定控制策略時需要考慮以下問題：優化發動機工作點合理的啟動停，怠速停機，安全的電池電壓，電池SOC，發動機工作點的分布，合理的發動機運行曲線，制動能量回收。具體來說，混合動力車的節能是集眾多技術的研究成果，其具有多種新技術，同時也兼具一些傳統的燃油車的技術，通常能夠使混合動力車節油的技術主要是制動能量回收，發動機工作點優化，怠速停機。我們從三種節能方式的節能潛力入手，致力于找到降低發動機能源消耗的策略，實現節能減排。

目前優化發動機工作點其實是關乎整車控制策略，目前并聯混合動力汽車使用功能的策略由五類構成，自適應；電力輔助；全局優化；模糊以及最優工作曲線控制策略。其中在并聯式的混合動力汽車匯中常采用的是電力輔助策略，實際是采取統一的門限值控制，通常也被認為是邏輯門限值控制。基于這種設計思路具體是利用汽車的發動機進行驅動，這種驅動能夠有效避免處于低速工況條件下燃油消耗比高的情況，能夠確保發動機在燃油量較低同時，能夠使汽車的電池SOC值處于理想范圍，基于全局控制的策略是指汽車在行駛過程中優化整車行駛工況的工作點，通過設定約束條件進而實現對目標函數進行優化，以滿足發動機的需求。全局優化目標進行精量化，以汽車某一工況下的總燃油消耗最低最為最終優化目標，這種策略相比傳統的電力輔助控制策略效果要好。自適應控制是在一定條件下能夠進行自適應的控制策略，對路況進行自動化識別，能夠選擇相適應的控制策略，進而實現最佳控制。是以發動機的燃油消耗量最低和排放量最低作為優化目標，建立函數，通過優化能夠使混合動力車的燃油消耗以及所排放的氧化物達到最小。

2 發動機工作點的優化

從發動機的工作曲線上來看，為了能夠實現最佳經濟性曲線，在節能汽車動力性能的條件上提高汽車發動機的燃油性能，最佳工作曲線能夠使發動機處于最佳的經濟狀態，減少汽車的燃油消耗量以及一些汽車尾氣排放量，進而提高節能車的燃油效率。目前的混合動力汽車利用電機進行驅動，能夠確保發動機長期處于較低燃油量的消耗狀態，減少燃油量。最佳工作線分別是：最佳動力性和經濟性工作線，在本次研究的動力車中采用的是后者。發動機的最佳經濟性工作點是指在等功率和等有效燃油消耗率曲線的切點，具體是指處于該功率位點上發動機的燃油效率最低，而且利用該切點可以獲得某一功率條件下發動機的最佳工作點，并進行數據擬合，以便獲得最佳經濟工作曲線。從發動機的工作點分布情況上來看，在功率方面，同等功率下應當確保發動機最佳工作點與最差性能工作點差距縮小，一般來說，發動機功率越大，差別越小，但是發動機處于怠速和高速轉動過程中燃油量會急速增加，因此我們需要對汽車發動機的整體工作點分布情況進行觀察，很多工作點轉速，其中處于800到1000轉速以內，而轉矩分布廣泛，工作點在最低燃油消耗率的等油量消耗曲線分布，是密集的，具體來說，在電機輔助下，現有的混合動力多數工作點在燃油效率較低時，這種方法能夠避免燃油消耗率較高的工況，實現節能減排。我們從最佳工作性工作曲線作為目標進行優化，通過觀察發動機的工作點在等比油耗曲線上的分布，同時對發動機工作點與最佳工作性曲線的位置關系，我們可以發現，處于不同的檔位時，發動機工作點的分布區域以及密集程度存在較大差異，而且低檔位下發動機的分布較亂，在最佳經濟工作曲線的上方有，而在高檔位下，發動機的工作點主要集中于最佳經濟性工作曲線上方，整體比較密集。在最佳經濟工作曲線位點較少。

