高原环境对混合动力城市客车性能影响的分析*

申江卫，颜文胜，邢伯阳，彭劲松，李耀平，叶 明

(1.昆明理工大学交通学院，昆明 650224;2.北京理工大学，北京 100081;3.昆明云内动力股份有限公司，昆明 650224;4.昆明市科学技术局，昆明 650500)

前言

近年来，我国大力推广节能环保的混合动力汽车和纯电动汽车等新能源汽车。混合动力汽车的燃油经济性直接影响着其示范推广的规模和效果。

传统汽车燃油经济性评价方法主要有等速行驶工况法和循环行驶工况法。等速行驶工况法是用汽车在额定载荷下并以最高挡在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量来评价汽车的燃油经济性。由于等速行驶工况不能全面反映汽车的实际运行情况，特别是城市道路的频繁减速、加速、不熄火停车和起步换挡等行驶工况与等速行驶工况差异较大，因此需要制定一些典型的循环行驶工况来模拟汽车的城区实际运行情况。循环行驶工况对汽车的速度、加速度、行驶时间和距离等作了详细的规定，这种循环行驶工况包括在多种工况条件下汽车的燃油消耗状况，包括怠速、加速、换挡、匀速、减速和怠速等行驶工况，因此通常以循环行驶工况燃油消耗量作为汽车燃油经济性的评价指标［1－4］。

我国65%以上的地域为高原地区，混合动力汽车发动机的燃烧过程受高原地区大气压力和空气密度的影响，发动机的动力性、经济性和排放特性相应改变［5］。本文中针对混合动力城市客车，进行了平原和高原地区的循环行驶工况燃油经济性比对试验，以分析高原环境和不同起步方式对混合动力城市客车燃油经济性的影响，同时对试验过程中的能量变化进行了分析研究。

1 试验样车与试验方法

1.1 试验环境

平原地区循环行驶工况试验地点的海拔高度70m，大气压力100kPa，相对湿度60% ～70%，气温18～21℃，风速不大于3m/s。

高原地区循环行驶工况试验地点的海拔高度1 891m，大气压力81kPa，相对湿度50% ～60%，气温18～20℃，风速不大于3m/s。

1.2 试验样车

试验车辆为一辆混合动力城市客车，其主要结构和性能参数如表1所示。

表1 混合动力城市客车主要结构和性能参数

1.3 试验方法

混合动力城市客车模拟城市公交路段试验，在60%负载条件下进行循环行驶工况试验，平原地区和高原地区试验的加载质量皆为3 362kg，试验车辆总质量皆为15 268kg。采用测量质量的方法计算每循环燃油消耗量，并对车辆每循环行驶工况设定起步条件，试验过程中从CAN总线采集发动机、电机和电池的运行参数变化情况。循环道路行驶工况试验路段的设置如图1所示。

图1中A为循环行驶工况试验的起点，E为中点，I为终点，AB长170m，BC长30m，CD 长300m，DE长70m，EF长170m，FG长30m，GH 长300m，HI长70m，全长1140m。混合动力城市客车确定起步方式后从起点A起步，迅速加速至20km/h稳速行驶，到B点缓慢制动至5～10km/h后空挡滑行，车辆通过C点时迅速连续起步换挡加速至40km/h稳速行驶，到D点时缓慢制动至5～10km/h后空挡滑行，车辆通过E点时迅速连续起步换挡加速至30km/h稳速行驶，到F点时缓慢制动至5～10km/h后空挡滑行，车辆通过G点时迅速连续起步换挡加速至50km/h稳速行驶，到H点时缓慢制动至5～10km/h后空挡滑行，到终点I时停车熄火，完成一次循环行驶工况试验［6］。

