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1、热电混合动力公交车整车经济性研究黄登高 1，谢辉 1，杨灿 1，李苏苏 1，陈远飞 1（1 -天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 天津 300072）摘要：为解决发动机余热回收电能的使用问题，提高混合动力整车的燃油经济性，本文在轻度混合动力的基础上，将柴油 机的余热能通过电涡轮、底循环和热电材料等转化为电能。发动机余热回收的电能给车载蓄电池充电或者直接驱动混合 动力驱动电机。本文通过仿真研究，搭建了余热能轻度混合动力公交车整车平台，结合柴油机在不同工况点燃油效率和 回收能量占燃油总能比例的指标，提出了余热混合动力等效燃油经济性评价方法。对天津城市循环和高速循环工况进行 了测试，研究结果表明,城
2、市公交工况比高速循环工况更加具有节能潜力，在城市公交工况中百公里燃油经济性能提高 17.85%。关键字：余热回收；混合动力；经济性随着世界石油资源的消耗以及大城市的大 气污染日益严重，迫切需要研究一种新型的汽车 动力装置，以达到减小油耗，降低排放的目的。 采用混合动力系统节能与减少汽车排放是比较现 实的选择。国外在混合动力汽车的研究已经取得 了重大进展，已有本田的 Insight、丰田的 Prius 实 现了产品化生产1。为进一步提升发动机和混合 动力能量转化效率，宝马公司2,3和美国能源科 学实验室4提出了采用两级朗肯循环和电涡轮的 装置回收发动机中的热能， 将余热能转化为电能， 并输入到蓄
3、电池中，辅助驱动车辆。目前通用汽 车有限公司 F.R.斯塔布勒5提出了一套“热电增 强的混合动力电动推进系统” ， 其特点是采用热电 装置回收发动机的热能，将产生的电能用于增强 混合动力的电驱动装置，为用电设备提供电能， 减少燃油消耗，实现节能环保。因此，通过回收 发动机排气过程的余压余热能是未来混合动力提 升整车燃油经济性的主要途径。本文通过仿真研 究，搭建了包含电辅助涡轮、朗肯循环和热电材 料的余热 ISG 轻度混合动力整车平台，结合柴油 机在不同工况点效率和回收能量占燃油总能比例 的指标，提出了余热混合动力等效燃油经济性评 价方法，并比较了热电余热回收混合动力各部分 对总能的贡献率。联集
4、成式电机， 以机械耦合的方式联合驱动车辆，减少了发动机零部件的种类和数量，简化了驱动 系统的结构，有利于整车的布置和整车质量的降 低。余热能ISG型轻度混合动力汽车驱动系统结构 如图1所示, 其特点是在混合动力排气端增加了电 涡轮、底循环、热电回收转换装置，将发动机余 热能量转换为电池蓄积到车载动力电池中。电涡 轮为与废气增加涡轮同轴并联的高速电机集成而 成，在发动机处于高转速时，回收废气涡轮中多 余的动能，并将其转换为电能。底循环为采用有 机工质的朗肯循环，主要将发动机高温废气的热 能转换为电能回收。热电材料直接铺设在发动机 排气管的尾端。 为解决车载蓄电池用能途径问题， 增加ISG辅助驱动
5、电机。为增加发动机运行范围的 可调控性，系统增加电器辅助控制的自动离合器控制装置。1 余热 ISG 轻度混合动力总成结构 1. 1余热ISG混合动力结构设计ISG混合动力为通过在发动机输出端同轴并图 1 余热混合动力结构图发动机和 ISG 电机联合协同工作, 主要通过 控制离合器以实现纯发动机驱动、纯电机驱动和作者简介：黄登高(1987-)，男，博士研究生；研究方向：混动力控制策略。E-mail: 通讯作者：谢辉(1971-)，男，教授，主要研究方向为内燃机燃烧原理与控制 E-mail： 本研究由国家重点基础研究发展计划(973)项目资助（课题编号：2011CB707206） 。纯电起步过程扭
