混合动力汽车动力性与经济性匹配关键技术的研究

郭建宏

摘要： 混合动力汽车作为汽车发展的一种新趋势，具有动力性能好，节能环保等优点。目前，国内混合动力汽车所占市场份额逐年增大，对混合动力汽车动力与经济性研究具有重要价值。本文通过研究混合动力汽车的动力性能与经济性能的匹配问题，在不同车速及路况下进行动力切换，通过动力性与经济性匹配的优化研究，分析控制策略和实施方案。

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.

关键词： 混合动力;动力性与经济性;优化研究

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

中图分类号：U461.2                   文献标识码：A               文章编号：1674-957X（2021）17-0056-02

1  研究背景和意义

近年来，随着我国现代汽车產业链的不断发展，人类所面临的环境压力及能源短缺也日益严峻。当下发展混合动力汽车是当前我国应对能源短缺、优化环境保护，实现汽车产业链升级的重要措施。未来汽车领域研究和发展的方向趋于新能源汽车，在关键领域研发混合动力汽车及纯电动汽车技术。目前国内各大汽车制造商加了对混合动力汽车的研发，但汽车的动力及燃油经济性较差。因此，开发出动力性能好，燃油消耗低等综合性能优的混合动力汽车，具有服务于经济发展的研究意义和战略价值。

2  混合动力汽车的发展现状及前景

随着国民经济的不断发展和技术产业革命，混合动力汽车是我国汽车行业发展的新趋势[1]，如今新能源技术应用、节能减排已成为经济社会可持续发展的热点话题，我国要实现2030年前碳达峰和2060年前实现碳中和，新能源技术在汽车上的应用很好地契合了社会的发展需求。目前，我国在新能源汽车的研发过程中，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为主的研发布局，通过产学研紧密合作，校企共商，以动力汽车整车为模型，进行动力性能与经济性能的仿真，对变速器速比进行优化，不断提高汽车的经济性。确立了纯电动汽车、混合动力汽车[2]、燃料电池汽车为“三纵”，以电动机驱动系统、整车控制系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的科研系统，促使我国混合动力汽车的研发取得了较多的成果与进展。电池、发动机、电控系统以及整车控制是混合动力汽车的关键技术，汽车在运行时发动机与电动机的动力转换、油电混合率是目前混合动力汽车研发的重点内容。通过对汽车燃油消耗量的研究，根据汽车的运行转态，运行条件等因素综合考虑，分别研究了不同质量段，不同品牌车系的燃油消耗评价体系标准。如图1为主要国家乘用车燃料消耗量的变化趋势。从图中可知我国的乘用车燃油消耗量呈现逐年大幅下降的趋势，而且世界上大多数国家乘用车燃油消耗量也不断下降。混合动力汽车作为未来汽车产业链的发展方向，为了满足经济性和动力性的要求，燃料消耗量这一评价指标将不断下降。

2.1 HEV的分类及工作原理  混合动力汽车是由控制系统，驱动系统，辅助动力系统和电池组等部分构成。在汽车行驶之初，蓄电池处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆的要求，车辆匀速起步，辅助动力系统不工作，当电池电量低于60%时，辅助动力系统启动，当车辆需求能量较大时，辅助动力系统和蓄电池同时为驱动系统提供能量。当车辆需求能量较低时，辅助动力系统不仅给车辆提供能量，还为蓄电池进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，也改善了车辆排放系统。根据汽车驱动系统的不同，HEV可分为串联、并联和组合式3种模式，国产的混合动力汽车大多都采用电力驱动与热能系统混合工作的模式[3]，利用电能等其他形式的能量作为汽车动力驱动汽车，如图2为混合动力汽车的基本工作原理。HEV根据汽车不同的行驶状况选择不同的发动机工况[4]，汽车发动机与蓄电池的工作转态有不同的组合模式，通过不同的组合模式满足驱动车辆的功率需求。当汽车选择组合动力模式，根据汽车的行驶状况，选择不同的功率输出模式与之匹配。当汽车需求功率大时，蓄电池能够为动力系统提供功率，当汽车需求功率较小时，多余的功率能够储存在蓄电池中。以丰田HEV的工作原理为例，车辆启动时，电动机驱动车辆，发动机不工作，这时油耗完全为零。巡航时，电动机休息，发动机工作，这时发动机能达到最经济的工作状态，加速时，电动机和发动机同时工作，通过电动机辅助发动机来实现节油。减速时，踩下制动踏板，此时发动机处于非工作状态，电动机充当发电机的作用，将汽车制动时其他形式的能量转化为电能，从而为蓄电池进行充电。

