混合动力车的混合度优化设计

三、混合动力车的混合度优化设计 混合动力汽车设计主要指整车特性参数设计．它是在系统构型与总成类型选择的基础上，对总成参数进行合理匹配设计与优化的一系列过程，其主要任务是合理确定各动力总成如发动机、电动机、电池的功率和容量等特性参数，而所有这些参数设计中，最为重要的是发动机与电动机功率的确定，即混合度的设计，因为在确定了发动机功率后，其他特性参数如发动机最高转速、最大转矩和机械传动系参数等都可以按传统汽车的设计方法来进行研究和确定，电池参数可依据电动机参数来进行选择，因此混合动力汽车特性参数设计的核心问题是两动力源之间功率的合理匹配，即混合度的设计。 （一）混合度的基本概念 所谓混合度，指的是电系统功率Pelec占总功率Ptotal的百分比，即：

%100totalelecPPH (12-1)

对于不同的传动系构型，混合度的定义会略有不同。对于并联式混合动力汽车混合度定义为：

%100emmPPPH (12-2)

对于串联式混合动力汽车，所有动力均由电动机提供，电动机功率也就是动力源总功率需求，它属于电电混合形式，即发动机发电机组输出的电功率和电池输出的电功率混合一起向电动机提供驱动功率，所以混合度定义为电池系统功率与电动机功率的比值：

%100messPPH (12-3)

式中，Pe，Pm为发动机、电动机功率；Pess为电能存储系统（即电池）功率。 上述动力源功率是指额定功率，它反映动力源的持续最大输出能力。 从混合度定义可知，混合度越大．说明发动机占的比例越小，越接近纯电动汽车。相 反，混合度越小，相应发动机功率较大，越接近传统汽车。可以认为传统汽车是混合度为0 的混合动力汽车，而纯电动汽车是混合度为l的混合动力汽车。 如图12-28所示．不同的混合度代表不同类型的汽车，从传统型到助力型、双模式、续驶里程延伸型．最后到纯电动，混合度是逐渐增大的。从混合动力汽车类型与混合度关系可 以看出，对于双模式型，即电功率与发动机功率基本相同，混合度约为50％。这种类型汽车的主要特点为：既可以充当传统汽车在郊外行驶，也可充当纯电动汽车以零排放模式行驶相当长距离。因此，这种系统的发动机、电动机与电池选择都较大．系统复杂，成本较高。续驶里程延伸型HEV是在普通电动车辆上增加一附加的车载能源(或原动机)并及时为蓄电池补充充电(或承担部分车辆行驶功率)，减小蓄电池的能量消耗，延长电动车辆的续行里程，其电池组容量通常较大，使整车质量与成本增加，另外，其电机功率通常大于发动机功率．即混合度大于50％。而助力型HEV．发动机为主动力源，电动机作为辅助动力源以优化发动机的工作特性，提高车辆的经济性和降低排放，具有良好的节能潜力，同时整车布置、质量与成本也非常有利，因此，这种助力型是目前混合动力汽车应用最多的一种类型，其混合度小于50％。 从混合度概念可知，混合度可直接表明两动力源的功率组合，是混合动力汽车重要特性 参数，混合动力汽车特性参数设计问题的核心就是混合度设计。 (二)混合度的合理选择 如上所述，混合动力汽车的主要技术优势之一就是从根本上解决了传统汽车由于“大马拉小车”而导致的油耗居高不下的问题。而这种技术优势能否得以充分发挥的关键是通过科学合理地选择混合度，实现真正意义上的“车马匹配”。所谓的“车马匹配”则包含两层涵义，一是通过采用混合动力技术，车辆的总功率是可以根据实际需要变化和调节的，在正常行驶条件下，电助力系统可不参与工作，这相当于传统汽车上采用的“断缸”技术的另一种形式。二是通过合理减小发动机功率，可有效提高其负荷率，从而改善整车的燃油经济性。 为了对混合度的合理选择提供定性指导，下面先就混合动力汽车混合度对整车的影啊作一综合分析。 总体上，混合度影响混合动力汽车类型、整车质量、成本、用途、燃油经济性等。对于某一具体混合动力汽车、成本和燃油经济性是混合度最主要的影响方面，也是混合度设计所考虑的主要因素。 1混合动力汽车类型 混合动力汽车可根据混合度大小划分，当混合度H大于50％为续驶里程延伸型，小于50％为助力型，接近50％为双模式型。另外，根据行驶前后蓄电池荷电状态SOC变化情况， 混合动力汽车也可划分为电量维持型(Charge Sustaining)和电量可消耗型(Charge Depleting)两种。一般情况，对于电量维持型混合动力汽车是指它的电池电量在实际行车过程中可自动补充，无需车外充电器补充电量，一般电池容量较小，其混合度H相对较小；而电量消耗型混合动力汽车电池电量在行车过程中无法得到平衡，更接近纯电动汽车，电池选择较大，需要车外充电器补充电量，因此，混合度H相对较大。 2整车质量 混合度对整车质量具有一定影响，一般地，混合度越大，整车质量会增加．如图l2-29所示为某一混合动力轿车的混合度与整车质量的关系，可见，混合度对整车质量影响其实并不大，混合度增加很大幅度，而整车质量变化约5％。对于丰田公司的Prius，随混合度的增加整车质量的变化较小，其中04款Prius，其整车质量仅增加1％，因此，可基本忽略对质量的影响。 3整车成本 研究表明，混合度对整车成本具有显著的影响。在当前技术条件下，电系统的成本和电动机功率基本成线性关系正比例增长。随着混合度增大，电动机功率越大，相应的电动机控制器和大功率控制元件成本也就大大提高时电池成本也随之升高。在发动机技术比较成熟的情况下，整车成本随发动机功率的增加不比其随电动机功率变化的快，因此，选择混合度较小的方案是比较明智的。但是，混合度与整车成本的关系很难建立其精确的数学模型，主要原因是混合动力元件成本很大程度依赖于技术成熟度、产量大小，混合动力元件生产商向整车商供货的涨价额度以及其他随市场变化不确定因素等。尤其在国内，混合动力总成还不完全成熟和产业化，其精确的成本模型更难建立，因此，在混合度设计方法研究中，仅能定性考虑混合度对成本的影响。 4用途 相对于传统汽车，混合动力汽车由于混合度的灵活选择，使其用途有很大的不同，因此混合度的选择同时还要考虑整车的实际使用情况。例如，对于小型汽车如轿车，混合度不宜选择过高，因为混合度过高，增加了电池，电动机系统在空间布置实现上的难度。另外，车常在郊外行驶，如果混合度较大，相应发动机功率较小，整车大部分时间为电系统工作能量经二次转换导致整车效率过低．所以，更适合采用轻度混合系统，让电动机作为调节装置使发动机工作在高效区域内，直接通过机械联接方式驱动车轮，使整个系统的效率得到提高。 5排放和燃油经济性 混合度对整车排放、燃油经济性影响比较显著，一般地，混合度越大，其节能效果越好，整车排放、燃油经济性也越好。丰田公司根据轻型混合动力汽车混合度大小定义了三种类型，其中类型I为微度或轻度混合型(minimal)，其混合度在10％以下，主要是用来取消发动机怠速以节省燃油消耗，电动机仅为了起动发动机，而基本不能回收再生制动能量，因此，其节能效果有限，该类型的代表车型为CM Silverado，其节能效果只有10％左右。类型Ⅱ为中度或中等混合型(mild)，其电压与电动机功率都比类型I的要大，即混合度更大，大致在10％～40％之间，典型代表为本田公司的Insight，其节能效果在30％～50％左右。类型Ⅲ为全混合(full)，典型代表是丰田公司的Prius，其混合度更大，为40％左右，整车节能更明显，其城市燃油经济性可提高80％。 上述分析表明，对于某一具体构型的混合动力汽车而言，随着混合度提高，发动机逐渐减小和电动机逐渐增大，原则上能更充分发挥整车的节能效果。但受技术条件限制和市场成本的导向．当前混合动力汽车的混合度大多还以轻度混合或中等混合为主。国外混合动力汽车统计表明，对于轻型汽车，混合度大多数比较小，都不超过45％，部分混合动力轿车的混合度统计如表12-3所示。对于城市客车或货车，统计了部分车型如表12-4所示，从中可见，中、重型混合动力汽车的混合度选择同样较小，也以轻度混合为主。

