串并聯混合動力系統的節能關鍵因素分析

朱永明， 祁宏鐘， 趙江靈， 劉學武， 張安偉

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

混合動力汽車技術包括插電式和非插電式2種，具有顯著的節能減排效果，是汽車行業實現碳達峰碳中和的重要技術之一。在混合動力構型方面，目前國內主要整車企業逐漸收斂到了串并聯混合動力系統，并在近2年陸續發布了相應產品和技術規劃。針對混合動力系統的油耗分析與節能優化仍然是該領域的研究焦點，包括混合動力系統構型設計、參數匹配、系統建模和控制策略等。對于非插電式混合動力汽車及電量平衡狀態下的插電式混合動力汽車，在一定運行時長內，考慮動力電池的電量平衡，混合動力系統的外界唯一能量來源是燃油，混合動力系統節能與否的核心影響因素是發動機，包括發動機本身的設計和對發動機的使用，前者主要體現在發動機熱效率方面，后者主要體現在發動機工況調優方面。本文針對雙電機串并聯混合動力系統，從發動機熱效率特性出發，從發動機選取和工況調優方面進行混合動力系統節能機制闡述并進行仿真和測試驗證，揭示混合動力系統的主要節能因素。

1 串并聯混合動力系統工作原理

串并聯混合動力系統應用2個電機，其中一個主要用于驅動行駛，另一個主要用于發電，發動機可以經過一個直驅擋位實現發動機到輪端的直接驅動，從而實現純電驅動、串聯驅動、并聯驅動、制動能量回收等功能，其系統架構見圖1。

圖1 串并聯混合動力系統架構

根據串并聯混合動力系統架構，EM2電機經過兩級齒輪傳動與輸出軸相連，為固定速比傳動，發動機經離合器和兩級齒輪傳動與輸出軸相連，離合器分離時發動機無動力直接輸出，離合器閉合時為固定速比傳動；EM1電機經一級齒輪傳動與發動機輸出軸相連。根據以上傳動關系，發動機因只有一個傳動速比對輸出軸直接輸出動力，考慮到中低車速，應盡可能使用純電行駛，使該傳動速比盡量滿足中高車速的需求，也就是說發動機的傳動速比適當選擇較小值。串并聯混合動力系統的主要功能邏輯為：中低車速EM2驅動，主要為純電驅動；中高車速小負荷工況離合器閉合，由發動機直接驅動，中高車速大負荷離合器分離，發動機帶動發電機發電，附加動力電池輸出電能給EM2電機，實現串聯混合動力驅動。

顯然，串并聯混合動力系統的燃油消耗只發生在發動機工作的串聯驅動和并聯驅動，也就意味著對發動機的設計要求、發動機傳動速比iICE選擇、發動機工況調優對串并聯混合動力系統的油耗水平有至關重要的影響。下文從這三方面進行節能機制分析。

2 對發動機萬有特性的要求

根據前文的分析，在串并聯混合動力系統中，當發動機工作運行時，要么工作在串聯驅動工況，要么工作在并聯驅動工況。在串聯驅動工況，為達到較好的節油效果，將控制發動機工作在發動機萬有特性中的最佳燃油經濟性曲線上的各工況點，能量經油箱到發動機，發動機帶動發電機EM1，電能經驅動電機EM2轉化為機械能輸出。從輪端來看，發動機的等效燃油消耗率為：

beeq=be/(ηICE2EM1·ηEM1·ηEM12EM2·ηEM2·

ηEM22diff)

(1)

式中：beeq為串聯工況下發動機等效燃油消耗率[g/(kW·h)]；be為發動機等效燃油消耗率[g/(kW·h)]；ηICE2EM1為發動機到發電機EM1的傳遞效率；ηEM1為發電機EM1的轉化效率；ηEM12EM2為發電機EM1產生的電能到達驅動電機EM2的電能傳遞效率；ηEM2為驅動電機EM2的轉化效率；ηEM22diff為驅動電機EM2到主減速器的傳遞效率。

