混合动力系统发动机工况点优化的标定实现

马明霞，桂经良，孙立鹏，宁廷会

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

混合动力系统较传统动力总成系统增加了电机、电池。使发动机工况点可以在发动机、电机、电池限制范围内实现扭矩解耦，优化整车经济性［1-2］。下面给出一种以燃油消耗最低为目的的混合动力系统发动机工况点调整方法。本文以单轴并联系统的应用为例介绍，方法可以扩展到满足电机调节发动机工况点的相应系统中。

1 发动机工况点调整情况分类

单轴并联系统结构如图1所示，在此不介绍变速器换挡的优化方法，只介绍利用电机、动力电池对发动机工况点的调整方法的标定实现。发动机热效率［3］在全工作区间一般是平顺变化的，在定转速、扭矩变化大于某一定值的情况下，存在单位时间油耗量随功率升高而升高、随功率降低而降低的趋势。计算可优化范围内所有离散工况点的等效燃油消耗率，根据等效燃油消耗率结合零部件动态路径，合理优化发动机工况点［4-5］。

图1 单轴并联系统结构

对于单轴并联系统［6-8］，发动机工况点只具有扭矩优化维度，扭矩优化又分两种情况：发电——通过电机发电提高发动机负荷；助力——通过电机助力降低发动机负荷。助力又分为两种情况：变速器输入轴需求超过发动机外特性，电机已经助力，为改善发动机工况点继续助力；变速器输入轴需求没有超过发动机外特性，为改善发动机工况点电机助力。下面对上述情况详细说明，发动机初始工况点及改变后工况点相对位置如图2所示。

2 发动机工况点调整-发电

不经过扭矩优化，发动机工况点处于中低负荷时，发动机热效率偏低，使电机处于发电状态，提高发动机负荷，从而提高发动机热效率。基于发电等效燃油消耗率合理调整发动机发电工况。发电等效燃油消耗率计算原理如下。

1）发动机初始工况点A（nSpdA，TTrqA），电机发电调整发动机工况点为B（nSpdA，TTrqB）。

图2 发动机工况点相对位置

式中：ΔT——电机发电扭矩，Nm；TTrqB——调整后发动机工况点扭矩，Nm；TTrqA——初始发动机工况点扭矩，Nm。

2）基于发动机万有数据，工况点A 1s内对应的油耗量mAkg，工况点B 1s内对应油耗量mBkg。

3） 电机发电工况点C（nSpdA，ΔT），得到

式中：WBatt_chagC——动力电池充电量，kWh；nSpdA——初始发动机工况点转速，r／min；ηTM_GenC——C点电机发电效率；ηBatt_chagC——C点电池充电效率。

4）得到发电等效燃油消耗率：

式中：KGen——发电等效燃油消耗率，g／kWh；mB——调整后发动机工况点油耗量，kg；mA——初始发动机工况点油耗量，kg。

5） 发动机转速nSpd_ini，变化范围nmin～nmax（nmax由发动机、电机转速决定），变化步长ΔnSpd，发动机转速nSpd_ini对应的扭矩初始值TTrq_ini，变化范围Tmin～Tmax（Tmax由此时发动机转速对应发动机外特性扭矩决定），变化步长ΔTTrq。对于所有发动机初始点，发电扭矩变化范围TGen_min～TGen_max（TGen_max由发动机、电机、动力电池数据决定），变化步长ΔTGen。

6）得到Ncount_gen个以发动机初始扭矩需求、电机发电扭矩为横纵坐标、以电机发电等效燃油消耗率为输出的基础MAP。

式中：Ncount_gen——发电等效燃油消耗率计算用转速点个数；nmax——设定发动机转速最大值，r／min；nmin——设定发动机转速最小值，r／min；ΔnSpd——转速变化步长，r／min。

7）得到优化范围内所有发电等效燃油消耗率KGen。KGen表示发动机给电池充电1kWh消耗的发动机油耗KGeng。KGen越小，对应发电效率越高。

3 发动机工况点调整-助力

3.1 初始工况点未超过发动机外特性

如何合理分配混合动力系统中能量回收及发电电量，即如何通过电机助力来调整发动机工况点。在单轴并联系统中，模式切换 （纯电动模式到混动模式的切换）是电机助力的一种特殊情况——电机完全助力。当初始工况点未超过发动机外特性时，电机助力等效燃油消耗率计算原理如下。

