杨春龙

(菲亚特克莱斯勒动力科技研发(上海)有限公司,上海 201851)

随着汽车保有量的不断增加，汽车工业已经逐步发展成为我国实体经济的产业支柱.汽车在提供便利的同时也造成了巨大的环境污染问题[1].为加快节能减排的进程，发展新能源汽车成为当下世界各国汽车产业发展的重要任务.混合动力汽车兼具纯电动汽车和传统内燃机车的优势，是短期内新能源汽车发展的主导力量[2].在众多混合动力系统架构中，增程式或者称之为串联混动的架构有诸多优点.比如，增程式架构布局简单；可以实现发动机转速、转矩和车轮转速转矩的完全解耦，从而省去传统意义上的变速器；始终纯电驱动，拥有极好的驾驶性和动力响应特性.文中以某款增程式混合动力乘用车为研究对象，通过优化发动机运行参数和整车控制策略，使其排放标准达到国家六阶段排放法规[3]的要求.

1 车辆

1.1 车辆动力总成架构及主要参数

文中所涉及的增程式混合动力乘用车动力系统架构示意图如图1所示.该车驱动部分来自布置在前后轴的两台永磁无刷电机，前轴驱动电机最大功率100 kW,后轴驱动电机最大功率140 kW.整车控制器可以根据实时的路面情况和驾驶员动力需求自动分配前后轴电机扭矩.驱动电机与车轴之间通过一个固定齿比的单速减速器进行连接，无传统意义上的多挡位变速器，简化了整套动力系统的装配复杂度，降低了控制难度.发动机飞轮端输出轴与发电机输入轴之间通过一套扭转减震变速装置连接在一起，二者组成一套增程器.增程器最大输出功率被电控系统限制在60 kW.动力锂电池容量为40 kW·h，车辆在充满电的情况下可以纯电行驶超过150 km.

图1 增程式乘用车动力系统架构示意图

1.2 车辆运行模式介绍

之所以开发增程式混合动力汽车，是为了解决现阶段纯电动汽车本身存在的诸多问题.比如动力电池容量有限导致续航里程短、里程焦虑、无固定停车位充电不方便、充电时间长等.增程式混合动力汽车严格来说还是纯电驱动的汽车，具有和纯电动车同样出色的驾驶体验，只是有了增程器的加持可以通过内燃机做功带动发电机发电，做到随时随地补充电能，能够很大程度消除上面提到的纯电动汽车的诸多弊端.因此，增程式电动车的设计初衷是有电时尽量用动力电池存储的能量来驱动车辆，节能环保噪音低.只有当动力电池电量不足或者需要大功率输出时，才起动增程器使车辆可以正常行驶，增加续驶里程.

文中所涉及的增程式混合动力乘用车整车运行模式有两种：增程模式和混合动力模式.增程模式优先用电，只有当动力电池SOC低于系统设置的30%时才起动增程器.同时，通过整车能量管理策略，保持住该SOC值不掉落，也即排放法规中定义的电量保持模式(CS)[3].混动模式是在动力电池SOC约60%时就起动增程器，电池保持充足的电量有利于提升整车的动力性能.驾驶员可以通过手动的方式在这两种模式间进行切换.

2 排放优化

2.1 汽油发动机排放物生成机理

对于汽油发动机来说，排出来的有害气体污染物主要包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(THC、NMHC)和氮氧化物(NOx).国六排放法规还对颗粒物的质量(PM)和数量(PN)进行了严格限制[2].由于PM和PN属于固态污染物范畴，文中暂不做讨论.

CO是不完全燃烧的产物，发动机起动和运行过程中，混合气偏浓是产生CO的最直接原因.

THC和NMHC也是由于燃料不完全燃烧造成的，而且主要集中在冷起动阶段.

2.2 冷起动对排放的影响

表1是该车型在全球统一的轻型车测试循环(WLTC)[3]中各个阶段气体污染物及总气体污染物排放结果统计.结合前面2.1节的理论分析和表1实际的试验数据，可以很直观的看出：冷起动阶段是气体污染物形成最主要的时机，在总排放结果中占据了非常高的比例.图2是气体污染物在完整的WLTC循环中实际的模态分布.图3是将冷起动阶段气体污染物模态数据局部放大后的效果.