根據式(1)，將發動機Ⅰ和發動機Ⅱ各自萬有特性中各轉速下的最佳燃油消耗率曲線和串聯工況下等效最佳燃油消耗率曲線進行對比，假定在應用2臺發動機時各工況點下除發動機效率不同外其他均一致，可得到圖2所示結果。從圖2可看出：因串聯驅動需經過多級能量轉換，其實際等效發動機燃油消耗率比發動機直接驅動時高，經發動機Ⅰ串聯等效最低燃油消耗率工況點P和發動機Ⅱ串聯等效最低燃油消耗率工況Q的水平直線，分別與發動機Ⅰ和發動機Ⅱ的最低燃油消耗率曲線相交于點E、F和點G、H?？紤]到串聯驅動應使發動機沿最佳燃油經濟曲線工作在相對最優工況點的原則，對于發動機Ⅰ，在轉速nE和nF之間工作時，采用串聯工況的等效燃油消耗率比發動機的燃油消耗率低，也就是說發動機Ⅰ在轉速nE和nF之間更適合并聯驅動，反之則更適合串聯驅動；對于發動機Ⅱ，轉速在nG和nH之間更適合并聯驅動，反之則更適合串聯驅動。從發動機Ⅱ來看，其適合并聯驅動的轉速范圍涵蓋了絕大部分發動機工作區域，該發動機更適合并聯混合動力系統。綜上，串并聯混合動力系統所應用的發動機更注重局部較窄轉速范圍內高效，不追求全轉速范圍內高效。

圖2 串聯驅動最低燃油消耗率

在發動機某一給定轉速下，可根據式(1)將發動機在對應轉速下各扭矩的燃油消耗率曲線與并聯驅動工況下等效燃油消耗率曲線進行對比。假定在應用2臺不同發動機時各工況點下除發動機效率不同外其他均一致，可得到圖3所示結果。在給定轉速下，發動機Ⅰ、發動機Ⅱ的最低燃油消耗率的工況點分別為M和N，對應轉矩為TM和TN。并聯驅動對發動機工作點進行調優時，為提升系統效率，目標轉矩應盡可能接近該轉速下最低燃油消耗率的工況點，額外的轉矩需要電機補償，此時將產生一定效率損失，將最優點并聯驅動調優的等效燃油消耗率畫水平線，分別與發動機Ⅰ、發動機Ⅱ相交于點A、B和點C、D。從圖3可看出：在給定轉速下，對于發動機Ⅰ，在轉矩TA和TB之間工作時，發動機工況調優的等效燃油消耗率比直接驅動的發動機燃油消耗率高，也就是說在轉矩TA和TB之間工作時，不適合發動機工況調優，反之則應進行發動機工況調優；在給定轉速下，對于發動機Ⅱ，在轉矩TC和TD之間工作時，不適合進行發動機工況調優，反之則應進行發動機工況調優。發動機Ⅱ適合并聯發動機工況調優的轉矩范圍涵蓋了絕大部分發動機的常用轉矩，該發動機進行工況調優時，大部分工況下系統效率比不調優更低，且發動機Ⅱ需要調優的轉矩差值大，在動力電池容量一定的情況下，穩態行駛工況所能維系的調優時長有限。綜上，串并聯混合動力系統所應用的發動機應更注重局部較窄轉矩范圍內高效，不追求全轉矩范圍內高效。

圖3 給定轉速下并聯驅動燃油消耗率

綜合以上分析，串并聯混合動力系統所用發動機在轉速、轉矩上都更偏向較窄區域的高效，與傳統發動機期望盡可能全工況范圍高效不同，需設計開發混合動力專用發動機，從熱效率角度出發，該需求可縮減發動機的使用工況區域，簡化發動機。

