混合動力汽車動力性與經濟性匹配關鍵技術的研究

郭建宏

摘要： 混合動力汽車作為汽車發展的一種新趨勢，具有動力性能好，節能環保等優點。目前，國內混合動力汽車所占市場份額逐年增大，對混合動力汽車動力與經濟性研究具有重要價值。本文通過研究混合動力汽車的動力性能與經濟性能的匹配問題，在不同車速及路況下進行動力切換，通過動力性與經濟性匹配的優化研究，分析控制策略和實施方案。

Abstract： As a new trend of automobile development， the hybrid car has the advantages such as good power performance， energy saving and environmental protection. At present， the market share of hybrid vehicles is gradually increasing， and it is important to study the power performance and economy of hybrid vehicles. This paper studies the matching problems of dynamic and economic performance of hybrid vehicles， conducts power switching at different vehicle speeds and road conditions， and analyzes the control strategies and implementation schemes through the optimization research of dynamic and economic matching.

關鍵詞： 混合動力;動力性與經濟性;優化研究

Key words： hybrid power;dynamics and economy;optimization research

中圖分類號：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0056-02

1? 研究背景和意義

近年來，隨著我國現代汽車產業鏈的不斷發展，人類所面臨的環境壓力及能源短缺也日益嚴峻。當下發展混合動力汽車是當前我國應對能源短缺、優化環境保護，實現汽車產業鏈升級的重要措施。未來汽車領域研究和發展的方向趨于新能源汽車，在關鍵領域研發混合動力汽車及純電動汽車技術。目前國內各大汽車制造商加了對混合動力汽車的研發，但汽車的動力及燃油經濟性較差。因此，開發出動力性能好，燃油消耗低等綜合性能優的混合動力汽車，具有服務于經濟發展的研究意義和戰略價值。

2? 混合動力汽車的發展現狀及前景

隨著國民經濟的不斷發展和技術產業革命，混合動力汽車是我國汽車行業發展的新趨勢[1]，如今新能源技術應用、節能減排已成為經濟社會可持續發展的熱點話題，我國要實現2030年前碳達峰和2060年前實現碳中和，新能源技術在汽車上的應用很好地契合了社會的發展需求。目前，我國在新能源汽車的研發過程中，確立了以混合電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為主的研發布局，通過產學研緊密合作，校企共商，以動力汽車整車為模型，進行動力性能與經濟性能的仿真，對變速器速比進行優化，不斷提高汽車的經濟性。確立了純電動汽車、混合動力汽車[2]、燃料電池汽車為“三縱”，以電動機驅動系統、整車控制系統、動力蓄電池/燃料電池為“三橫”的科研系統，促使我國混合動力汽車的研發取得了較多的成果與進展。電池、發動機、電控系統以及整車控制是混合動力汽車的關鍵技術，汽車在運行時發動機與電動機的動力轉換、油電混合率是目前混合動力汽車研發的重點內容。通過對汽車燃油消耗量的研究，根據汽車的運行轉態，運行條件等因素綜合考慮，分別研究了不同質量段，不同品牌車系的燃油消耗評價體系標準。如圖1為主要國家乘用車燃料消耗量的變化趨勢。從圖中可知我國的乘用車燃油消耗量呈現逐年大幅下降的趨勢，而且世界上大多數國家乘用車燃油消耗量也不斷下降?；旌蟿恿ζ囎鳛槲磥砥嚠a業鏈的發展方向，為了滿足經濟性和動力性的要求，燃料消耗量這一評價指標將不斷下降。

2.1 HEV的分類及工作原理? 混合動力汽車是由控制系統，驅動系統，輔助動力系統和電池組等部分構成。在汽車行駛之初，蓄電池處于電量飽和狀態，其能量輸出可以滿足車輛的要求，車輛勻速起步，輔助動力系統不工作，當電池電量低于60%時，輔助動力系統啟動，當車輛需求能量較大時，輔助動力系統和蓄電池同時為驅動系統提供能量。當車輛需求能量較低時，輔助動力系統不僅給車輛提供能量，還為蓄電池進行充電。由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，也改善了車輛排放系統。根據汽車驅動系統的不同，HEV可分為串聯、并聯和組合式3種模式，國產的混合動力汽車大多都采用電力驅動與熱能系統混合工作的模式[3]，利用電能等其他形式的能量作為汽車動力驅動汽車，如圖2為混合動力汽車的基本工作原理。HEV根據汽車不同的行駛狀況選擇不同的發動機工況[4]，汽車發動機與蓄電池的工作轉態有不同的組合模式，通過不同的組合模式滿足驅動車輛的功率需求。當汽車選擇組合動力模式，根據汽車的行駛狀況，選擇不同的功率輸出模式與之匹配。當汽車需求功率大時，蓄電池能夠為動力系統提供功率，當汽車需求功率較小時，多余的功率能夠儲存在蓄電池中。以豐田HEV的工作原理為例，車輛啟動時，電動機驅動車輛，發動機不工作，這時油耗完全為零。巡航時，電動機休息，發動機工作，這時發動機能達到最經濟的工作狀態，加速時，電動機和發動機同時工作，通過電動機輔助發動機來實現節油。減速時，踩下制動踏板，此時發動機處于非工作狀態，電動機充當發電機的作用，將汽車制動時其他形式的能量轉化為電能，從而為蓄電池進行充電。