1）发动机初始工况点A（nSpdA，TTrqA）。电机助力后发动机工况点为D（nSpdA，TTrqD）。

式中：ΔTN——电机助力扭矩，Nm；TTrqD——调整后发动机工况点扭矩，Nm。

2）基于发动机万有数据，工况点D 1s内对应油耗量mDkg。

3） 电机助力工况点E（nSpdA，ΔTN）。

式中：WBatt_DishcagE——动力电池放电量，kWh；ηTM_MotE——E点电机电动效率；ηBatt_DishcagE——E点动力电池放电效率。

4）得到初始工况点未超过外特性时，电机助力等效燃油消耗率：

式中：KMot_N——初始工况点未超过外特性时，电机助力等效燃油消耗率，g／kWh；mD——调整后发动机工况点油耗量，kg。

5） 发动机转速nSpd_ini，变化范围nmin～nmax，变化步长ΔnSpd。发动机转速nSpd_ini对应的扭矩初始值TTrq_ini，变化范围Tmin～Tmax（Tmax由此时发动机转速对应发动机外特性扭矩决定），变化步长ΔTTrq。对于所有发动机初始点，电机助力扭矩变化范围TMot_min～TMot_max（TMot_max由发动机初始点、电机、动力电池数据决定），变化步长ΔTMot。

6）得到Ncount_mot_N个以发动机初始扭矩需求、电机助力扭矩为横纵坐标、以电机助力等效燃油消耗率为输出的电机助力基础MAP。

式中：Ncount_mot_N——初始工况点未超过发动机外特性时，助力等效燃油消耗率计算用转速点个数。由于在助力等效燃油消耗率计算中采用与发电等效燃油消耗率相同的转速划分方式，所以基础MAP个数相同，实际应用中可根据需求改变。

7）得到优化范围内所有电机助力等效燃油消耗率KMot_N。电机助力等效燃油消耗率表示动力电池放电1kWh替代的发动机油耗KMot_Ng。KMot_N越大，对应电机助力效率越高。

3.2 初始工况点超过发动机外特性

当初始工况点超过发动机外特性时，电机助力等效燃油消耗率计算原理如下。

1） 变速器输入端初始工况点F（nSpdF，TTrqF），此时对应发动机外特性G（nSpdF，TTrqG）。

式中：ΔTz_ini——电机强制助力扭矩，Nm；TTrqF——变速器输入端初始工况点扭矩，Nm；TTrqG——转速nSpdF对应的发动机外特性扭矩，Nm。

2）在发动机外特性G的基础上，电机持续助力调整发动机工况点为H（nSpdF，TTrqH）。

式中：ΔTZ-Trq——电机持续助力扭矩，Nm；TTrqH——调整后发动机工况点扭矩，Nm。

此时电机工况点I（nSpdF，TTrqI）。

式中：TTrqI——电机助力扭矩，Nm。

3）基于发动机万有数据，发动机外特性G点1s内对应的油耗量mGkg，持续助力后发动机工况点H点 1s内对应油耗量mHkg。

4）当初始工况点超过外特性时：

式中：WBatt_Dishcag_ini——电机强制助力的动力电池放电量，kWh；nSpdF——初始点发动机转速，r／min；ηZ_ini——电机强制助力时电动效率；ηBatt_Dishcag_ini——此时电池放电效率。

式中：WBatt_DishcagI——调整工况点后，电机助力消耗的动力电池放电量，kWh；ηZ_MotI——持续助力后，电机电动效率；ηBatt_DishcagI——持续助力后，电池放电效率。

5）初始工况点超过发动机外特性时，电机持续助力等效燃油消耗率：

式中：KMot_Z——初始工况点超过发动机外特性时，电机助力等效燃油消耗率，g／kWh。

6） 发动机转速nSpd_ini，变化范围nmin～nmax，变化步长ΔnSpd。发动机转速nSpd_ini对应电机强制助力扭矩TTrq_ini变化范围Tmin～TMot_ini_max（TMot_ini_max由发动机、电机、动力电池数据决定），变化步长ΔTTrq。强制助力后，电机持续助力扭矩变化范围TMot_min～TMot_max_Z（TMot_max_Z由强制助力点、发动机、电机、动力电池数据决定），变化步长ΔTMot。

7）得到Ncount_mot_Z个以强制助力扭矩、持续助力扭矩为横纵坐标、以电机助力等效燃油消耗率为输出的电机助力基础MAP。

式中：Ncount_mot_Z——初始工况点超过发动机外特性时，助力等效燃油消耗率计算用转速点个数。由于在助力等效燃油消耗率计算中采用与发电等效燃油消耗率相同的转速划分方式，所以基础MAP个数相同，实际应用中可根据需求改变。

