基于ADVISOR的热电回收并联混合电动汽车性能研究

2013-09-10赵付舟胡如夫崔仲华

汽车科技 2013年3期

赵付舟，胡如夫，崔仲华

（宁波工程学院机械工程学院，宁波，315211）

传统燃油汽车中用于驱动的能量只占到发动机燃烧化学能的30%左右，另外随废气直接释放到环境中的能量占到40%左右，由冷却水带出机体并释放到环境中的能量占到剩余的40%左右［1］。为了应对日益紧迫的能源危机，国内外专家做过大量的工作通过各种途径来提高车辆的节能潜力。从完善内燃机的燃烧过程来提高车辆的能量利用效率目前已经逐步达到极限。目前电动汽车受到各工业发达国家的普遍重视来应对能源危机［2］。电动汽车的储能元件利用了从热电厂大规模高效率燃烧化石燃料所发的电能或通过其它新能源途径获取的电能，因此电动汽车的发展前景被世界各国普遍看好。纯电动汽车面临储能元件的能量密度限制而影响汽车的续驶里程，目前其市场竞争力还不如传统燃油汽车。而混合电动汽车集成了燃油汽车和纯电动汽车的优势，是世界各大汽车公司角逐的主要新能源汽车产品。

汽车热电回收是利用热电材料的塞贝克效应，将汽车燃油释放化学能中约70%的低品位废热直接转化为可利用电能，从而提高车辆的燃油经济性。由于油电式混合电动汽车具备可共享的功率变换单元和大容量储电元件等电力电子平台，拟研究热电回收对并联混合电动汽车整车动力性及经济性的影响。

1 热电回收的并联混合电动汽车控制策略

研究的热电回收并联混合电动汽车结构如图1所示。这种混合电动汽车采用“发动机及热电模块电机总成”和“动力电机”两路动力并联，经过转矩耦合器叠加后传入变速器中，再经过变速系统和主减速器进行转矩和转速变换，这样动力就传递到驱动轮上。在燃油发动机冷却水箱、机体、机油油底壳、变速器油底壳及排气管等热源的外壁布置热电模块系统，热电模块回收的电能给热电模块电机供电，这样回收的汽车废热能量就可以实时地汇入传动系统中，从而提高汽车的动力性和经济性。

1.1 动力系统控制策略

在热电回收的并联混合电动汽车中“动力电机”与“发动机及热电模块电机总成”的运行方式采用电动机辅助的动力系统控制策略，如图2所示。

1.1.1 蓄电池的电量充足（即SOC＞cs_lo_soc）

车速低于起动转速或者传动系统需求转矩小于发动机关闭转矩的情况下关闭发动机而由 “动力电机”来提供全部转矩。而车速高于起动转速，且传动系统需求转矩在发动机关闭转矩和最大转矩之间时由“发动机及热电模块电机总成”提供转矩。当传动系统需求转矩大于“发动机及热电模块电机总成”最大输出转矩的情况下“发动机及热电模块电机总成”和“动力电机”共同提供系统需求转矩。

1.1.2 蓄电池的电量不足（即SOC＜cs_lo_soc）

当传动系统需求转矩低于 “发动机及热电模块电机总成”最小转矩曲线时，“发动机及热电模块电机总成”按照最小转矩曲线提供转矩，剩余的转矩用于给蓄电池充电。当传动系统需求转矩高于“发动机及热电模块电机总成”最小转矩曲线时，“发动机及热电模块电机总成”按照最佳工作点运行，剩余的转矩也用于给蓄电池充电。以上两种情况中，只要发动机处于运行状态下，热电模块会一直发电并供应给热电模块电机。

1.2 废热热电回收的控制策略

热电回收的并联混合电动汽车中发动机运行状态下产生的废热回收功率与发动机工况有关。动力系统总成提供的功率为发动机曲轴输出功率、热电模块电机功率与动力电机功率之和。因此转矩耦合器输出的功率（单位W）为：

式中：Te为发动机曲轴输出转矩，Nm；ωe为发动机曲轴转速，rad/s；Gf为燃油消耗率，g/s；Hu为燃料低热值，J/g；ηr为热电模块废热发电效率；ηm为热电模块电机效率；Pm为动力电机发出的功率，W。

热电回收的并联混合电动汽车的转矩耦合器输出最大转矩（单位：Nm）为

式中：Temax为发动机输出最大转矩，Nm；Tm为动力电机输出转矩，N.m；其他参数含义同式（1）。

热电回收的并联混合电动汽车制动转矩为发动机制动转矩与电机制动转矩之和，其值（单位Nm）为：

式中：Vs为发动机排量，L；ωemax为发动机曲轴最高转速，rad/s；Tmb为动力电机制动转矩，Nm；其他参数含义同式（1）。

在发动机工况变化过程中，随发动机转速增加或负荷增大时排气管的排气温度是逐渐增加的，排气废热功率也会增加［3］。适合热电模块回收的废热，除了发动机排气管外，还有冷却系统和机体等部位。在试验的基础上，可以计算得到各个发动机工况点的最高废热功率为：

