新能源汽车节能机制研究

2019-10-17葛亮白国军林菁

汽车零部件 2019年9期

关键词：构型油耗车速

葛亮，白国军，林菁

(广东省珠海市质量计量监督检测所，广东珠海 519000)

0 引言

近年来随着政府大力推广混合动力客车，混合动力客车逐步得到各地公交公司的认可。混合动力客车替代传统客车的趋势越来越明朗，因此有必要对混合动力客车的节能机制做深入的研究。

1 公交车工况特点

1.1 工况功率特点

通过市场调研，得到多个城市的公交车运行工况数据。从中提取两个特征参数车速与各车速下需求的功率，可以把公交车的工况分为两类，以A公司为代表的P2形式和以B公司为代表的电机直驱形式，两者的工况特点明显不同，如图1—图2所示。

图1 P2构型各工况下车速与需求功率的关系

图2 电机直驱构型各工况下车速与需求功率的关系

P2形式的工况特点是：驱动功率随车速的增加而增加，制动功率也随车速的增加而增加；20 km/h以下功率需求在60 kW以下。

分析原因：受发动机特性影响，起步阶段发动机无法达到很高的转速，因此功率输出小。挡位从低速挡升到高速挡，升挡点越来越高，因此功率随着车速的升高而升高。

电机直驱形式的工况特点是：20 km/h以下，驱动功率随车速的增加而增加，20 km/h以上即可达到最大功率；制动功率随车速的增加而增加。

分析原因：这种特点由电机外特性决定，电机在较低转速就能达到峰值功率，因此功率输出大。

1.2 工况能量特点

车辆在行驶过程中，假设不考虑坡度和传动效率损失，能量被消耗在3个方面：克服风阻，克服滚阻，克服加速阻力。风阻与滚阻无法回收，但加速阻力变成动能，可以回收。表1是不同工况中加速阻力能耗在总阻力能耗中的占比。

表1 各工况消耗能量统计

在公交车工况中，加速阻力占比很大，基本在70%左右，节能潜力巨大。

2 变速器分析

电机与发动机的特性不同，因此对变速器的需求也不同，传统变速器会限制电机性能的发挥，因此由必要对变速器按电机的需求重新设计。

2.1 传统变速器的作用

发动机近似于等转矩特性，而整车对动力源的需求是等功率特性[1]，变速器的作用是将动力源的等转矩特性变成等功率特性。挡位越高，发动机转速越低，负荷率越大，效率越高，见图3。

图3 发动机匹配变速器后的外特性

2.2 发动机与电机特性对比

电机的特点是基速以下等转矩，基速以上等功率，基速比等于电机的最高转速比上基速，基速比一般为2～3[2]。同功率等级发动机与电机外特性对比如图4所示，同功率等级电机的峰值转矩是发动机峰值转矩的2～3倍。

图4 同功率等级发动机与电机外特性对比

电机同样无法单独满足车辆的需求，需要匹配变速器。

2.3 电机对变速器需求

同功率等级的电机只需要匹配一个速比分别为2和1的两挡变速器即可满足车辆功率需求，如图5所示。

图5 电机配两挡变速器与发动机配五挡变速器对比

3 混合动力客车节能机制

(1)取消怠速

怠速时，发动机除了为附件提供动力，不向外界输出的驱动动力，效率是0，取消怠速可以节能。

(2)制动能量回收

传统的制动过程是将车辆的动能转换成热能，无法再进行利用。电机可以在制动过程中将动能转化为电能储存起来，可以重新驱动车辆。

(3)发动机工作点调节

发动机通过工作点调节虽然可以工作于高效区，但额外的机械能要经过发电机、电池、电动机最后变成机械能，效率只有70%(=88%×95%×95%×88%)左右，发动机工作效率虽然提高，但系统效率是否提高应该具体分析，如公式(1)所示

(1)

式中：P、η为原工作点的输出功率和效率；P+ΔP、η+Δη分别为新工作点的输出功率和效率；γ为能量二次循环效率；η′为工作点调节后的总体效率。

如果发动机单独驱动，此时输出功率是P，则输入的功率是P/η。此时调节发动机工作点到输出功率是P+ΔP，则输入的功率是(P+ΔP)/(η+Δη)。增加的功率ΔP要经过二次转换再变成机械功率，因此只能输出γ·ΔP。工作点调节后输入的功率是(P+ΔP)/(η+Δη)，最终输出的功率是P+γ·ΔP。因此要比较η与η′的大小。

CA4DK万有特性如图6所示。这里分别选取几个具有代表性的发动机工作点，对比发动机工作点调节后总体效率的变化，如表2所示，发现发动机工作点调节并不能提高总体效率。分析原因是发动机工作点调节后发动机效率提高并不能弥补能量二次转换的损失。

图6 CA4DK万有特性

表2 发动机工作点调整后效率对比

因此调节工作点对节油不利。

(4)发动机小型化

为满足动力性，发动机具有较多的后备功率，这导致发动机日常使用区与高效区不重合。降低外特性后，发动机的高效区也随之向低功率区移动，与日常使用区趋于重合。但是由上面的分析可知，如果过度小型化，导致后备功率不足，需要电机经常助力，对经济性不利，如图7所示。

(5)发动机稳态工作

发动机的油耗由两部分组成，稳态油耗与动态油耗。稳态油耗体现在发动机map上，由发动机本体特性和部分控制决定。动态油耗由控制决定，发动机转矩响应越快，动态油耗越高。对于相同的车速变化，挡位越高对应的发动机转速变化越小，越趋于稳态。车辆在起步过程中，发动机的动态过程越剧烈，应该用纯电动起步。

图7 CA4DK与CA4DH在第三、四、五挡覆盖驱动功率的对比

4 节能措施

(1)低速纯电动

低速时驱动功率需求小，如果由发动机驱动负荷率低，由电机驱动可以抵消能量二次转换的损失，效率更高。

(2)中高速发动机单独驱动

中高车速时，发动机单独驱动比发动机工作点调节总体效率更高。

(3)用电量尽可能等于再生制动发电量

由于发动机发电会造成总体效率降低，纯电动和电动附件使用的电能尽可能来源于再生制动能量，减少发动机发电量。

(4)保证发动机稳态工作

由电机提供瞬态功率需求，使发动机的工作状态趋于稳定。

5 应用

根据以上分析，把以上的混合动力节能措施应用在第二代混合动力客车上，与B公司混合动力系统进行对比分析。

(1)构型

B公司构型(见图8)的特点是采用双电机无变速器构型，电机直接驱动车辆；缺点是受怠速限制，发动机只能在20 km/h以上才能驱动车辆，20 km/h以下必须纯电动或串联驱动，用电量大，对经济性不利。A公司二代构型(见图9)采用双电机+变速器构型，发动机可以在更低的车速下参与驱动，用电量少。

图8 B公司构型

图9 A公司二代构型

(2)性能对比

A公司二代构型在动力性与经济性方面更具优势，仿真结果见表3。

表3 整车动力性与经济性对比

(3)油耗分析

以大连工况为例，对油耗进行分析。

B公司构型发动机在20 km/h以上才能参与驱动，A公司二代构型的发动机在15 km/h以上参与驱动，因此把车辆消耗的总油耗按通途分解成(0～15) km/h的驱动油耗，(15～20) km/h的驱动油耗，20 km/h以上的驱动油耗，发电油耗和怠速油耗。由于(0～15) km/h两者均为纯电动，油耗为零，因此在图10中未列出。电耗也按上述用途分解，如图11所示，其中主电机发电代表制动能量回收。