表1 WLTC循环气体污染物排放结果统计 mg/km

从图2的模态分布中可以很清楚的看到，绝大多数气态污染物均出现在冷起动及之后的几十秒钟.因此，优化排放的重点就是优化冷起动阶段发动机各项运行参数，使油、火、气3者的配合恰到好处.试验证明冷起动排放物控制得好，可以起到事半功倍的效果.

图2 WLTC循环气体污染物模态分布

2.3 冷起动减排策略

表1的排放结果统计数据表明，在整个WLTC排放循环中，气体污染物在冷起动阶段几乎占到整个排放循环总量的75%～90%.因此，排放工作的重点就是要控制冷起动阶段排放物的产生[5].

图3 冷起动阶段气体污染物模态数据

冷起动阶段气体排放物之所以高，无外乎以下3种原因：①为了更容易起动，发动机电脑检测到冷起动时会喷入比理论空燃比浓得多的燃油，这就导致有大量的汽油无法和空气充分混合从而造成不完全燃烧；②发动机气缸内壁温度低，热态的火焰或燃油颗粒接触到冷的气缸壁形成淬熄效应，加剧不完全燃烧的倾向；③三元催化器床温无法快速达到最佳工作温度，转化效率低下.

首先，为了控制I型排放，发动机电脑软件逻辑需要专门针对常温(20～30 ℃)范围内的起动空燃比进行精细调整和标定.太浓，容易出CO及THC；太稀，会造成起动困难、失火等不良反应.图4是该车型25 ℃冷起动时实际的空燃比曲线.

针对冷起动阶段的空燃比优化，首先要在发动机尽量靠近催化器的位置，加装宽裕氧传感器采集设备，以便可以记录发动机起动后实际空燃比情况.通过大量的试验数据，基本上可以得出不同排量发动机起动后最浓空燃比和稳定后的空燃比范围，如表2所示.

表2 不同排量发动机起动最浓最稀空燃比范围

通过图4的实际空燃比曲线可知，该车型在冷起动后最浓空燃比约为14.19，稳定后到燃油系统进入闭环调节前上升到14.58附近，接近理论空燃比.此外，要尽可能早地让燃油系统进入闭环及理论空燃比，这样才能保证发动机有良好的燃烧环境.如上图4所示，该车型在起动后26 s进入闭环，并及时将期望空燃比从浓状态过度到理论空燃比.无数理论和试验数据证明，汽油发动机只有运行在理论空燃比附近才可以使排放最好.

图4 冷起动阶段空燃比控制

其次，可以通过增加排气量、推迟点火的方式让三元催化器的床温迅速升高.三元催化器通常是指含有铂(pt)、钯(pd)、铑(Rh)3种贵金属涂层，然后,通过特殊工艺将涂层附着在陶瓷做成的蜂窝状的载体中，最后嵌入在钢结构外壳内.

在尾气净化过程中，铂和钯主要起催化CO和THC的作用，而铑主要起催化NOx的作用.目前工程上实际应用的三元催化器上是没有铂元素的，通过钯和铑按照一定的比例进行配比来达到净化尾气的作用.三元催化器剖视图和实物图如图5所示.

图5 三元催化器

三元催化器的转化率和载体床温、空燃比(或称之为过量空气系数λ)直接相关.图6所示为该车型上实际应用的催化器转化率和床温的关系曲线，图7为转化率和空燃比的关系曲线.

图6 催化转化率和床温的关系

图7 催化转化率和空燃比的关系

从图6可以很清晰的看出，该车型所搭载的三元催化器床温大概从270 ℃开始,转化率成指数级上升，到350 ℃及以上温度时,转化率变得极高.

从发动机控制角度来说，常温冷起动后，为了使催化器床温尽快升高，通常采取如下办法：①适当提高怠速转速；②在保证发动机燃烧稳定性前提下，尽可能的推迟点火提前角，让发动机产生后燃，有利于排气温度的提升；③增加储备扭矩，这样可以增加进排气量，进一步加快排气温度的上升.

图8是该车型常温25 ℃起动后实际的催化器床温上升曲线.

