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1、A版新能源汽车并联HE V发动机最优工作线和高效工作区的确定喻厚宇 黄妙华 邓楚南 (武汉理工大学)【 摘要 】 结合并联混合动力电动车工作特点,根据发动机效率map图,以发动机效率最大为原则,阐述了基于发动机转速或功率的发动机最优工作线的确定方法;以防止发动机效率过低为原则,阐述了发动机高效工作区上下限的确定方法,以达到提高发动机效率和降低油耗的目的。将该方法用于某并联HEV的控制策略,并进行仿真分析,仿真结果能达到预期目的。 【 主题词 】 混合动力汽车 发动机 研究0 前言收稿日期: 2007 - 04 - 21合理控制并联混合动力电动车(HEV)的发动机高效工作是实现并联HEV节能和环
2、保的关键技术之一。相对于串联HEV,并联HEV的发动机通过传动系与车轮机械相连,发动机工作点易受车速影响,故发动机难以稳定工作在较窄的最高效率区。但在电机的负载平衡作用下,通过制定优化的并联HEV驱动系统控制策略和合理的变速器换档策略,可使发动机沿最优工作线或在较宽广的高效工作区工作,以达到提高发动机效率和降低油耗的目的。为实现此目的,文中介绍了基于发动机转速或功率的发动机最优工作线的确定方法和发动机高效工作区上下限的确定方法。1 发动机最优工作线的确定以发动机效率最大为原则,确定发动机最优工作线。1. 1 基于发动机转速确定在某发动机转速下发动机效率最高的发动机工作点,将其作为发动机在该转速
3、下的最优工作点。将整个发动机转速范围内各转速下的发动机最优工作点连成线,即得到基于发动机转速的发 动机最优工作线。具体计算方法如图1所示。图1 基于发动机转速的发动机最优工作线(1)在发动机最小转速 min至发动机最大转速max范围内,均匀取n个转速点 1、 2 i n,其中1=min,n=max,i=1,2n。(2)计算第i个转速点 i处,在转速i下的发动机最小转矩Ti,min至发动机最大转矩Ti,max范 围内各转矩值Tj处的发动机效率i,j。 i, j= f(i, Tj) TjTi,min, Ti,max(1)Ti,max= fTmax(i)(2) 式中:f为发动机效率map图(发动机效
4、率与 转速、 转矩的关系图)的插值函数;fTmax为发动机最 大转矩曲线M1Mn的插值函数。(3)将转速点i下i,j的最大值所对应的发 动机工作点Hi(i,Tj,max)作为发动机在转速 i 下的最优工作点。3上海汽车 20071072 0 0 8 . 0 5. 0 9Pa t Ne l s o n新能源汽车(4)按上述方法,确定发动机在各转速1、 2 n下的最优工作点H1、H2Hn,将其顺序相连, 可得基于发动机转速的发动机最优工作线H1Hn。 并联HEV按某一循环工况行驶时,由于其发 动机通过传动系与车轮机械相连,发动机转速受 循环工况车速的影响。根据当前循环工况车速和 变速器传动比,按式
5、(3)可确定当前发动机转速: = VVigi0/ r(3)式中:VV为循环工况车速;ig、i0分别为变速 器、 主减速器传动比;r为车轮半径。 根据基于发动机转速的发动机最优工作线, 可确定在当前发动机转速下的发动机最优工作点。若发动机在该最优工作点所输出的转矩不能 满足并联HEV行驶需求,则电机起负载平衡作 用,辅助发动机驱动车辆。若电机负载平衡能力 不足,则发动机被迫偏离最优工作线而在较高效 率工作区工作。1. 2 基于发动机功率 确定在某发动机输出功率下发动机效率最高 的发动机工作点,将其作为发动机在该输出功率 下的最优工作点。将整个发动机输出功率范围内 各输出功率下的发动机最优工作点连