废热功率的获得为设计热电模块废热回收控制策略提供了方便。根据测量得到的发动机燃油消耗率、转矩和转速可以计算出任意工况点的最大废热功率。

图3给出了某型乘用车中1.9 L（95 kW）汽油发动机转速从 500～6 000 r/min（12个转速点）、节气门从15%～100%（10个负荷点）的废热功率。图3中用“○”表示该工况点发动机的废热功率大于100 kW，而用“●”表示该工况点发动机的废热功率大于200 kW。从图3可以看出发动机的废热功率随其转速和负荷增加而增大，在高速高负荷下废热的功率最大。发动机废热功率增加时排气管、机体、水箱及油底壳等热源部位的外壁温度增加［4］，热电模块回收废热发电的功率也相应增加。

2 热电回收的并联混合电动汽车整车仿真

研究的热电回收并联混合电动汽车是在某款汽油发动机乘用车基础上改装而成，原车的参数如表1所示。

表1 某款汽油发动机乘用车参数

在ADVISOR 2002中可以很方便地选用不同类型的发动机、变速器、底盘、车身、电机、蓄电池及汽车附件等部件，并可以对“…ADVISOR 2002data”文件夹中与部件参数关联的M文件进行修改，然后对“…ADVISOR 2002models”文件夹中的simulink文件进行计算过程与控制算法模型的修改。图4显示了ADVISOR并联混合电动汽车simulink仿真框图结构，可以看出数据是按照前向和后馈方式混合流经每个部件节点的［5］。

原汽油乘用车改装时拟采用并联轻度混合电动结构，因此采用某小型永磁同步直流电机，电机的额定功率为25 kW，最高转速为6 000 r/min，质量45 kg，电机具备电动助力和制动发电的功能。蓄电池采用某型6AH的锂离子动力电池，75节电池单元的串联输出额定电压为267 V，质量28 kg。

应用ADVISOR 2002模型可以模拟混合电动汽车以及热电回收的混合电动汽车的动力性与经济性。热电回收的混合电动汽车与混合电动汽车相比是在汽车的热源部位安装了热电模块，热电模块所发的电能供应给热电模块电机，这样回收的汽车废热能量就可以实时地汇入传动系统中。由于热电模块电机的功率随发动机工况变化，经过计算后修改发动机M文件中高速高负荷工况的油耗和外特性转矩曲线就可以建立“发动机及热电模块电机总成”的ADVISOR模型。原汽油乘用车的性能参数可以从制造厂商获得，混合电动汽车以及热电回收混合电动汽车的性能参数是以汽油乘用车的结构为基础，采用ADVISOR 2002模拟计算得到的。计算汽车循环工况油耗时选用CYC_UDDS近似代表城市路况，而选用CYC_WVUINTER近似代表高速公路路况。

图5分别给出了城市路况（见图5a）和高速公路路况（见图5b）下热电并联混合电动汽车循环工况仿真结果。从图中可以看出在高速公路路况下发动机的废热功率远高于城市路况，而高速公路路况下动力电机驱动做功（功率为正值）或制动发电（功率为负值）的功率要远低于城市路况。在城市路况下，汽车频繁加速或减速的行驶特征，决定了汽车制动能回收功率潜力大。而在高速路况下发动机负荷较大的行驶特征决定了发动机的废热热电回收功率潜力较大。汽车制动能回收效率较高导致图5a中电池的SOC值呈锯齿状充放电波动而下降缓慢。汽车热电模块发出的电能没有存入蓄电池而是直接汇入传动系统中导致图5b中电池的SOC值呈不断下降的趋势。从图5中可以看出热电并联混合电动汽车在不同的路况下可以交替发挥汽车制动能回收和废热热电回收的优势。从理论上分析，热电并联混合电动汽车比并联混合电动汽车具有更大的节能潜力。

表2 三种不同结构的汽车性能比较

表2给出了三种不同结构的汽车动力性和经济性参数比较。从表中可以看出模拟计算得到的混合电动汽车和热电回收的并联混合电动汽车的油耗均低于原汽油乘用车。原车改装为混合电动汽车后整车油耗平均下降了9.2%，而并联混合电动汽车加装热电模块后整车的油耗进一步平均下降6.8%。原车改装为混合电动汽车后最大爬坡度提高了27.7%，最高车速提高了3.3%，而加装热电回收系统后并联混合电动汽车的最大爬坡度进一步提高了14.2%，最高车速也进一步提高了5.6%。加速时间也显示了加装热电回收系统后并联混合电动汽车的动力性进一步增加。