分别在平原和高原地区采用相同试验条件进行了14次循环行驶工况试验(其中纯电动模式驱动起步6次，1挡起步4次，2挡起步4次)，每完成一次循环测量燃油消耗量。

2 试验结果与分析

2.1 经济性分析

2.1.1 高原环境对混合动力城市客车燃油经济性影响的分析

图2为平原与高原地区14次循环行驶工况试验每循环燃油消耗量的对比图。

试验结果表明:该混合动力城市客车在平原地区循环行驶工况试验中平均每循环燃油消耗量为306.14g，在高原地区循环行驶工况试验中平均每循环燃油消耗量为323.36g，较平原地区平均每循环耗油量增加5.62%，表明高原环境导致该混合动力城市客车经济性下降。

综合分析认为:该混合动力城市客车采用纯电动模式驱动起步、1挡起步和2挡起步时，发动机均处于工作状态，随着海拔高度的增加，大气压力明显降低，吸入发动机气缸内的空气密度减少，含氧量下降，对燃烧产生不利影响，因此混合动力汽车在高原地区运行时，整车燃油经济性相对变差，燃油消耗率上升。

2.1.2 电机助力能量与起步方式对混合动力城市客车燃油经济性影响的分析

对比研究不同起步方式对整车燃油经济性的影响，改善混合动力汽车驾驶习惯，有利于最大限度地发挥混合动力汽车的节油潜力。

图3和图4分别为平原地区和高原地区不同起步方式对每循环电机助力能量与燃油消耗量的影响关系，其中:1－3，12－14为纯电驱动起步;4－7为1挡起步;8－11为2挡起步。

试验结果表明:(1)在平原地区和高原地区，电机助力能量对每循环燃油消耗量均有较大影响，每循环燃油消耗量和电机助力能量朝相反的方向变化，电机助力能量越高，耗油量越低;(2)在电机助力能量变化较大的情况下，起步方式对该混合动力城市客车燃油经济性的影响未表现出明显的规律，在电机助力能量基本相同的情况下，纯电模式驱动起步时，每循环燃油消耗量略优于1挡起步和2挡起步，1挡起步和2挡起步时的每循环燃油消耗量则基本持平。

综合分析认为:(1)由于混合动力汽车主要依靠发动机和电机助力驱动车辆前进，电机助力能量越多，则发动机的经济性相应得到改善，因此每循环电机助力能量对燃油消耗量产生明显的影响;(2)在循环行驶工况试验中，纯电驱动起步方式较混合动力驱动起步方式的燃油消耗具有一定的改善作用，但影响较小，主要与纯电驱动起步在整个行驶工况中所占比例较少有关，要提高循环行驶工况的燃油经济性，优化车载动力电池容量、合理的制动方法以及选择城市道路频繁起停复杂工况路线等适应性研究尤为重要。

2.1.3 不同起步方式各参数运行状态分析

图5和图6分别为该混合动力城市客车纯电驱动起步和混合动力驱动起步过程中加速踏板、车速、发动机转速和电池助力能量等参数的变化。

从图中可以看出:(1)纯电驱动起步时，发动机处于怠速工作状态，不提供动力输出，完全靠动力电池提供能量驱动车辆起步，车辆速度达到20km/h后，缓慢踩下制动踏板，能量得到一定回收，当车辆第2次加速至40km/h期间，动力电池能量已明显不足，电池放电深度值达到约200W·h，主要由发动机提供车辆的动力输出;(2)混合动力驱动起步时，发动机与电机同时提供动力输出，车辆从20加速至40km/h期间，动力电池能量输出小于纯电驱动起步方式，电池放电深度达到170W·h左右，表明要保持同样的车速和时间需要更多的燃油消耗。

对上述综合分析认为:(1)纯电驱动起步方式，完全由动力电池深度放电驱动汽车加速至20km/h，发动机处于怠速工作状态，仍有一定的燃油消耗，但可达到部分负荷减小油耗的目的;(2)混合动力驱动起步方式，整个运行过程主要由发动机在较高转速下输出动力，驱动电机主要以助力的形式输出动力，因此燃油消耗相对较高;(3)超级电容的充电响应特性较好，制动能量回收具有明显的效果，但从上述电机助力能量与燃油消耗波动较大的试验结果表明，车载动力电池容量仍有进一步优化的潜力。

