混合动力汽车瞬时燃油消耗率最小策略研究

吴浩东　吴祖仪　赵宁　胡毛毛　吴沛峰

摘 要：为有效辨识驾驶员的驾驶意图，提高混合动力汽车整车燃油经济性，提出了一种根据驾驶员实时需求功率及发动机万有特性来即时调整发动机、电机扭矩分配的方法。通过对整车燃油消耗量的分析，构建了整车实时瞬时燃油消耗率最小目标函数，从而实时计算并调整整车扭矩分配，使发动机、电机维持综合效率最高状态运行。试验结果表明，此方法可使百公里油耗降低5.01%。

关键词：混合动力汽车 燃油经济性 最小瞬时燃油消耗率 扭矩分配

随着近些年燃油价格上涨及国家对新能源汽车的大力支持，新能源汽车逐步成为汽车发展的主要方向。其中，由于纯电动汽车存在的续航及充电问题，混合动力汽车得益于其优越的动力性和经济性，逐渐成为越来越多消费者购买新能源汽车的首选目标。

对于混合动力汽车来说，其竞争力就在于油耗高低。目前针对燃油经济性主要的控制方法是使发动机一直维持在最优工作区内，但由于实际行驶过程中工况复杂多变，很难保证发动机工况稳定性。针对此问题，本文通过优化混合动力汽车扭矩分配来使发动机实时运行在瞬时燃油消耗率最小点。

1 模型设计

1.1 动力总成万有特性

基于上述问题，首先要得到实时瞬时燃油消耗率。混合动力汽车中的驱动模块包括电池、电机、发动机，各模块在不同工况下的实际效率都不同，因此单独使用发动机万有特性得出的并非最准确的瞬时燃油消耗率。在实际测试瞬时燃油消耗率时，需在台架上搭建完整的动力总成模块，包括发动机、电机及电池，测量不同工况下的实时燃油消耗量，得到动力总成的万有特性map。如图1为动力总成万有特性map，越靠近中心则瞬时燃油消耗率越低，单位：g/（kWh）。

从图1中可以得出发动机及电机运行的优点，但固定点运行会使低速时NVH较差或高速时功率不足，因此实际应用时需选取多点进行工况覆盖。基于包络线原则，可得出发动机各功率下瞬时燃油消耗率最低的点，连成线则如图1中曲线所示，其线上任一点均为当前发动机功率下瞬时燃油消耗率最低的点。

理论上，如果使发动机运行在图1中的曲线上，则其运行点始终为当前需求功率下瞬时燃油消耗率最低的点。但实际并联行车时，由于发动机转速与实际车速的相关性，发动机工作点无法严格按照工况点运行，否则会导致功率不够或溢出，此时就需要电机介入补足扭矩或以多余扭矩充电。本文样本车辆动力总成架构如图2所示。

本文主要研究方向为发动机实时最小燃油消耗对油耗的影响，因此其他诸如阻力、电平衡、模式切换等因素已在试验验证前完成数据优化，初版数据中已完成这部分内容的集成，且已在初版数据中集成发动机万有特性，但集成方式为当前油耗优化策略中普遍采用的方式，仍与本文优化方向有所不同：1、普遍采用的优化方式为集成发动机万有特性，本文中基于1.1章节逻辑集成动力总成万有特性，包含了不同扭矩转速下的电机效率，主要在于低转速区间的差别，下文中有详细运行点图比较；2、并联过程中由于要考虑发动机直驱最优还是严格跟随经济线最优，初版数据中暂时采用直驱模式，具体效率比较下文中会有详细对比。

1.2 串并联工况区分

1.2.1 串联工况

发动机串联运行时，由于发动机可自由运行，因此可以严格按照瞬时燃油消耗率最低的工况运行。如固定点运行，除上述NVH与功率需求问题外，还需考虑整车能量流。串联行驶时，由于发动机和发电机组与驱动轴脱开，实际运行工况可以严格跟随最低燃油消耗率曲线，由此发动机运行时为理论上的最优工况。

1.2.2 并联工况

并联工况由于发动机转速与车速强相关，无法完全按照最优线工作（否则会导致低功率需求时电池过充或高功率需求时过放，无法维持正常SOC区间）。而且，并联时发动机传递效率如表1所示，从表中可以看出发动机直驱效率要高于充电后再由电池输出功率，因此实际策略中需实时对当前发动机扭矩及经济性进行计算，得出当前可以直驱的最佳扭矩。

具体计算方法如下：

直驱时：

固定发动机功率时：

式中：

P为当前整车需求驱动功率（kW）；

PE1为当前需求功率P时发动机并联直驱时的发动机功率（kW）；

PE2为当前需求功率P时发动机固定工作点的总功率（kW），其中用于驱动，为多余功率充电后可用于低功率需求时补扭的功率；

PED为固定发动机功率时的发动机功率（kW）；

PBC为发动机多出功率对电池充电的功率（kW）；

PBD为发动机不足功率使用电池放电对应的功率（kW）；

U1为发动机功率为时当前转速的热效率（%）；

为并联直驱时发动机综合效率（%）；

为发动机功率为时当前转速的热效率（%）；

为并联固定工作点发动机功率高于当前需求功率时发动机综合效率（%）；

为联固定工作点发动机功率低于当前需求功率时发动机综合效率（%）。

由于动力总成万有特性map已知，以上公式中P、发动机转速都可实时读取，、、已知，因此可实时计算与或的值实时比较大小，即可随时判断当前工况下更经济的发动机运行状态，实时选择瞬时燃油消耗率最低策略。

2 实验验证

为验证上述策略，将此策略集成后转载入如图3所示的HEV车辆中，分别以原始数据及优化后的策略进行WLTC测试，运行点对比如图3，试验结果见表2：

如上所述，本研究中，车辆已通过集成发动机万有特性及其他基础措施对油耗进行了初步优化。而通过上述的瞬时燃油消耗率最低策略，为对偏离经济区的工况进行约束，优化低转速工况后油耗有明显改善，降低3.43%，同时SOC略有上涨。（图4、表３）

应用上述策略后，并联时发动机工作点明显收缩但仍没有完全按照经济性分布，油耗优化1.64%，试验汇总如下，共降低油耗5.01%。（表4）

3 结语

本文针对动力总成万有特性对发动机运行的经济性进行实时计算和对比，从而达到优化油耗的目的。在混合动力汽车受到普遍关注的当下，此研究可以显著降低混合动力汽车油耗，由于车辆在不同工况、不同里程及不同温度下特性都不同，所以在实际进行最低燃油消耗率计算时，需要更详尽准确的动力总成模型，特别是系统效率及万有特性方面。

参考文献：

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