图8 冷起动后催化器床温变化曲线

如上图8所示，发动机起动后，发动机电脑(ECU)主动向整车控制器(VCU)发送暖气请求，对应上图8最下面的“催化器起燃标志”.VCU收到该请求后,进入暖机运行工况.由于该车型发动机不参与驱动，如果暖机过程单纯运行在怠速工况,那么就会造成进气流量非常小，无法实现快速升温.经过多次试验，最终确定了以一个相对合适的扭矩运行.这样不仅可以实现快速暖机，同时，还可以将发动机输出功率以发电的形式存入电池，提高了能量利用率.

上图8中，在发动机起动大约69 s后,ECU请求退出起燃.前面讲到，为了使催化器床温尽快升高，通过提高转速、推迟点火角和增加进排气流量的方法.但是这些方法从燃烧理论来说都是极其不经济的，因此,当系统监测到催化器床温已经达到催化器转化效率高的温度后,要及时退出暖机工况，让VCU进行正常的扭矩请求来维持动力电池SOC，同时尽可能的运行在发动机高效率区间，有利于节能减排.

3 电量平衡控制策略

国家环保部门对混合动力汽车的排放测试有专门的测试方法，具体可查阅参考文献[1].文中所涉及的增程式混合动力乘用车，按照文献[1]的车型划分，应该归属为插电式混合动力汽车，因此，所有有关排放的控制策略和试验方法应该和插电式混合动力汽车保持一致.前面已经提到，该车在动力电池SOC较高时优先用电，当动力电池SOC降低到一定程度时起动发动机来补充整车需求能量.国六排放法规规定，当车辆运行在电量保持模式(CS)时，排放循环和能耗循环始末动力电池SOC数值应保持在同一水平上，否则视为不合格，无法拿到国家环保部门签发的排放和能耗合格证书.

一般来说，增程式电动车的电量保持模式(CS)有两种策略:一种是定点式发电策略；另外一种是功率跟随策略.

定点发电策略主要是根据所搭载的发动机万有特性图，根据车辆所需功率不同，在万有特性图上找到最佳热效率的多个工况点.当车辆需要起动发动机时，尽可能地将发动机运行工况固定在先前选取的工况点附近，以获得最大的燃油经济性.但是这种策略的缺点就是发动机运行工况无法很好地跟随驾驶员驾驶意图.无论驾驶员加速还是减速，发动机的运行工况是相对固定的.还有就是当车速比较低时，由于发动机的高效区基本上是在中高负荷中高转速，如果此时需要起动发动机，那么噪音和震动就会相对比较大，主观感受会比较差.因此，定点发电策略多用在商用车或者对整车NVH要求不高的车型上.

功率跟随策略，顾名思义就是发动机运行工况跟整车功率需求的变化是类似线性相关的.驾驶员踩加速踏板加速，发动机转速和负荷跟着增加；相反，驾驶员减速时，发动机转速和负荷也随之减小.这样做的好处是可以使整车的噪声振动与舒适性(NVH)得到全面优化，类似传统单纯依靠内燃机驱动的车辆，主观感受要好于定点发电式.但该策略的缺点同样也很明显，就是发动机运行在高效区的时机比较有限，影响整车油耗.

文中所涉及的车型为了更好的兼顾整车NVH性能，牺牲了部分燃油经济性而选取了功率跟随策略.图9所示为该车WLTC排放循环电量保持模式(CS)发动机实际运行工况点集合.从图9可以很清楚地得出以下结论：

1)发动机转速在1 200 r/mim附近，横轴转速不变，纵轴扭矩变化，此区域是催化器起燃和发动机暖机、小功率发电的主要运行工况.

2)发动机转速在2 800 r/mim以前无法工作在热效率最高的区域.

3)发动机转速在2 800 r/mim～3 800 r/mim区间，可以工作在最低油耗率为240 g/(kW·h)的高效区.

图9 WLTC排放循环电量保持模式发动机运行点

4 结 论

1)应重点关注和优化发动机冷起动阶段的污染物排放.

2)三元催化器选型和实际的催化转化率参数很重要.在项目之初就要根据整车配置进行催化器选型和测试催化转化率，确保催化器性能.

3)要根据实际车辆的定位选择不同的电平衡控制策略，使NVH和整车能耗做到最优.