6、矩平衡：混合驱动等模式。 当汽车在起步和低速行驶时, 通 过分离离合器使得用 ISG 电机单独驱动汽车, 避 免发动机怠速工况和减少发动机在低速、排放性 能、经济性能较差的工况下运行。当车速高于某 一设定值时，离合器接合，发动机开始工作，同 时余热回收系统也开始启动，同步回收发动机排 气中的能量。 当汽车减速或者制动处于能量回收 时，通过分离离合器使发动机脱离，使得发动机 进入怠速工况，消除发动机摩擦损失，同时保证 余热能回收系统安全运行，提高制动能量的回收 率。1. 2 余热 ISG 混合动力行驶工况中能流分配 在车辆实际运行过程中，车辆运动状态存在 加速过程、巡航过程和制动过程。车辆起步过
7、程 中发动机转速较低，发动机燃油经济性差，排放 较差，采用纯电驱动能够很好的改善整车的燃油 经济性，同时避免余热回收系统在低温废气区域 的频繁启停。车辆加速到一定速度时，蓄电池提 供的电能和电机的做功能力已经不能够提供车辆 足够的驱动力，需启动发动机参与车辆驱动，同 时余热回收系统开始进行高品位的热能回收，并 将热能转换为电能充入蓄电池中。如果车辆需要 急加速而发动机提供的功率不足以提供车辆当前 需求的功率，则热电回收能和蓄电池的电能都直 接传递给 ISG 电机，辅助发动机提供额外的驱动 力。车辆减速制动过程中，为保证车辆能够平稳 制动，由 ISG 电机与机械制动装置同时提供制动 力，尽最大限
8、值回收车辆动能。能流结构如图 2 所示。(1)(2)电能平衡公式:(3)(4)式中：蓄电池蓄电量，蓄 变 车辆电池放电量最低限制，电机扭矩， 速箱传动比、主传动比， 车轮半径，质量，车辆瞬时车速， 摩擦阻力系数， 道路坡度，空气密度， 电机 电涡 热A车辆迎风面积， 功率， 轮功率，整车需求功率， 朗肯循环功率，电材料转换功率。 若蓄电池 SOC 小于最小的 SOC 限值范围，车 辆采用发动机起步驱动。 离合器由司机直接控制， 车辆进入传统车辆行驶模式。此时热电回收系统 开始进入工作模式，电辅助涡轮依据进气压力需 求，调节电涡轮电机的发电量，控制进气压力。 朗肯循环系统回收发动机排气中热量，并
9、将其转 换为电能。在排气管路铺设的热电转换装置吸收 排气中的热能，直接转换为电能。 发动机起步过程的扭矩平衡：(5)(6) 电能平衡公式：图 2余热混合动力能量工况分布图(7)2 余热 ISG 轻度混合动力控制策略 2. 1 起步加速过程控制策略 在车辆的起步工况， 蓄电池 SOC 大于最小 SOC 限值时采用纯电动驱动。车辆起步过程中，采用 电控装置使离合器强制断开，当驾驶员将手动变 速箱挂入起步档位时，驱动电机输出动力，驱动 车辆纯电动起步。(8) 车式中：蓄电池蓄电量， 蓄电池放电量最低限制，电机扭矩， 变速箱传动比、主传动比， 车轮半径，辆质量，车辆瞬时车速， 摩擦阻力系数， 道路坡度
10、，空气密度， 电机 电涡 热A车辆迎风面积， 功率， 轮功率，整车需求功率， 朗肯循环功率，(13) 电能平衡公式：电材料转换功率。2.2 纯发动机驱动工况策略 在纯发动机驱动车辆行驶的工作状态，发动 机根据驾驶员对加速踏板的操作进行动力输出。 当发动机的工作转速与工作负荷满足一定条件 时，以综合提高发动机、电涡轮发电和朗肯循环 为目标，兼顾动力电池荷电状态，使 ISG 进入发 电状态，并通过发动机废热和 ISG 发电为蓄电池 补充电能。 发动机驱动工况扭矩平衡：(14)(15)(16)式中：蓄电池蓄电量， 车蓄电池放电量最低限制，电机扭矩， 变速箱传动比、主传动比， 车轮半径，辆质量，车辆瞬
