串联式混合动力越野车动力性经济性匹配分析

郑贤文， 周振华， 静大勇

（东风汽车公司技术中心，武汉 430058）

1 研究背景

越野汽车相对传统公路车辆，由于路况复杂，故其动力性、经济性指标往往较难取得较好平衡。由于越野车主要行驶在低、中速工况，车辆驱动扭矩需求大但负载功率并不高，结果带来较高的油耗值。传动增程式技术方案主要应用于城市行驶的公交车、乘用车等，为追求更高的节油与排放目标，往往以动力电池驱动为主，小排量发动机发电为辅[1]，对越野车由于行驶路况复杂，且对应充电设施少，传统增程式并不是最佳解决方案。随着近年来电机技术的发展以及动力电池充放电水平的提升，为在越野汽车上采用串联式混合动力方案，并进一步提升越野汽车性能创造了条件：可通过采用串联式混合动力方案来提高燃油经济性；通过动力电池附加能量输出来弥补为适应路面冲击而增加的结构附加重量，同时对车辆动力性，尤其对加速性能的提升。

2 技术方案

本文以某串联式混合动力四轮轮毂驱动越野车为例进行分析，其动力模块由高转速高效柴油发动机、永磁同步发电机与三元系锂离子动力电池构成，驱动模块由四轮轮毂驱动电机构成，整车控制器控制发动机驱动发电机发电，为车辆行驶提供能源，同时对四轮轮毂驱动电机进行协调控制。如图 1为串联式四轮毂电机驱动越野汽车原理图。

3 越野工况及控制模型建立

由于车辆负载功率、行驶车速及油门踏板开度等信号可基本反映出车辆的具体工况需求与驾驶员意图，所以可从此三个信号作为控制切入点，如表1，将混合动力越野车分为8种常见工况，分别对应越野路行驶、公路行驶、极限攀爬等路况。在中低速公路行驶工况中包含低附着路驱动控制，其中起步加速工况由于车辆加速惯性阻力功率，起步时功率在很短时间内提高，然后保持在较高水平，直至车辆达到目标车速，越野极限攀爬工况虽然驱动力处于较大水平，由于车辆转速极低，总体需求功率很小，因此可根据驾驶员油门踏板大小判断驱动力需求。对此本文不详细展开。

表1 混合动力越野汽车基本工况识别

车辆负载功率计算公式如下（不考虑加速惯性阻力）：

式中：Pz为车辆行驶阻力功率（单位kW）；m为车辆质量（单位kg）；g为重力加速度（取9.8m/s2）；θ为坡道与水平面夹角；f为车辆行驶滚动阻力系数；cd为车辆风阻系数；A为车辆迎风面积（单位m2）。

HEV动力系统由发动机、发电机与动力电池组成。根据发动机发电机组与动力电池参与特点，可拆分为三种工作模式如下：

经济模式：动力电池参与充放电，在满足车辆功率需求的前提下，发动机发电机总是处于最佳高效点运行模式，主要用于车辆定速持续行驶工况，负载功率较小，系统在EV模式与HEV模式之间不断切换；

综合模式：即功率跟随式控制策略[2]，动力电池不参与充放电，发动机发电机组自适应模式，此模式特点在于动力电池由于不参与循环，能够在满足一定低油耗的前提下保证动力电池较高的使用寿命与综合工况需求，负载功率居中，系统处于HEV模式；

动力模式：为满足越野车辆高负载功率需求，发动机发电机位于最高输出功率点，动力电池全程参与放电，主用于车辆加速，负载功率最大。

4 APU总成

选型某高转速柴油发动机，其万有特性如图2所示，提出发动机等效效率ηe的概念，其计算如公式(2)，为发动机对应转速点最低比油耗ξi与一定负载功率下的发动机最佳比油耗ξmin的比值，发动机等效效率体现了在一定转速下发动机通过负载调整所能充分节油的能力。

