并联型气动柴油混合动力汽车控制参数的正交优化研究*

刘凌宝，陈平录，许 静，匡 鹏

(江西农业大学工学院，江西南昌 330045)

0 引言

纯气动汽车由于压缩空气的储能密度以及能量利用率低两方面的限制，致使其应用受到了极大的限制［1］。然而，由于气动发动机和内燃机在工作过程中存在优势互补:由于气动发动机能够很方便的实现制动能量回收、工作过程中没有有害气体排放以及能够有效利用内燃机的余热等方面的优势，同时内燃机驱动汽车又能够解决纯气动汽车的续驶里程不足的问题，使得气动燃油混合动力汽车能与电动混合动力一样，通过制动能量回收、取消怠速、优化内燃机工作区域以及减小内燃机以及利用内燃机排气余热等手段实现车辆的节能减排。相比与电动混合动力，该混合动力具有结构简单、成本低、易于维护、便于在传统汽车的基础上改装等优势［2］。

气动燃油混合动力汽车作为一种新型式的车用动力系统近年来备受关注。国外还有许多独特的气动复合循环方案设计，包括法国的MDI公司的双燃料发动机、美国加利福尼亚洛杉矶分校Tsu－Chin Tsao教授和福特汽车公司顾问Michael M．Schechter合作研发的气动/内燃复合循环发动机［3］以及美国Scuderi公司设计的“分离冲程式”复合循环技术［4］等。我国浙江大学和台湾大叶大学对气动混合动力系统也进行了大量的研究［5］。台湾大叶大学K．David Huang等给出了一种与串联型电动燃油混合动力汽车相似内燃/气动复合循环式发动机［6］。不论是哪一种混合动力系统，为了使气动和内燃两种动力系统能够协同工作，控制策略的研究是必须解决的关键技术之一。笔者针对前期所提出一种用于并联型混合动力汽车的逻辑门限值控制策略［7］，通过采用正交优化方法探寻该控制策略的柴油机开启转矩门限值、柴油机开启转速门限值以及在混合模式下气动发动机占总功率的转矩分配比的组合优化技术。

1 并联型气动燃油混合动力汽车逻辑门限值控制策略

为了便于在柴油车基础上改制，笔者所选用的并联型气动燃油混合动力汽车的结构布置图如图1所示。该结构以原有柴油机动力系统为基础，增加了一套气动辅助动力系统，其中的热交换器用于气动发动机的进气与柴油机的热交换。在车辆制动过程中，气动发动机可以转换为压气机模式，实现制动能量回收。为了提高制动能量回收效率，回收后的压缩空气由三通阀充入制动储气罐。

图1 并联压缩空气燃油混合动力汽车布置［7］

并联型气动燃油混合动力汽车逻辑门限值总体控制策略详见参考文献［7］，概括描述如下:

(1)若动力传动系统所需的转矩Tr＞0且需求转矩Tr和需求转速nr均大于门限值Tlim和nlim，此时内燃机进入工作状态，为了利用内燃机废热，气动发动机同时参与工作。此时为混合驱动模式。

(2)若动力传动系统所需的转矩Tr＞0，且Tr或者需求转速nr小于各自的门限值Tlim和nlim，由气动发动机单独驱动车辆行驶。但若此时高压储气罐以及制动储气罐内的压缩气体的能量不足以满足车辆行驶所需的转矩Tr时，考虑到驱动优先的原则，处于低效工作状态的内燃机必须承担起驱动车辆行驶的任务。

(3)若动力传动系统所需的转矩Tr＜0，则转入车辆制动模式，根据车辆的状况不同，制动模式可分为制动能量回收模式，机械制动模式以及两者的混合制动模式。

(4)为了提高制动能量回收效率，气动发动机在工作过程中，优先利用制动储气罐内的压缩空气。

2 并联型气动燃油混合动力汽车控制参数的正交优化

在上述逻辑门限值控制策略中，存在着三个重要的控制参数，柴油机开始工作的转速门限值nlim，柴油机开始工作的转矩门限值Tlim以及在混合模式工作时转矩分配比R，其中转矩门限值Tlim和转矩分配比R分别表示如下:

式中:K为柴油机开启转矩系数，取值范围为0～1。

上述三个参数的合理优化组合，直接影响整车的动力性和经济性。正交优化设计是解决参数优化组合的一种实用方法。

2．1 优化的目标函数

评价整车动力性能的指标有最高车速、加速时间以及最大爬坡度。对并联型气动燃油混合动力汽车，其逻辑门限值控制策略中转速门限值nlim、转矩门限值Tlim还是转矩分配比R对上述指标影响最大的为原地起步加速时间，因此，本文动力性指标取为车辆从0～100 km每小时的加速时间作为动力性的评价指标。

