混合动力汽车发动机低温起动影响因素的研究

关键词：发动机起动控制策略；机械损失；电机；电池

中图分类号：TK417 文献标识码：A

0引言

伴随着汽车工业发展，响应国家环保政策减少碳排放，混合动力汽车快速发展。混合动力汽车与传统汽车相比，发动机工作在最佳工况，减少油耗和排放物的排出。与纯电汽车相比，纯电受到电池的影响较大，如续航里程短和低温下电池衰减的问题让汽车受到限制，而混合动力汽车在电池亏电时，可通过发动机发电或直接驱动车辆行驶，解决续航焦虑。

低温环境下混合动力汽车由于电池衰减和车辆供暖问题，需要发动机起动充电和提供暖气，在低温环境下发动机存在起动困难的现象。因此，本文分析了在低温环境下影响混合动力汽车发动机起动的发动机本体、电机和电池等主要因素以及相关的重要指标，为优化低温下发动机起动提供了理论依据。

1发动机起动控制策略

“P1+P3”混合动力汽车动力传递架构如图1 所示。该架构主要由发动机、发电和驱动双电机、电池包以及离合器等零部件组成，分别由发动机控制单元（ECU）、电机控制器（MCU）、电池管理系统（BMS）和安全气囊控制器（ACU）等控制器进行控制。混合动力汽车由整车控制器（HCU）主控整辆车的运行状态，与各个子系统的控制器进行交互，协调发动机、电机、电池包以及离合器等零部件的工作。

混合动力汽车发动机起动可有2种控制方式：一种是与传统燃油汽车起动方式一样由起动机带动发动机起动；另一种是由P1 电机拖动发动机起动。如图2 所示。正常情况下，混合动力汽车发动机一般采用第2 种起动方式（图2）。车辆上高压，HCU根据车辆状态请求发动机起动，由电池放电驱动P1电机输出扭矩，拖动发动机转动，则发动机状态进入Cranking。当曲轴转速大于设定条件，发动机开始喷油和点火，P1 电机继续拖动发动机，发动机转速一直上升；当曲轴转速和喷油次数均大于设定条件，则进入Running 状态，表示发动起动成功。发动机起动后，ECU控制发动机转速和扭矩响应HCU的请求。图3 所示为车辆按照上述控制方式在低温环境下起动过程的记录数据。

混合动力汽车在低温下起动发动机相对于常温起动困难，会出现发动机失火、空燃比表现不佳、电池快速放电以及电机阻力矩大等问题。根据发动机起动的控制策略，起动时离合器为断开状态，因此低温状态对离合器的影响不会影响发动机的起动。所以低温对发动机起动的影响因素从发动机本体、电机及电池三方面进行分析。

2 低温环境对发动机的影响

低温对于发动机本体影响很大，发动机随着温度的降低机械损失扭矩加大，导致P1 电机需要更大的力拖动发动机转动，那么发动机机油对机械损失起到决定性的作用。根据国家标准GB11121-2006《汽油机油》对汽油机油的倾点、运动粘度、低温动力粘度、边界泵送温度和低温泵送粘度的法规要求，由数据的变化规律分析温度变化对发动机汽油机油性能的影响规律。

根据法规要求不同温度环境下对汽油机油的要求不同，如果温度越低时要求汽油、机油的流动性和倾点的要求相对高，反之相反。汽油机油随着温度的降低，汽油机油的粘度逐渐增加而运动速率减慢；温度上升，汽油机油的粘度降低而运动速率加快。在发动机工作时低温下机油的粘度大，导致摩擦变大，所以发动机的倒拖扭矩越大，还有在低温环境下汽油粘度大会使发动机燃烧不好，发动机通过加大喷油进行起动发动机则导致淹缸和失火的现象。

混合动力汽车与传统汽车不同，汽车附件如空调、风扇和鼓风机都由HCU 控制，则发动机扭矩损失主要来自倒拖扭矩，国家标准GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》目前使用倒拖法试验计算发动机倒拖扭矩，采用台架测功机对发动机进行倒拖试验。在不同环境温度下，台架测功机对发动机进行不同转速的拖动且禁止发动机喷油和点火的条件下测到的功率为机械损失功率[1]。具体计算公式如下。