2.2 HEV的動力與經濟性指標分析? HEV的動力性指標主要由最高運行車速、加速能力和最大爬坡能力來衡量，是汽車在行駛狀態下綜合性能的重要體現。隨著汽車制造測試水平的不斷提高，綜合性能指標是汽車制造廠根據國家標準規定的試驗，通過樣車測試得大數據得出來的。HEV最高車速充分反映了在正常路況條件下，汽車所能行駛的最大速度。HEV的加速能力大小指汽車在行駛中單位時間內速度的變化快慢，通過大的加速度可以滿足行駛的要求。在標準體系中，用加速時間T和加速距離S來表示，衡量汽車原地起步性能和超車性能。爬坡能力指的是汽車在路況較好的情況下，HEV各項綜合性能指標正常的情況下，在低速檔行駛下所能爬行的最大坡度。為了確?；旌蟿恿ζ嚭侠淼男旭傂阅?，要求其具有高比能量，以確?；旌蟿恿ζ囘_到合理的行駛里程，具有高比功率，確保其加速和爬坡性能。串聯式HEV的動力源完全由電機驅動，內燃機發電機總成與蓄電池組提供電機所需要的動力源，電池工作狀態處于較高水平時，HEV對動力電池系統功率的要求與純電動汽車相似，不足之處是容量要低。并聯式HEV內燃機和電機都可以直接對車輪運轉提供持續的動力源，汽車行駛的動力源要求可以由不同的動力電池組組合滿足汽車的動力要求。當電池的容量比較小的時候，汽車動力電池組瞬時提供的功率要滿足汽車運行的基本要求。

3? 混合動力汽車的動力性參數研究

隨著汽車產業鏈的不斷升級改造，產品的不斷更新迭代，混合動力汽車將多種能量的轉換技術集于一體，這種混合減少了汽車尾氣排放，減低了燃油消耗。針對混合動力汽車動力性能的研究參數，采用多元函數定性分析方。通過路況測試分析動力總成參數，當駕駛員在變換檔位的時候能夠有效的控制發動機工作在最佳的工作擬合曲線上?？紤]到發動機的機械特性，發動機在低速和低轉矩下工作，適當減少燃油消耗，降低成本，提高汽車及零部件性能及壽命，通過能量回收，保持發動機節氣門開度，調節電機進行優化配置，如圖3為汽車運行速度與燃油消耗的變化曲線，以達到混合動力汽車對動力性能的要求[5]，通過技術改進和參數調整，真正實現具有高動力性能，低燃油消耗的新技術。

4? 混合動力汽車的動力性與經濟性參數匹配性

汽車動力性能參數優化是以汽車動力性與燃料經濟性模擬計算為基礎，通過分析汽車的動力性能指標和經濟性能指標，以汽車動力性要求為約束條件，多工況燃料經濟性為目標函數進行優化。以豐田系列的汽車為例，通過優化汽車變速器速比實現運行汽車在額定載荷下滿足動力性要求，達到最佳工況下燃料的經濟性指標。在新能源汽車中，混聯式混合動力汽車有三個動力輸出部件，即汽車發動機、電機驅動與主驅動電機，各部件工作狀態復雜，汽車在運行中需要對各個動力部件輸出動力源、動力的復合優化及分配進行控制。因此，研究對混合動力汽車控制策略路徑并實施控制策略[6]，通過汽車不同條件下的動力特性曲線分析，兼顧經濟性的最優原則，以汽車行駛速度等為參數進行模擬，得到發動機的最佳工況和整車的最佳運行狀態。

5? 總結

本文研究了混合動力汽車的動力性與經濟性匹配問題，通過分析動力性能和經濟性能指標，從而研究整車的最佳工況，優化控制策略。通過設定經濟性目標，選擇研究的混聯式混合動力汽車進行了動力模式的分析，及各個模式下的汽車發動機、電機驅動、主驅動電機的狀態模式及工作條件，得到通用性控制策略;通過對混合動力汽車發動機、電機驅動、主驅動電機的轉矩功率的輸出進行了定性分析，建立了動力部件轉矩輸出的控制策略，復雜動力系統實現優化。

參考文獻：

[1]郭海龍.基于行駛狀況識別的混聯式HEV多模式能量控制策略研究[D].廣東：華南理工大學，2013.

[2]彭金雷.純電動汽車整車控制策略研究[D].廣東：華南理工大學，2013.

[3]孫遠濤，王亮，等.混聯式混合動力汽車動力系統參數匹配的研究[J].黑龍江工程學院學報，2014，28（6）：21-28.

[4]周美蘭，張昊，等.混合動力電動汽車的動力系統參數設計與仿真[J].哈爾濱理工大學學報，2011，16（4）：36-39.

[5]Tsutomu Tashiro. Power management of a hybrid electric vehicle during warm-up periodconsidering energy consumption of cabin heat components[J]. IFAC-PapersOnLine.

[6]Zlatina Dimitrova， Francois Marechal. Energy integration study on a hybrid electricvehicle energy system， using process integration techniques[J].AppliedThermalEngineering.