张路　林祥辉　杨志刚　杨树龙

摘 要：能源安全已经提升至国家层面，需要开源节流处理之。对于主机厂，就是从节流的角度提升燃油经济性（含电耗提升）。对于传统能源车，主要从整车阻力、附件消耗、发动机热效率角度去提升性能;对于新能源车，还需从三电控制策略、制动能量回收角度去处理。不管是哪一类型的车，言而总之都是能量优化，都可以从能量管理的角度，分析能量流动、拆解能量损耗，找出能量消耗的薄弱点，从而进行有针对性的优化。

关键词：增程式汽车 经济性 能量管理 性能优化 能量流分解

1 引言

全球的能源消耗中，交通领域约占29%，对应带来是CO2的排放约占1/4，其中道路运输的排放又占其中的3/4[1]。曹斌等人的研究表明，2030年世界能源发展格局不会发生大的变化，石油、天然气、煤炭等化石能源还仍然是主体，且消耗总量将持续上升[2]。能源安全关系到国家政治稳定与国民的民生质量，是社会可持续发展的资源保证。为了保证我国的能源安全，寻求能源进口的安全性、合理布局产业结构、积极拓展新能源/新技术/降能耗是保证国家能源安全的几个途径[3]。国家在十三五规划中，也提出了能耗降低15%的目标[4]。

现阶段，行业中针对道路车辆，按能源应用不同主要分为传统能源汽车：汽油车、柴油车、天然气车;新能源汽车：纯电动、混动（含增程）、氢能源和甲醇汽车。传统能源向新能源汽车转变是必然趋势。其中氢能源汽车技术尚不成熟且成本很高，还不能构成主流;甲醇汽车虽早在2012年至2018年，工业和信息化部组织进行了试点运行，但现阶段还处于市场发展前期[5，6];纯电动汽车，如今技术已驱于成熟，但里程焦虑问题依旧存在;而增程汽车，兼顾能源与排放的要求，同时解决里程短的弊端。

以吉利某款插电式增程汽车为研究对象，以降低能量消耗为目的，阐述在产业化开发过程中进行性能优化的思路与方法。

2 整车能量管理方法

整车能量管理（VEM： Vehicle Energy Management）：是对整车在稳态和动态状态下，结合油耗或电耗、排放、动力性、热管理、驾驶性等性能要求，通过能量流的分析与优化，找出能量消耗的薄弱点并有针对性的进行优化提升。插电式增程汽车能量来源可以是增程器，也可以通过市电充电获取，整车的能量流动如下图1所示：

能量流动的过程，就是能量消耗与再生的过程。从能量的角度，按车辆不同的系统，整车能量使用分为如下几个系统：充电系统、整车行驶（整车阻力）系统、附件电器系统、制动能量回收系统。

整车能量管理是个极其庞杂的系统性研发与管理任务。针对新能源车，狭义的能量管理主要围绕三电、增程器、能量回收等的相关控制策略予以研究。广义的能量管理，是从能量获取的源头，沿着能量流程的路径，逐步分解到可具体的能量使用零部件，再有针对性的进行分析、优化[7-9]。

不论是控制策略的优化还是能量流的管理，目的都是降能耗。应用到产业化项目，还需结合项目开发的具体状况适时判断处理方法，因地制宜才是最好的方法。

3 问题引入

本课题以某款增程式汽车为研究对象，针对其在产业化开发过程中出现的经济性问题，阐述如何进行问题分析、优化及验证的过程。

3.1 问题描述

在产业化项目开发的半工装车阶段，进行首轮整车性能试验，试验结果显示不能满足既定的经济性指标，性能差异如下表1所示：

3.2 团队建立

从性能符合性检查结果可以看出，半工装车阶段的性能水平与目标值差距很大。需要从整车的角度、结合能量管理思路、配合质量解决工具，成立专项工作组共同排查、优化问题。专项工作组及其責任分工，如表2所示：

3.3 总体计划

项目团队成立后，立即启动问题整改工作。工作开展之前，需先行落实工作计划，工作计划的制定需满足整车产品开发的主计划，同时结合质量管理工作PDCA的工具予以分解。PDCA是高度概括的持续提升的方法论，该工具适用范围广且可操作性强，广泛应用于医疗、教育、制造业、环保、勘探等行业[10-13]。总体计划制定如下图2所示：

3.4 问题初判

从能量分解的角度，分析影响本车型经济性的边界;从产业化开发及配套供应商配合能力角度判断整改的可行性。综合评判，以整车阻力、驱动电机、增程器、附件能耗以及能量回收几点去排查、优化经济性能。

4 方案分析

4.1 整车行驶阻力

由汽车理论可得，整车行驶阻力包含滚阻、空气阻力、加速阻力和坡道阻力[14]。在实际分析整车阻力的时候，因滚阻、空气阻力与车辆本身强关联而作为分析的重点。

将开发车型与基础车型的整车滑阻予以对比，如下图3所示。相比基础车型，开发车型的阻力曲线过于线性，滑行阻力异常。

进行整车阻力拆解，因基础车与开发车外形一致，故风阻暂不考虑。阻力拆解如下表3所示：

通过报文检查，得出驱动电机低速段有反向电流、高速段有正向电流，反应到整车就是增大了低速段滑阻、削弱了高速段阻力。驱动电机电流排查结果如图4所示：

驱动电机低速段有反向电流的原因是：原本VCU给定电机的工作模式为“0×0：Neutral gear、请求扭矩为0Nm”，MCU的响应模式为“0×0：Idel mode”，但MCU实际响应扭矩是-3Nm。究其原因有两点：1、VCU控制程序有Bug，MCU工作模式不跟随VCU指令，在处理转矩指令和转矩方向时，在零力矩位置判断有误，导致速度环方向变化，驱动状态切换到了制动状态;2、MCU驱动档位的预扭矩策略（减缓扭矩响应速率，扭矩突变易造成齿轮撞击带来的顿挫感）在空档状态下没有取消，使之存在负扭矩。