6、成线,即得到基于发动机功率的发动机最优工作线。具体计 算方法如图2所示。图2 基于发动机功率的发动机最优工作线(1)在发动机最小输出功率Pmin至发动机最大输出功率Pmax范围内,均匀取m个功率点P1、P2PkPm,其中P1=Pmin,Pm=Pmax,k=1,2m。(2)对于第k个功率点,绘制发动机输出功率为Pk时的等功率曲线EkFk,该等功率曲线上各点的发动机转速和转矩T满足T=Pk。发动机等功率曲线应限制在发动机转速范围min,max内及发动机最大转矩曲线M1Mn下方。计算发动机 等功率曲线EkFk上各发动机工作点的发动机效率: k, i= f(i, Ti)= f(i, Pk/i)(4)
7、iminimax,且Pk/ifT,max(i) (3)将功率Pk下,k,i的最大值所对应的发 动机工作点Qk(i,max,Pk/i,max)作为发动机输出功率为Pk时的最优工作点。 (4)按上述方法,确定发动机在各输出功率P1、P2Pm下的最优工作点Q1、Q2Qm,将其顺 序相连,可得基于发动机功率的发动机最优工作 线Q1Qm。并联HEV驱动系统控制策略将车辆行驶需 求功率合理分配给发动机和电机。根据基于发动 机功率的发动机最优工作线,可确定发动机在输 出所分配功率时的发动机最优工作点。1. 3 发动机最优工作线确定方法的比较 基于发动机转速的发动机最优工作线确定方 法,在满足车速需求的情况下
8、,不一定能满足并联HEV行驶转矩或功率需求,但该问题可通过电机 的负载平衡作用来解决。因此,基于发动机转速 的发动机最优工作线确定方法可适用于采用有级或无级变速器的并联HEV。 基于发动机功率的发动机最优工作线确定方 法,在满足并联HEV行驶功率需求的情况下,不 一定能满足车速需求,但该问题可通过采用CVT 来解决,即利用CVT提供其允许范围内的合适传动比来实现发动机转速与需求车速之间的速度匹 配。因此,基于发动机功率的发动机最优工作线 确定方法适用于采用CVT的并联HEV,但不适用 于采用有级变速器的并联HEV。2 发动机高效工作区的确定若因并联HEV行驶需求或各部件工作状态 和特性的限制,
9、如电机负载平衡能力不足或变速 器不能提供所需传动比等原因,发动机不能沿发动机最优工作线工作,则应使发动机在较宽广的 高效工作区工作,以保证发动机仍有较高效率,有 利于减少油耗。可根据发动机效率map图,确定4上海汽车 2007107 新能源汽车发动机高效工作区。发动机高效工作区的左右限 一般可取为发动机转速的上下限,以充分利用发动机转速能力。2. 1 发动机高效工作区下限的确定 采用下限效率法,将发动机下限效率工作线 作为发动机高效工作区下限。确定在某发动机转 速下发动机效率值为下限效率值的发动机工作点,若符合该条件的发动机工作点有多个,则取其 中发动机转矩最小的发动机工作点作为发动机在 该转
10、速下的下限效率工作点。将整个发动机转速 范围内的各转速下的下限效率工作点连成线,即 得到发动机下限效率工作线。该线的具体计算方法与前述基于发动机转速的发动机最优工作线计 算方法相似,前述计算方法中取发动机效率为最 大值的工作点,该线计算方法中取发动机效率为 下限效率值的工作点。发动机下限效率值可根据 具体的发动机效率map图确定。为防止发动机低效工作,当发动机工作点位 于发动机下限效率工作线下方时,可让发动机强 制沿该线工作或停机不工作,此时电机应起负载 平衡作用。 发动机高效工作区下限的确定方法还可采用最大转矩比例法和最小能量损失法。最大转矩比 例法将发动机最大转矩曲线乘以某一定值比例系 数
11、作为发动机高效工作区下限。最小能量损失法 以能量损失最小为原则确定发动机高效工作区下 限。文中所介绍的下限效率法相对于这两种方法而言,具有含义直观、 计算简单和易于防止发动机 低效工作的优点。2. 2 发动机高效工作区上限的确定 可将发动机最大转矩曲线作为发动机高效工 作区上限。这有利于充分发挥发动机最大转矩能力,同时发动机沿最大转矩曲线工作时效率一般 也较高。3 计算与仿真分析用文中所介绍的方法确定某一并联HEV发动机的最优工作线和高效工作区。并联HEV的 主要参数如表1所示。计算出基于发动机转速的发动机最优工作线和基于发动机功率的发动机最 优工作线,这两条发动机最优工作线虽因确定方法不同而