8）得到优化范围内所有电机持续助力等效燃油消耗率KMot_Z。电机持续助力等效燃油消耗率表示动力电池放电1kWh替代的发动机油耗KMot_Zg。KMot_Z越大，对应电机持续助力效率越高。

4 标定实现

基于电机发电等效燃油消耗率MAP、初始工况点未超过发动机外特性时电机助力等效燃油消耗率MAP、初始工况点超过发动机外特性时电机持续助力等效燃油消耗率MAP，混合动力系统运行特定要求工况下，要求电池电量保持平衡［9-10］，则：

式中：W发电——特定工况下，发动机发电到动力电池总能量，kWh；W制动——特定工况下，动力电池制动回收总能量，kWh；W助力——特定工况下，电机助力动力电池消耗总能量，kWh。

在特定运行工况下，W制动在固定的制动回收策略标定下为固定值。如果W制动小于强制助力能量，则首先选择满足强制助力能量的最小KGen对应的发动机发电工况点。

1） 此时KGen值为KGen_min，KGen_min大于等于KMot_N和KMot_Z，则

式中：KGen_min——满足强制助力能量的最小发电等效燃油消耗率，g／kWh；NumGen、NumMot——需要计算的发电、助力等效燃油消耗率基础MAP个数；ΔK——发电、助力等效燃油消耗率变化步长，g／kWh。

基于运行工况，得到KGen_min+i×ΔK（i=1∶1∶NumGen） 对应的扣除强制发电能量后的WGen_i，KMot_max+j×ΔK （j=1∶1∶NumMot） 对应的助力能量WMot_j。根据式 （18）得到经济性最优时iOpti、jOptj，并得到此时经济性最优时，发电等效燃油消耗率KGen_Opti=KGen_min+iOpti×ΔK，助力等效燃油消耗率KMot_Opti=KMot_max-jOptj×ΔK。系统仅选取最小发电等效燃油消耗率KGen_min对应的发动机工况点调整。

2） 此时KGen_min值小于KMot_N或KMot_Z，设定KMot_max=max（KMot_N，KMot_Z），则以ΔK为步长，选取满足式 （17）的正整数NumGen，NumMot。

如果W制动大于等于强制助力能量，则KGen_min为运行工况中实际对应的最小发电等效燃油消耗率。经济性最优时，发电、助力等效燃油消耗率的计算过程遵循上述1）2）3）步。选取KGen_Opti、KMot_Opti对应的发动机发电、助力工况点，如果某一转速、某一初始扭矩下，确定的等效燃油消耗率对应两个及以上的发电扭矩／助力扭矩，选取扭矩最大值。

仅考虑KGen_Opti、KMot_Opti得到的发动机工况点调整策略是动力总成稳态情况下的最优值，存在以下两个问题：①得到稳态最优值，受发动机动态油耗的影响，不一定是动力总成动态运行最优值。②等效燃油消耗率为非线性离散数据，导致选取扭矩MAP存在与周围数据相差极大的奇异点。

针对上述问题，给出扭矩分配初始MAP的修正方法：①综合考虑变化后最终发动机工况点落点，及调整后工况点相对于周围工况点的变化率来适当修正扭矩分配初始MAP。即考虑动力总成在此工况点的动态变化，解决动态性能与稳态性能的差异。②根据动力总成动态响应能力及避免频繁电机状态切换删除奇异点。

5 应用实例

本文以16.5t单轴并联公交车系统为例，对比发动机工况点按照等效燃油消耗率调整前后的实车道路气耗。单轴并联公交车动力总成配置参数见表1。

表1 动力总成配置参数

国标GB／T 19754-2015［11］规定了该车型的试验工况CCBC及试验方法。CCBC运行工况如图3所示。

图3 CCBC工况

标定前后实车道路测试发动机工况点如图4、图5所示。

图4 标定前发动机工况点

图5 标定后发动机工况点

根据气耗结果，基于等效燃油消耗率调整发动机工况点，使气耗降低2.1m3／100km，有效提高整车经济性。

6 结论

本文基于等效燃油消耗率，提出一种调整混合动力系统发动机工况点的方法。结合发动机、电机零部件动态性能实现标定，并通过实车道路试验进行验证，结果表明，该方法有助于降低油耗，提高整车经济性。

（编辑 杨 景）