驱动电机高速段有正向电流的原因是：多合一在高速段标定存在异常，0N.m控制出现严重偏差，致使高速段出现正向电流。正向电流问题排查见图5所示：

问题找到后即是整改，如上前束及电机电流问题在工装车状态下予以体现。

4.2 附件能耗

通过整车能量流分析，产业化开发样车附件消耗较产业化较基础车型增加了600-900W。原因分析如下表4。

Auto hold功能与客户适用感知强关联，认可此状态，重点优化热管理系统。解决方法：1、提高电池主动冷却请求温度阀值（30℃→38℃）;2、提高电池被动冷却温度阀值（10℃→27℃），常温下压缩机不启动，让电池利用被动散热。优化后，空调能耗由1.59kWh降低至0kWh，水泵、风扇降低0.11kWh，压缩机降低0.62kWh。

4.3 驱动电机

排查驱动电机能量消耗，基础车型电机每百公里电耗为46.48kWh，开发车型为51.94kWh，相差9.2%。问题排查见下表5所示：

4.4 增程器优化

增程器是核心，增程器的比油耗、运行过程中的工况点、启停次数等均会影响增程器燃油消耗量;同时，工况点的选取，还需结合NVH的限制要求。

1、启停次数控制

NVH工况退出条件车速由26km/h改为30km/h，退出时间由30s改为60s。增程器启停次数由13次降低为3次，比油耗降低了3g。

2、最低功率点提升

增程器最低功率点由15kW，提高至25kW，比油耗降低了6.5g，但车内噪音上升了1dBA。

3、工况点优化

低功率区工况点的选取考虑NVH性能的限制，相比之前略有劣化，从2000rpm以上的工况点选取，比油耗均有优化。发动机工况点整体得以提升，如下图6所示：

4、发电机工况点优化

从发电机效率MAP图上功率看，PFCU标定优化后55KW功率点对应发电机效率变好，6KW功率点对应发电机效率变差，其他功率点效率基本一致。总体效率优化略微提升，工况选取如图7所示。增程器的油電转化，对于综合工况，由2.66提升到2.68。

4.5 制动能量回收

制动能量回收利用制动时，驱动电机转换为发电机进行反向充电而把动能转化成电能;同时，制动能量回收在制动能力上相比机械制动又有加强，需要重新校核制动力分配[15]。

对比基础车型，制动能量回馈比例减小了2.6%，对应策略是整体加大制动能量回收比例，能量回收扭矩设定如下图8所示：

制动能量回收力度的大小又与驾驶性相关，需组织质量部、研发、领导层共同参与驾驶性主观评价，最终结论可接受。由此带来的电耗提升是：市区提升0.89kWh、综合工况提升0.42kWh。

5 试验验证

通过阻力优化，整车滑行阻力得以提升，优化前后的滑阻曲线对比如下图9所示：

将所有的优化策略落实在工装车上，进行整车经济性试验，优化结果明显，对比如表6所示：

6 总结

动力经济性开发是整车性能开发中的一个属性模块，与重量属性、NVH、驾驶性、排放、制动、甚至安全性能均有关联，性能开发从来都不是某一个人战斗，必须是整个团队的通力合作。

本文从能量流分解的角度，对整车经济性进行深度分析，以吉利某款产业化增程汽车项目为例，阐述了能量流拆解与问题分析方法，最终优化效果明显，满足既定性能指标。然而，经济性能提升是个永恒的话题，产品开发不止、性能提升不休。在此优化提升的基础上，项目团队又提出了挑战目标，需要在产品上市前百公里电耗再降低2kWh。

参考文献：

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[4] 韩中合，祁超，刘明浩. 十三五规划“节能减排”目标实现路径研究[J]. 干旱区资源加环境，2018年3月第32卷第3期..

[5]葛锋，王文，蔡克，等. 基于传统煤化工能源消耗对甲醇燃料汽车与电动汽车的耗能的分析[J]. 科技与创新，2020年第13期.

[6]王君. 山西发展甲醇产业的思考与建议[J]. 现代工业经济和信息化，2020年第12期.

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[9]高新华. 轿车燃油经济性开发的关键技术研究——以某款A级车为例[D]. 合肥：合肥工业大学，2016.

[10]马丽春，夏磊，艾祎，等. PDCA应用案例分析[J]. 医疗质量，2016年7月第23卷第4期.

[11]张云生. PDCA循环法在大民屯凹陷勘探部署中的应用[J]. 石油工业技术监督，2021年6月第37卷第6期.

[12]杨颖，原红玲，沈浩杰. 基于PDCA的汽车开发项目综合管理研究[J]. 工业技术经济，2009年9月第28卷第9期.

[13]郑迪. 基于PDCA法的汽车后备箱漏水质量管理流程改善研究[D]. 北京：北京工业大学，2016.

[14]余志生. 汽车理论[M]. 北京市：机械工业出版社，2018年.

[15]胡卫，秦永法，曾励，等. 前驱式纯电动汽车制动能量回收控制策略研究[J]. 中国农机化学报，2019年8月第40卷第8期.