12、形状有所差异,但均基本位于发动机高 效区。计算出发动机下限效率值为18%的发动机 高效工作区下限。取发动机最大转矩曲线的发动 机高效工作区上限,如图3所示。表1 并联HEV主要参数总质量 (kg)发动机 功率(kW)电机功率 (kW)蓄电池 容量(A. h)车轮 半径(m)传动系 传动比12244116280. 28213. 45, 7. 57, 5. 01, 3. 77, 2. 84图3 发动机最优工作线和高效工作区上下限在电动辅助控制策略的基础上,根据上述计 算出基于发动机转速的发动机最优工作线和发动机高效工作区上下限,合理控制发动机在高效区 工作,用电动车仿真软件ADV ISOR对该并联
13、HEV 在1个NEDC循环工况下进行仿真分析,发动机 实际工作点分布如图4 (a)所示,发动机实际工作 点分布在发动机高效工作区上下限之间,且部分分布在基于发动机转速的发动机最优工作线上。 采用ADV ISOR内建的电动辅助控制策略,对 该并联HEV在1个NEDC循环工况下进行仿真分 析,发动机实际工作点分布如图4 (b)所示,发动 机实际工作点偏离基于发动机转速的发动机最优工作线较远,且部分未分布在发动机高效区。5上海汽车 2007107新能源汽车图4 发动机实际工作点分布图上述两种仿真结果的比较如表2所示。由表2知,前者相对于后者油耗较少,发动机平均工作效率较高,蓄电池SOC终值更接近于初
14、值,故并联HEV控制策略采用文中所介绍的发动机最优工作线和高效工作区的确定方法,可使发动机工作在高效区,达到提高发动机效率和减少油耗的目的。表2 仿真结果的比较控制策略油耗 (L /100 km)发动机平均 工作效率(% )蓄电池SOC终值 (初值为0. 7)基于发动机最优工 作线和高效工作区 的控制策略5. 3230. 6536ADV ISOR内建的电 动辅助控制策略5. 5210. 64854 结语为使并联HEV的发动机在高效区工作,文中 介绍了基于发动机转速或功率的发动机最优工作 线和发动机高效工作区上下限的确定方法,并通 过计算和仿真分析验证了所述方法的正确性和有效性。文中所介绍的发动
15、机最优工作线和高效工作 区的确定方法,可为制定优化的并联HEV控制策 略提供借鉴和参考。使发动机在高效区工作,提 高发动机工作效率,对减少并联HEV油耗所起的 作用是有限的。要最大限度地减少并联HEV油 耗,还需综合考虑各种因素(如电机工作效率、 蓄 电池充放电效率、 控制策略、 换档策略、 整车轻量 化等) ,以提高整车效率。参考文献1 黄妙华,喻厚宇.影响并联混合动力电动汽车发动机在高效区工作的因素.汽车工程, 2005. 27(1)2 National Renewable Energy Laboratory .Advanced VehicleSimulator .http: / /www
16、. ctts . nrel . gov/ analysis, 2002(4)3 Seiler J, SchroderD. Hybrid Vehicle Operating Strategies .InProceedings of 15th International Electric Vehicle Symposium, 1998AbstractIn consideration of the characteristic of the par2allel hybrid electric vehicle (HEV) and in ter ms ofthe map of the engine efficiency, the article presentsthe method of deter mining the engine optimal operat2ing cu