2.2 能量分析

电机助力与制动回收能量是混合动力汽车提升节油率的重要方式，循环行驶工况试验中动力电池的起始SOC值对电机助力能量有着重要的影响。

图7和图8分别为平原地区和高原地区循环行驶工况试验中不同起步方式下的每循环电机助力能量、制动回收能量与动力电池起始SOC值，由图可见:(1)平原地区14次循环行驶工况试验中的平均每循环制动回收能量为287.58W·h，每循环制动回收能量波动较小，平均每循环电机助力能量为246.27W·h，小于平均每循环制动回收能量;(2)高原地区14次循环行驶工况试验中平均每循环制动回收能量为288.43W·h，与平原地区平均每循环制动回收能量基本持平，每循环行驶工况制动回收能量波动较小，平均每循环电机助力能量为245.7W·h，与平原地区平均每循环电机助力能量基本相同，小于平均每循环制动回收能量;(3)每循环行驶工况试验电机助力能量波动较大，主要受每循环电池起始SOC值的影响，电池起始SOC值越高，则每循环电机助力能量越大，反之则越小。

综合分析认为:(1)制动回收能量在控制策略、回收效率和外界条件一致的情况下，基本不受高原环境的影响，主要受车辆行驶条件及驾驶员操作方式的影响［7］，循环行驶工况试验对车辆行驶过程进行了严格的规定，在试验条件基本相同的情况下，每循环制动回收能量没有明显波动;(2)由于行驶控制条件及驾驶员操作方式的差异，每循环行驶工况试验开始时，动力电池存储的能量不尽相同，导致每循环电机助力能量波动较大，主要受电池起始SOC值的影响，与电池的起始SOC值呈正比例关系;(3)无论在平原地区还是高原地区，平均每循环制动回收能量都大于平均每循环电机助力能量，表明在控制策略、能量转化效率和动力电池容量方面有进一步优化的潜力。

3 结论

(1)对该混合动力客车动力总成的转矩输出进行优化分配，使发动机和电机更好地协调工作，保证发动机始终运行在最佳工作区域，可适当改善该混合动力客车的燃油经济性。

(2)高原地区混合动力汽车推广应以强混合型为主，以降低高原环境对发动机工作过程的影响，改善高原地区混合动力汽车运行的经济性与动力性。

(3)城区内运行应选择车载动力电池容量较大的混合动力客车，增加纯电驱动运行时间，同时优化车辆快速起动过程以及减速断油过程控制策略，可显著提高混合动力汽车频繁启停工况运行时的燃油经济性。

(4)研究探索混合动力客车最合理的制动方式，提高能量回收效率，同时在电池允许的前提下，适当提高电池SOC预定高值，减少制动回收能量的浪费，提高制动回收能量的使用效率，对改善混合动力客车的燃油经济性具有明显的作用。

［1］廖祥兵，戴启清，胡小平，等.汽车不同行驶模式下的经济性模拟计算［J］.内燃机学报，2003，24(1):62 －64.

［2］陈龙.混合动力电动汽车动力性与经济性分析［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［3］李孟良，朱西产，张建伟，等.典型城市车辆行驶工况构成的研究［J］.汽车工程，2003，25(5):557 －560.

［4］李烨.城市道路的燃油经济性分析［J］.机械管理开发，2006(6):116－117.

［5］颜文胜，申立中，雷基林，等.不同大气压力和乙醇/柴油混合掺比对柴油机性能和排放的影响［J］.内燃机学报，2007，25(6):539－544.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.GB/T 19754—2005重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2005.

［7］唐鹏.电动汽车制动能量回收的分析与研究［D］.安徽:合肥工业大学，2007.