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3 發動機傳動比的選擇

根據圖1，串并聯混合動力系統在并聯驅動時，發動機有且僅有1個傳動速比，而在中低車速范圍內一般采用純電驅動，故該傳動速比不應以中低速驅動為目標。

結合上文分析，串并聯混合動力系統中唯一的并聯驅動傳動速比是為了改善中高車速段使用串聯驅動的等效發動機燃油消耗率較低的問題。因此，恰當的速比設計對串并聯混合動力系統節能效果的影響非常關鍵。

假定2個不同的發動機速比，混合動力系統輸出端的功率隨車速的變化見圖4。發動機直接驅動應滿足長時間穩態行駛的需求。從圖4可看出：因串并聯混合動力系統的發動機外特性一般不強，在工作轉速范圍內，較大發動機速比2可獲得較高的最高車速，但會使發動機的最佳燃油經濟性曲線偏離穩定行駛阻力所需功率，意味著穩態工作時燃油經濟性較差；從性能穩定性角度出發，考慮到并聯驅動可能失效的情況，應盡可能使串聯驅動同樣覆蓋并聯驅動的穩定驅動工況，速比選擇時應盡可能使驅動電機的額定特性覆蓋并聯穩定驅動的外特性輸出。

圖4 發動機速比的影響

4 發動機工況調優

假定某一工況的驅動所需能量為E，不對發動機的工況點進行調優時的燃油消耗率為a，則該工況下燃油消耗量f1為：

f1=E/(ηICE2diff)a

(2)

式中：ηICE2diff為發動機到主減速器輸出的傳動效率。

若在該工況下對發動機工作點進行調優，使其工作在效率相對高效點，此時的燃油消耗量f2為：

f2=E/[ξ·ηICE2EM1·ηEM1·ηEM12EM2·ηEM2·

(3)

式中：ξ為電傳動比例，表示發動機工況調節后經電驅動回路傳遞的能量占比，純串聯工況時ξ=1；Δa為發動機工況調優后發動機所能降低的燃油消耗率[g/(kW·h)]。

調節發動機工況點的目的是實現節油，應使f2

Δa/a>ξ[1-(ξ·ηICE2EM1·ηEM1·ηEM12EM2·

ηEM2·ηEM22diff)/ηICE2diff]

(4)

根據式(4)，要實現發動機工況點的調優，其調整幅度必須大于一定值才能獲得混合動力系統的節油，該調節幅度主要受系統的各級機械傳動效率和發電機EM1、驅動電機EM2工作效率的影響。在串聯驅動工況即ξ=1時，不考慮電池的充放電效率，并假設因發動機工況調節多發的電量存儲在動力電池中，在未來依舊用于當前驅動工況，單級齒輪傳遞效率為0.985、發電機EM1的工作效率為0.90、驅動電機EM2的工作效率為0.92時，串聯驅動發動機工況調優幅度需大于18.8%才能實現系統的節能。以最低燃油消耗率為202 g/(kW·h)的發動機為例，在248.8 g/(kW·h)以下燃油消耗率范圍內不適合進行發動機工況調優。

5 仿真分析

式(2)為給定工況下油耗，轉換成瞬態系統效率，可表示為：

(5)

式中：ηsys為混合動力系統的效率；Pdiff為混合動力系統半軸輸出功率(kW)；Pbatt為動力電池充放電功率(kW)；ηE2B為動力電池的充放電效率；Hu為燃油的熱值(J/kg)。

進行系統仿真分析的參數見表1，所用發動機的萬有特性見圖5。

表1 仿真參數

圖5 發動機的萬有特性

根據式(5)，在不同半軸輸出功率下，對發動機工況進行調優，其串聯驅動的系統效率見圖6。

充電功率為負值，表示動力電池進行放電

從圖6可看出：在小負荷工況，提升發動機負荷可有效提升系統效率，驅動負荷超過一定值時，維持電池充電功率為零，即采用驅動功率需求多少，EM1發電功率提供多少的功率跟隨效率最高。在5 kW以下的驅動功率需求下，提升2～6 kW發電功率，可獲得較高的系統效率。特別地，在駐車發電工況，即驅動功率為零時，不同的充電功率對系統效率的影響最顯著，2 kW的充電功率僅能獲得0.18的系統效率，而8 kW的充電功率可獲得0.253的系統效率。但在實際工程應用中，駐車發電需考慮NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)的限制，此時車輛處于停止狀態，沒有背景噪聲的影響往往對發動機的NVH較敏感，故駐車充電功率不會過大。