不过混合度的选择并不是永恒不变的，随着电池技术，大功率电子器材和电机控制器的逐渐成熟和成本的下降，混合度会随时间的推移而逐渐提高，如图12-30所示。 综上所述，从降低排放及燃油消耗的角度来考虑，混合度应选择较大值，而从成本来考虑，混合度选择较小值则更合适。就目前技术状态来讲，混合动力汽车混合度的基本选择原则是以轻度混合为主。 (三)混合度优化设计方法 上述混合度对整车影响的研究只能定性指出混合动力汽车应以轻度混合为主，即混合度应小于0.5，但在O～0.5范围内混合度具体如何设计，其合理选择范围应取多大？这些都需要有一套较为完整的混合度优化设计方法。 近年来国内外对混合动力汽车设计方法有不少研究，其中吉林大学的“混合动力汽车研究”课题组提出了混合度优化设计方法，具有重要参考价值。 该方法首先提出作为混合度设计重要约束条件的动力源总功率设计方法和电池电量平衡算法，然后研究确定混合度的边值条件，最后根据设计目标函数，通过优化方法(最小二乘法曲线拟合)确定最佳混合度。 l混合度设计问题描述 (1)混合动力汽车设计问题由于混合动力汽车是在传统汽车技术上发展起来的，国内外很多混合动力汽车的设计是基于某一传统型汽车，其设计要求均是在保证与其传统型汽车动力性一致的前提下，对燃油经济性、排放性提出改善目标，即设计要求提出如下： 经济性能指标 (和，或)排放性能指标 约束条件为： 加速性能指标 爬坡性能指标 设计变量为： 发动机、电动机和电池特性参数 上述设计问题(仅以燃油经济性为设计目标为例)转换为数学表示形式如下： 目标函数： min L／100km (12-4) 设计变量： 发动机功率：Pe 电动机功率：Pm 电池容量：C(或Bat Cap) (12-5) 约束条件： 最高车速：vmax (12-6)

加速性Tvvt~0 (12-7) 直接挡车速vi 爬坡能力 爬坡度i1或 (12-8) 最大爬坡度imax

工况加速性：cuv (12-9) 工况电能量平衡：csocsoc (12-10) 式中，L／100km为百公里油耗；Pe，Pm为发动机和电动机功率(kW)；C，BatCap为电池容量(A·h)和电容量(kW·h)；vmax为设计指标的最高车速(km／h)；v0 ，vt为加速过程初始和末速度(km／h)；T为加速时间(s)；vi ，i1为爬坡车速(km／h)和爬坡度(％)；imax1为最大爬坡度(％)，通常是指一挡最大爬坡度；△v，△uc为跟随工况车速误差及其限值(km／h)，一般限值不超过±3km／h； △soc，△socc为工况前后电池soc变化量及其最大限值，电量