2.2 HEV的动力与经济性指标分析  HEV的动力性指标主要由最高运行车速、加速能力和最大爬坡能力来衡量，是汽车在行驶状态下综合性能的重要体现。随着汽车制造测试水平的不断提高，综合性能指标是汽车制造厂根据国家标准规定的试验，通过样车测试得大数据得出来的。HEV最高车速充分反映了在正常路况条件下，汽车所能行驶的最大速度。HEV的加速能力大小指汽车在行驶中单位时间内速度的变化快慢，通过大的加速度可以满足行驶的要求。在标准体系中，用加速时间T和加速距离S来表示，衡量汽车原地起步性能和超车性能。爬坡能力指的是汽车在路况较好的情况下，HEV各项综合性能指标正常的情况下，在低速档行驶下所能爬行的最大坡度。为了确保混合动力汽车合理的行驶性能，要求其具有高比能量，以确保混合动力汽车达到合理的行驶里程，具有高比功率，确保其加速和爬坡性能。串联式HEV的动力源完全由电机驱动，内燃机发电机总成与蓄电池组提供电机所需要的动力源，电池工作状态处于较高水平时，HEV对动力电池系统功率的要求与纯电动汽车相似，不足之处是容量要低。并联式HEV内燃机和电机都可以直接对车轮运转提供持续的动力源，汽车行驶的动力源要求可以由不同的动力电池组组合满足汽车的动力要求。当电池的容量比较小的时候，汽车动力电池组瞬时提供的功率要满足汽车运行的基本要求。

3  混合动力汽车的动力性参数研究

随着汽车产业链的不断升级改造，产品的不断更新迭代，混合动力汽车将多种能量的转换技术集于一体，这种混合减少了汽车尾气排放，减低了燃油消耗。针对混合动力汽车动力性能的研究参数，采用多元函数定性分析方。通过路况测试分析动力总成参数，当驾驶员在变换档位的时候能够有效的控制发动机工作在最佳的工作拟合曲线上。考虑到发动机的机械特性，发动机在低速和低转矩下工作，适当减少燃油消耗，降低成本，提高汽车及零部件性能及寿命，通过能量回收，保持发动机节气门开度，调节电机进行优化配置，如图3为汽车运行速度与燃油消耗的变化曲线，以达到混合动力汽车对动力性能的要求[5]，通过技术改进和参数调整，真正实现具有高动力性能，低燃油消耗的新技術。

4  混合动力汽车的动力性与经济性参数匹配性

汽车动力性能参数优化是以汽车动力性与燃料经济性模拟计算为基础，通过分析汽车的动力性能指标和经济性能指标，以汽车动力性要求为约束条件，多工况燃料经济性为目标函数进行优化。以丰田系列的汽车为例，通过优化汽车变速器速比实现运行汽车在额定载荷下满足动力性要求，达到最佳工况下燃料的经济性指标。在新能源汽车中，混联式混合动力汽车有三个动力输出部件，即汽车发动机、电机驱动与主驱动电机，各部件工作状态复杂，汽车在运行中需要对各个动力部件输出动力源、动力的复合优化及分配进行控制。因此，研究对混合动力汽车控制策略路径并实施控制策略[6]，通过汽车不同条件下的动力特性曲线分析，兼顾经济性的最优原则，以汽车行驶速度等为参数进行模拟，得到发动机的最佳工况和整车的最佳运行状态。

5  总结

本文研究了混合动力汽车的动力性与经济性匹配问题，通过分析动力性能和经济性能指标，从而研究整车的最佳工况，优化控制策略。通过设定经济性目标，选择研究的混联式混合动力汽车进行了动力模式的分析，及各个模式下的汽车发动机、电机驱动、主驱动电机的状态模式及工作条件，得到通用性控制策略;通过对混合动力汽车发动机、电机驱动、主驱动电机的转矩功率的输出进行了定性分析，建立了动力部件转矩输出的控制策略，复杂动力系统实现优化。

参考文献：

[1]郭海龙.基于行驶状况识别的混联式HEV多模式能量控制策略研究[D].广东：华南理工大学，2013.

[2]彭金雷.纯电动汽车整车控制策略研究[D].广东：华南理工大学，2013.

[3]孙远涛，王亮，等.混联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究[J].黑龙江工程学院学报，2014，28（6）：21-28.

[4]周美兰，张昊，等.混合动力电动汽车的动力系统参数设计与仿真[J].哈尔滨理工大学学报，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.