上述結果與發動機萬有特性總體趨勢一致，在發動機最低燃油消耗率附近以下的輸出功率，對發動機工況沿最佳燃油經濟性曲線進行調優，提高發動機負荷至最低燃油消耗率附近，可獲得較好的系統效率。但調節幅度超過最低燃油消耗率附近，系統效率反而下降，這從側面說明串并聯混合動力系統效率的最大影響因素是發動機。

并聯驅動時，發動機工況不能與車輛行駛工況完全解耦，僅能通過調節轉矩來優化發動機工況點。在給定發動機轉速下不同發動機轉矩工作時，其并聯驅動系統效率見圖7～10。

圖7 1 500 r/min轉速時并聯工況下混合動力系統的效率

圖8 2 500 r/min轉速時并聯工況下混合動力系統的效率

圖9 3 500 r/min轉速時并聯工況下混合動力系統的效率

圖10 4 500 r/min轉速時并聯工況下混合動力系統的效率

從圖7～10可看出：1) 在給定轉速下，小負荷時，提升發動機負荷給動力電池充電，可提高系統效率；大負荷時，降低發動機負荷，可提高系統效率。2) 在動力電池不充不放的跟隨工況，系統效率較高點的負荷較大，這其實也是由于發動機特性的影響。根據前文分析，中高穩定車速驅動下采用并聯驅動的方式，一般采用功率跟隨，即動力電池不充不放，也就是說發動機的速比選擇應使并聯驅動的發動機跟隨功率貼近車輛穩定工況行駛的阻力功率，從而達到最大幅度節能的目的。

將混合動力系統搭載在整車上，按瞬時系統效率最優運行WLTC(全球統一輕型汽車測試)工況，仿真結果見圖11。仿真前后維持動力電池的荷電狀態SOC平衡一致，按發動機工況調優與否，統計仿真循環數據，結果見表2。

圖11 WLTC工況下混合動力系統仿真結果

表2 循環工況能耗統計結果

從表2可看出：進行發動機工況調優可有效提升系統燃油經濟性，提升幅度為9.39%，其主要貢獻來自串聯工況下的調優，占比為66.87%。

6 結論

(1) 分析串并聯混合動力系統的節能關鍵因素，因該系統所用發動機可實現驅動工況與發動機工況的解耦，所用發動機為有別于傳統燃油汽車用的專用發動機，其高效應設計在轉速、轉矩上都更扁平，外特性要求低，輸出響應亦可降低，可大幅簡化發動機設計和突出發動機局部效率特性。

(2) 發動機速比的選擇主要考慮長時穩定中高車速下中小負荷驅動工況，將發動機最佳燃油輸出線貼近阻力線，能獲得較高的等速油耗。

(3) 發動機的工況調節能在一定程度上提升系統的經濟性，且工況調優幅度需達到一定值才具備提升經濟性。示例仿真結果為發動機調優幅度達到18.8%才能實現系統效率的提升；WLTC工況提升9.39%的燃油經濟性，串聯驅動工況的發動機調優占比較大，為66.87%。串并聯混合動力系統效率主要依賴發動機的效率特性。

(4) 串并聯混合動力系統的發動機設計、速比選擇、工況調優基本圍繞發動機效率特性展開，而電機的工作效率遠高于發動機，說明串并聯混合動力系統效率的最大影響因素是發動機，串并聯機電耦合系統為專用發動機設計及工況調優提供了可能。