并联型气动燃油混合动力汽车在工作过程中不仅要消耗燃油，同时还要消耗压缩空气，为此，其经济性评价指标分别用百公里气耗率Qa(kg/100 km)和百公里油耗Qe(L/100 km)表示。

2．2 控制参数优化分析

分析所采用的整车仿真模型及车辆参数设定详见参考文献［8］，仿真计算采用的循环工况为NEDC工况，采用三因素四水平正交表安排仿真计算，各因素的水平值见表1，计算结果如表2。

表1 因素水平表

表2 正交仿真计算方案及结果

2．2．1 百公里耗油量Qe的结果分析

如图2所示，随着柴油机开启转矩系数K、柴油机开启转速门限值nlim以及转矩分配比R的增大，柴油机参与驱动的比重均降低，而且柴油机工作点的平均效率也会升高，因此，百公里油耗量Qe均随着三因素的水平值增大而减小。从三因素的极差对比可以看出，三因素对Qe的影响比重为:K＞R＞nlim。最优组合为:K=0．35，nlim=1 100，R=0．48，对应的 Qe=1．22 L/100 km。可见，从降低油耗出发，各因素应尽可能取最大值。

图2 百公里耗油量Q e的结果分析

2．2．2 百公里耗气量Qa的结果分析

气动燃油混合动力系统节油是靠空气动力的辅助才能实现的。若柴油机开启门限转矩和转速越高，则耗气量就会增大，如图3所示，百公里耗气量Qa均随三因素的水平值的增大而增大。从三因素的极差对比可以看出，三因素对Qa的影响比重为:R＞K＞nlim。最优组合为:K=0．2，nlim=800，R=0．12，对应的Qa=85．79 kg/100 km。可见，从降低耗气量出发，各因素应尽可能取最小值。

图3 百公里耗气量Q a的结果分析

2．2．3 原地起步加速时间t100的结果分析

如图4所示，影响原地起步加速时间的主要因素为转矩分配比R，从缩短原地起步时间考虑，最优组合为 K=0．2，nlim=800，R=0．12，对应的 t100=11．9 s。

图4 原地起步加速时间t100的分析结果

3 结论

(1)从优化结果可看出，从节油考虑，柴油机开启的转矩门限值、开启转速门限值以及转矩分配比均应提高。

(2)当柴油机开启转矩门限值、开启转速门限值以及转矩分配比提高时，柴油机的工作区域减小，这势必增大气动发动机工作的比重，压缩空气的消耗量必然会增大，同时，由于笔者所采用的混合动力结构仍以柴油机为主，气动为辅，气动发动机的功率较小，柴油机工作区域的减小势必会降低整车的动力性能。

［1］ 刘 昊，陶国良，陈 鹰，等．气动汽车动力系统分析［J］．浙江大学学报(工学版)，2006，40(4):694－698．

［2］ LIU Lin，YU Xiao－li．Practicality Study on Air－powered Vehicle［J］．Frontiers of Energy and Power Engineering in China，2008，2(1):14－19．

［3］ Tai C，Tsao T．Using Camless Valvetrain for Air Hybrid Optimization［J］．SAE Technical Paper 2003－01－0038，2003．

［4］ Alexander D．Scuderi’s Split－cycle Solutions［J］．Automotive Engineering International，2006，114(5):24－26．

［5］ Fang Yi－dong，LiDao－fei，Fan Zhi－peng，etc．Study of Pneumatic－fuel Hybrid System Based on Waste Heat Recovery from Cooling water of Internal Combustion Engine［J］．Science China Technological Science，2013，56(12):3070－3080．

［6］ Huang K D，Tzeng SC．Developmentof a Hybrid Pneumatic－power vehicle［J］．Applied Energy，2005，80(1):47－59．

［7］ 陈平录，俞小莉，聂相虹，等．并联型气动燃油混合动力汽车控制策略研究［J］．浙江大学学报(工学版)，2010，45(2):153－158．

［8］ Pinglu Chen，Xiaoli Yu，Xianghong Nie，et al．Modeling and Simulation Analysis on Parallel Hybrid Air－fuel Vehicle［J］．Frontiersof Energy and Power Engineering in China，2010，4(4):553－559．