3 怠速停機

當汽車由于某種因素而處于停機狀態時，這種情況被稱為是怠速停機，在允許汽車運行的條件下，為了能夠實現節能減排，需要根據車輛的運行狀況自動化控制發動機運轉，能夠及時響應駕駛員的狀態，并且要求車輛的油耗低于同等時間內的怠速累計油耗。根據研究發現，當車輛停止停車便能夠使發動機停止運行，減少有害氣體的排放。博世公司發明的是啟動停系統，能夠增加車輛8%的里程，以及降低二氧化碳排放。在國內現有的基礎上，怠速停機目前還有不能實現一秒鐘停機的目標，因此可以通過選擇合適的怠速停機時間來實現節油減排的目的。目前在一些人口密集型的大城市，汽車在運行中發動機處于停機狀態的時間會比重較多，如果能夠有效利用這段時間的油耗，那么對于節油效來說是十分明顯的。我們借助advisor平臺搭建了模型仿真，針對不同怠速時間下的油耗量進行深入分析，能夠準確預測城市的路況情況，給予這種怠速時長下檢測汽車處于停機狀態時的的節油效果，最終發現處于不同怠速時長下的油存在較大差異，其中怠速停機20秒時節油效果最明顯。

4 制動能量回收

行駛工況可以反映某個區域內的路況，給節能車輛整車控制策略提供理論基礎，同時對節能車經濟性做出客觀評價，在研究節能汽車制動回收能量的過程中，應當根據汽車的行駛狀況和路況變化，分析節能汽車的綜合情況。同時，在基于現有的路況下混合動力車制動能量和實際回收的能量會隨著時間而積累，可以根據最大制動能量回收目標作為分析節能汽車在制動能量回收的潛力。汽車是整體存在的，將這些能量用于去弄時，不僅考慮到制動能量回收問題，同時還得考慮發動機的工作點，怠速停機以及電池SOC的變化，經過充電放電系統耗損等，電動機能量也會受到損失，包括電池電動損耗，以及電池充電損耗等。由于不同路況條件下汽車的可回收制動能量分布是不均勻的，因此需要考慮可回收制動能量以及處于一定轉速條件下，汽車電機的充電效率，進而能夠獲得最佳的制動回收能量。因此，在保持原有硬件配置條件下，需要優化制動能量回收策略，忽略坡度對于制動能量回收的影響，假設仿真系統的效率為百分之百，當汽車滑行減速低于自動減速時，我們認為此事駕駛員具有制動意圖，可以允許制動能量被回收。電機的充電鈕距不應超過額定扭距的75%，當電池SOC超過80%。回收制動能量當驅動電機可以提供足夠的整車制動力計時，要先由電機來提供汽車的制動驅動力，如果電機供應不足時，需要由摩擦力來補充，綜合考慮電機的可回收制動能量以及處于不同轉速條件下電機的充電效率，我們將回收到最大制動能量作為優化目標，進而修正電機的再生制動扭距，機械摩擦制動系統來提供額外的制動力。通過優化之后，車輛行駛過程中回收的能量明顯增加，能夠使同等油耗的車輛增加18%的行駛里程，達到良好的節油效果，同時，電池整體呈現上升趨勢，說明優化后的制動能量回收策略能夠給電池提供足夠的電量。通過觀察控制策略優化之后電機隨時間的變化情況，能夠發現電機機有電動過程，有充電過程，之后的電機功率充電功率以及回收能夠相比優化前增加很多，在多數情況下，我們可以增加電機的驅動力，進而能夠減少發動機帶動電機的充電效率，以便能夠改善汽車的節能效果。

5 結語

節能與新能源汽車已經成為當前是汽車行業研究重點，而節能車是從傳統普通內燃機到零排放的電動機過渡的典型產品，我們從三個角度分析了節能車的整體優化設計，發現汽車的制動能量回收在節油方面具有較大優勢，經過優化控制策略后，對于驅動自動回收能量占據發動機輸出總能量的18%，從一定程度上來說節能效果較好，同時提升制動能量回收，能夠減少發動機為汽車電池充電的時間，也對節能汽車節能提供幫助。