式（1）～式（5）中：Me为实测有效扭矩的数值，单位为N·m；W 为测功机磅秤读数，单位为N；L 为力臂的距离数值，单位为m；Mm 为机械损失扭矩的数值，单位为N · m ；Wm 为机械损失测功机磅秤读数，单位为N ；n为发动机转速的数值，单位为r/min ；C为测功机常数；P为实测有效功率数值，单位为kW；P为机械损失功率数值，单位为kW；V为发动机排量数值，单位为L。

根据推导公式和图4 可知，机械损失功率与发动机转速几乎呈线性关系，转速越高则机械损失功率Pe越大，机械效率η 越小。图5和图6所示的整车试验数据体现了，测功机在发动机各转速下的机械损失功率和不同温度下倒拖扭矩补偿。可以看出，发动机转速越高，倒拖扭矩越大；温度越低，需要补偿的扭矩越大。

实际上整车发动机输出的机械损失扭矩除了测功机测的扭矩还有海拔和温度的修正，以及加上由于发动机本身的扭矩自学习。图7 为整车实测发动机在不同温度点下的机械损失扭矩，通过-30 ～ 90℃温度点的实车测试，说明发动机的损失扭矩随着温度的降低明显增大。在低温时，发动机起动过程需要克服更大的机械损失扭矩，导致发动机起动困难问题。环境因素对发动机的影响可按照环境温度变化选择质量可靠不同等级的机油，按照主机厂指导选择和更换机油，保证发动机的润滑和减少磨损。另外，需要在低温下进行发动机台架倒拖扭矩试验以及增加样本量，保证倒拖扭矩的精确和可靠。

3 低温环境对电机的影响

“P1+P3”结构混合动力汽车的动力传动系统如图8 所示。可以看出，P1发电机与发动机直接硬连接；P3 电机可直接驱动车轮和发动机通过耦合器结合驱动车轮。发动机起动过程通过电池放电驱动P1 发电机拖动发动机转动，所以P1 发电机对发动机起动起到非常重要的作用。低温环境下除了发动机克服自身的机械损失，P1 发电机也需要克服自身的阻力才能输出扭矩拖动发动机转动。根据永磁电机的温度特性，低温对电机的影响主要表现在电机材料和电机工作性能。

低温环境对电机的永磁体、铁芯磁导率、轴承润滑脂及绝缘材料等有一定影响[2-3]。根据文献[4]指出，在低温时，电机的铁心饱和磁感应强度增大，剩磁增大，铁芯损耗会随着温度的降低而增大。由于磁导率与温度的特性是非线性的，在温度高到一定程度会突然下降，因此磁导率会在高温时有一个尖峰，在低温时电机铁芯磁导率会降低。低温环境下电机的输出功率会降低。电机输出功率与扭矩关系如下：

P ＝M ·n /9550 （ 6）

式中：P 为电机输出功率；M 为电机输出扭矩；n 为电机转速。

根据式（6）可知，电机的输出功率与扭矩呈线性关系。由于低温时与电机连接的轴承润滑脂变黏稠，电机内部的摩擦阻力增大，实际输出的扭矩减小，会导致输入功率下降。

电机的内部摩擦力矩公式如下：

M＝M＋M （ 7）

式中：M0为电机内部摩擦力矩；M为电机内部机械摩擦力矩；

M为电机轴承润滑脂阻力矩。

根据式（7）可知，电机内部摩擦力矩由机械摩擦力矩和润滑脂阻力矩相加。由于润滑脂的温度特性，温度越低润滑脂的黏度越大，润滑脂流动能降低，甚至造成润滑油冻结而失去流动性能。因此低温环境下，对电机轴承摩擦力矩的影响主要来自温度变化对润滑脂的阻力矩的影响。

永磁电机的固有齿槽定位力矩也会随着温度的变化而变化。齿槽力矩是永磁电机由于定子开槽后永磁体和定子齿槽之间产生的相互作用转矩。根据磁材料的温度特性可知，在低温环境下，电机的剩磁会逐渐增大，齿槽转矩会随着温度的降低逐渐增大。