选型某永磁同步发电机，其效率如图3，发电机效率由ηm表示。

根据图 2、图3，建立发动机发电机组动力性经济性参数查表模型，见公式 (3)，其 中Ni=Nj，

在经济模式，APU总是处于高效区，限定工况行驶时 HEV及 EV模式对应往复切换的时间如下：

式中： T1、T2分别为在经济模式下对应 HEV与EV运 行周期（s）；C为 动力电池容量（Ah）；U为动力电池电压（V）；Pz为车辆负载功率（kW）；P0为 APU高 效输出功率； SOCmx与 SOCmn分别为动力电池S OC上、下控制限值；η为驱动电机效率。

5 计算分析与试验验证

5. 1 动力性分析与验证

根据汽车动力学理论、整车基本参数，以及总成选型参数（见表 2），建立整车动力性计算模型，计算车辆输出与负载功率如图 4所示：

表2 串联式混合动力越野车计算输入参数

对原地起步加速工况进行分析，如图5所示，其中整车负载功率 Pz为由行驶阻力、风阻产生的阻力功率，而整车有效负载功率则为考虑车辆加速惯性阻力功率的总负载功率。发动机发电机组的负载功率由发动机起步响应时间、发动机发电机功率能力决定，剩余的功率缺口则完全由动力电池进行补充，在起步加速 20 s左右，加速动作结束，车辆以最高车速匀速行驶。对应动力电池输出电量变化如图6所示。

由图 7可知，通过采用串联式混合动力系统方案，车辆加速性能提高了50%。

以发动机发电机组运行在最高效点为优化目标，计算可得在不同车速下的最佳比油耗ξ如图8。在中低车速范围，经济模式比综合模式节油明显，但随着车速提高，车辆需求功率加大，发动机负载功率可控制在最佳油耗点处，经济模式与综合模式油耗曲线重合。

5.2 经济模式控制分析与验证

根据公式 4、公式 5，可以得到在不同限定车速工况下的循环时间，如图 9左图所示，可见循环周期与车速成双曲线关系。在75 km/h车速处，HEV电池充电行驶与EV电池放电行驶时间相同，且对应最短的循环周期（48 min），即车辆以75 km/h行驶48 min（其中HEV及EV周期分别为24 min），车辆将自动切换到下个循环。在0～75 km/h车速范围内，基本上每隔1km，车辆将自动切换一个循环，动力电池电量在30%与80%之间往复变换一次。

由图9右图可知，在中低速时，车辆经济模式单循环里程基本保持在60 km左右，车速超过75 km/h后，单循环里程迅速提高。

考虑到动力电池充放电效率（97%左右）以及HEV、EV每个循环内的里程比例，可求得经济模式循环工况综合油耗在不同车速下的变化曲线，如图9：

在图 8得到的不同负载功率下的比油耗曲线基础上，计算在不同车速下车辆对应最佳百公里油耗，并将试验结果与同吨位搭载五档变速箱的越野车进行对比，如图 11，其中“ 1档百公里油耗”曲线至“ 5档百公里油耗”曲线为同吨位搭载 5档变速箱试验数据，“经济模式-理论”为计算理论曲线，“经济模式-试验”曲线为实车测试曲线，发现试验结果比理论计算油耗值稍大，这是由于试验值匹配点未能准确达到理想目标所致。

两种车辆在80 km/h车速下对应百公里油耗见表 3，可见通过采用串联式混合动力系统，在等速工况下，整车可实现至少 17%～21%的节油效果。

表3 百公里油耗试验对比（80km/h等速）

6 结论

（1）串联式混合动力系统越野车可通过采用经济模式、动力模式与综合模式的控制方式实现动力性经济性指标综合提升；

（2）串联式混合动力越野车能够通过动力系统匹配与控制达到较好的动力输出与节油效果，相对同吨位传统车辆，加速性能可提升 50%，可至少节油 17～21%。

[1]曾小华,军用混合动力轻型越野汽车动力总成匹配及控制策略研究，吉林大学硕士学位论文，2001.

[2]《混合动力军用越野汽车动力匹配研究（一）》轻型汽车技术2007( 7/8).

[3]曲 晓冬等.增程式电动车的 APU 控制策略的研究.汽车工程，2013(9).

[4]祝雅琦等.增程式电动客车能量管理策略仿真研究.汽车工程学报，2013(11).

[5]宋珂等.增程式纯电驱动汽车动力系统研究.汽车技术，2011(7).