11、时车速， 摩擦阻力系数， 道路坡度，空气密度， 电机 电涡 热(9) 电能平衡公式：A车辆迎风面积， 功率，整车需求功率， 朗肯循环功率，轮功率，(10)电材料转换功率。 2. 4 制动能量回收工况策略 车辆在行驶过程进行制动时，离合器断开， 发动机进入怠速工况，余热回收装置进入保护运 行状态， 车辆制动通过在原车机械制动的基础上， 由驱动电机进行一定程度的制动能量回收，电制 动功率占总制动功率的百分比需根据实际工况确 定，以保证不显著改变驾驶员的驾驶习惯和行车 安全，同时取决于动力电池的荷电状态以及车速 状态。当驾驶员将手动变速器换挡手柄处于空挡 位置时，停止制动能量回收。减速过程扭矩平衡:
12、(11)(12)式中：蓄电池蓄电量， 车蓄电池荷电量最高限值，电机扭矩， 变速箱传动比、主传动比， 车轮半径，辆质量，车辆瞬时车速， 摩擦阻力系数， 道路坡度，空气密度， 电机 电涡 热A车辆迎风面积， 功率， 轮功率，整车需求功率， 朗肯循环功率，(17)电材料转换功率。 2. 3 复合驱动工况策略 动力系统具有复合驱动能力，当车辆处于加 速过程中时，驱动电机输出动力，辅助发动机驱 动车辆加速，调整发动机工况点，降低发动机余 热的波动，提高发动机的燃油经济性和余热回收 系统的效率。 复合驱动过程扭矩平衡：电能平衡公式:(18)(19)发动机峰值扭矩2100Nm(20)主传动比5.43式中：蓄
13、电池蓄电量， 车蓄电池荷电量最高限值，电机扭矩， 变速箱传动比、主传动比， 车轮半径，档位12 档轮胎半径1043.5mm辆质量，车辆瞬时车速， 摩擦阻力系数， 道路坡度，空气密度， 电机 电涡 热4 余热 I SG 轻度混合动力仿真数据分析 选取天津公交工况和美国 EPA 高速燃油经济性 评价 HWFET 循环工况（如图 4 所示） ，对该种混 合动力车型燃油经济性进行评价。燃油的消耗量 和动力电池荷电状态的变化按理论值转换为相应 的能量消耗量,并折算为单位里程的能量消耗量。 这一评价指标可同时反映内燃机和动力电池的能 量消耗,从而全面评价 HEV 的行驶经济性。A车辆迎风面积， 功率， 轮
14、功率，整车需求功率， 朗肯循环功率，电材料转换功率。3 余热 ISG 轻度混合动力建模 3.1 仿真模型参数以陕汽德龙F3000多功能重卡为原型车，整车参数见表1。图 4 HWFET、503 公交工况曲线 余热 ISG 混合动力存在燃油消耗、电能回收、 电能消耗等多种能量流动和消耗，整车油耗和蓄 电池电能消耗采用电能油耗等效转换系数进行等 效计算。电能油耗等效转换基于整车循环工况中 发动机平均燃油消耗率与蓄电池放电转换为机械 功输出的平均转换效率的乘积，表征在此循环工 况中消耗蓄电池电能减少发动机的燃油消耗量。 蓄电池剩余电量燃油换算计算公式：图 3 余热 ISG 混合动力仿真模型 利用GT-
15、Suit仿真软件，搭建了详细机理的内 燃机模型和整车传动系统模型，混合动力选用的 发动机型号为WP12，额定功率为357kW；混合动 力ISG电机峰值功率100kW，最高转速4000rpm， 电机模型为基于效率MAP的扭矩转换模型；蓄电 池容量为300Ah，电池模型为开路电压电阻模型； 实现了20kW的电辅助涡轮余压能回收、 30kW的朗 肯循环余热能回收和73W的热电能回收。仿真模 型结构图如图3所示。 表 1，余热 ISG 混合动力主要参数(21)式中：电能油耗等效转换系数，参数变量值 发 车重28t动机循环工况输出功，发动机循环工况油耗，机效率。蓄电池放电效率，ISG 电滚动阻力0.01155m2迎风面积仿真余热 ISG 混合动力在天津 503 线路的公 交工况和 HWFET 工况的发动机输出功、电涡轮回 收功、朗肯循环回收功、热电材料回收功。其中风阻系数0.4发动机排量12L天津公交工况功率曲线如图 5 所示，HWFET 工况 功率曲线如图 6 所示。 表 2 循环工况能量消耗发动机输出功KJ制动回收功KJ电涡轮回收功KJ朗肯回收功KJ热电回收功KJ天津公交工况HWFET工况1648282019236416856234.8111.790023533911613882统计