实验表明，电机在低温环境下输出功率下降，主要是由于温度的变化引起电机的扭矩损失增加、齿槽转矩增大及电机磁导率降低等因素影响。所以在低温环境下发动机起动时，电机除了拖动发动机起动，还需要克服低温对电机的影响。优化低温对电机的影响，可通过改善电机本体的材料特性来实现。如采用高磁导率或选择厚度更薄且长度更长的铁芯材料，以及增加电磁圈绕组的匝数提高磁通量等。另外，采用抗冻冷却液以及具备低温工作的润滑脂，也可减少电机在低温下的摩擦力矩，保证电机正常工作。

4 低温环境对电池的影响

本文以三元锂电池为例进行研究。目前新能源车都存在电池衰减严重，造成车辆的续航焦虑，而环境温度是影响汽车动力电池性能的重要影响因素。在温度过高时，电池的材料表现出过强的活性，从而导致电池电量下降和材料的老化。而当电池温度降低时，电池的材料活性下降也会导致容量降低，所以需要保证电池在最佳温度范围内工作。电池内阻与温度关系如下：

R ＝R[1 ＋α （T－T）] （8）

式中：R为任意温度的电阻；R 为基准温度下的电阻；α为电阻温度系数；T为任意温度；T为基准温度。

可以看出，低温环境对电池的容量和内阻有很大的影响，电池容量会随着温度的降低而下降。因为温度越低，电池内电子扩散速率减慢，导致电池内的化学反应变慢；同时内阻增大，导致电池的电量减少，则影响起动发动机时电池的放电和充电的能力[5]。根据材料特性，温度越低内阻越大，而内阻和产生的热量成正比关系。

Ｑ＝I²Rt （ 9）

式中：Q为电池产生的热量；I为电池输出电流；R 为电池内阻；t为电池工作时间。

根据式（9）可知，电池内阻越大，电池在工作时产生的热量越多，则容易导致热量堆积，对电池的寿命及充放电能力产生一定的影响。

表1所示为整车试验时，在不同温度点下发动机起动过程电池的参数变化。在发动机起动时需要电池快速放电输出2s的脉冲放电功率驱动电机，由电机快速地拖动发动机起动。表1的试验数据说明，在-30～0℃，发动机起动过程中，温度越低，电池脉冲放电功率越小。放电过程中，电池电流的差值相差不明显，电池电压的差值随着温度越低差值越大。

图9所示为车辆在不同温度下电池内阻，可以看出，电池内阻的表现趋势随温度越低内阻越大。根据电热公式，在阻力变大时，若时间和电流相差不大的情况下发生氧化还原反应时产生的热量增多，则导致充放电效率下降。低温下电池充放电能力严重不足时，容易产生电池的过充过放问题。所以有时在低温下当电池能力不足时，对电机驱动功率进行限制，发动机起动存在一定的影响。

在低温下尽量使电池的电量维持在20%～80%，则电池性能最好，可以保证电池在发动机起动时快速放电，从而有足够的能量驱动电机，拖动发动机起动。此外，还可以通过优化起动策略，如在电池温度低于-20℃极限低温下禁止发动机起动，且进行电池加热以减少内阻。待电池的充放电功率提高时再进行发动机起动，保证发动机起动成功。

5结束语

本文针对混动车型在低温下对发动机起动影响因素的研究，从电池放电到P1 电机由电能到机械能转化再到发动机本体，分别对在低温下发动机、电机和电池的研究。从控制策略和整车数据表现来看，发动机在低温下主要克服机械损失的扭矩，所以需要优化低温环境机械损失扭矩的精确性以及保证车辆的润滑减少磨损。

低温环境对电机的影响从电机材料和自身的摩擦损失考虑，优化电机本体的材料提高磁通量和能量转化效率，采用具备低温工作的润滑脂，减少磨损保证电机正常工作。低温对于电池的材料活性下降最为明显，则需要保证电池在最佳温度范围内工作确保充放电功率，电池内阻也随温度降低增大。可通过优化电池材料，优化电池过充过放的问题，或适当控制电池的加热等。

由于HCU、ECU、MCU 和BMS 这几个模块相互协调配合，也可以通过优化软件控制进行优化。如增加发动机失败的监控及故障诊断，以及优化起动策略在极限低温下禁止发动机起动，且进行电池加热功能等。

作者简介：

覃嘉园，本科，助理工程师，研究方向为动力系统控制模块标定。

成祖权，本科，工程师，研究方向为动力系统控制模块标定。

陈柏衡，本科，工程师，研究方向为动力系统控制模块标定。