基于理论油耗模型的轻混重卡全生命周期成本分析

引用本文

宋大凤, 吴西涛, 曾小华, 杨南南, 李文远. 基于理论油耗模型的轻混重卡全生命周期成本分析[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(5): 1313-1323
SONG Da-feng, WU Xi-tao, ZENG Xiao-hua, YANG Nan-nan, LI Wen-yuan. Life cycle cost analysis of mild hybrid heavy truck based on theoretical fuel consumption model[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(5): 1313-1323 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170759
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基于理论油耗模型的轻混重卡全生命周期成本分析

宋大凤, 吴西涛, 曾小华, 杨南南, 李文远

吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022

通信作者:曾小华(1977-),男,博士,教授.研究方向:混合动力系统.E-mail:zeng.xiaohua@126.com

作者简介:宋大凤(1977-),女,博士,副教授.研究方向:汽车电控关键技术.E-mail:songdf@126.com

基金:国家自然科学基金项目(51675214,51575221);吉林大学研究生创新基金项目(2016083)

摘要

基于准静态动力学建立了传统车和轻混车的理论油耗模型,分析了目标工况下传统车的能量消耗特点和混动车5条节能途径的节能贡献,并剖析了循环工况和动力总成参数对节油率的影响。结合燃油经济性预测分析结果建立了混动车全生命周期成本分析模型,结果表明混动车具有明显的成本优势。本文提出的以理论分析为基础的预测模型,可以快速地为混合动力系统开发提供准确的燃油经济性及成本分析结果。

关键词: 车辆工程; 混合动力; 循环工况; 节油潜力; 全生命周期成本

中图分类号:U462 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)05-1313-11

Life cycle cost analysis of mild hybrid heavy truck based on theoretical fuel consumption model

SONG Da-feng, WU Xi-tao, ZENG Xiao-hua, YANG Nan-nan, LI Wen-yuan

State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University,Changchun 130022,China

Abstract

Fuel consumption models based on quasi-static dynamics were built for conventional and mild hybrid trucks. Energy consumption features of conventional truck and fuel saving rate brought by five measures of the hybrid truck were analyzed and predicted under target driving cycle. Then that factors influencing fuel saving, including driving cycle and power-train, were studied. Combined with the predicted fuel economy results, a total life cycle cost model was put forward. Results show that hybrid truck gain obvious cost advantage. The proposed prediction models based on theoretical analysis provide accurate economic and total life cycle cost results for hybrid power-train system quickly.

Keyword: vehicle engineering; hybrid electric vehicle (HEV); driving cycles; fuel saving; total life cycle cost

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0 引言

综合考虑节能效果、成本、结构更改难易程度、产业化可行性等诸多因素, ISG构型轻混是混合动力所有构型中重要的一种, 国内外各大汽车厂商都在不遗余力地研发该种混动车型^[1]。其中节油率和成本是系统设计开发者在研发初期最为关心的核心问题之一。

目前, 在混动车节油分析方面不少学者都进行了较为深入的研究。刘明辉等^[2]介绍了混合动力汽车降低油耗的六项措施, 但是并没有给出具体的计算方法。曾小华^[3]对混合动力城市客车进行了节能机理研究, 初步探讨了混动客车的节能潜力, 但并没有分析油耗的影响因素和全生命周期成本。赵子亮等^[4]通过建模和仿真分析的方法探索了某混合动力汽车的节油潜力及制动、低压供电、空调、暖风方案对油耗的影响, 但是并没有给出全生命周期综合成本。王华武等^[5]通过理论计算结合实车实验, 分析了混动客车的燃油利用率和各部分的燃油消耗, 阐述了混动客车的节油措施及效果, 易迪华等^[6]通过实车实验的方法得到混合动力环卫车各环节的节油贡献率, 但二者均是在实车试验的基础上得到分析结果, 对混动车前期的匹配设计并没有帮助。张宝迪等^[7]用解析法推导出了串联式混合动力推土机等效节油率的解析式, 结合仿真数据得到等效节油率, 但该方法并不适用于普通的公路用车。Grauers等^[8]基于Willans line方法, 可以快速预测混动车的节油潜力, 但是简单地将喷油率看作需求功率的线性函数, 误差较大。

本文提出了一种基于准静态动力学的油耗计算模型, 利用理论分析而非建模仿真的方法进行研究分析, 从而可以快速获得较为准确的理论节油结果, 避免了开发初期难于完全确定细节仿真模型的搭建及其仿真平台对结果的影响。

1 整车方案

1.1 系统构型

本文针对如图1所示的研究对象, 对其进行节能潜力研究。该构型发动机后端经过PTO连接电机, 属于并联构型的P1构型, 可实现怠速启停、停车充电、电机助力、制动能量回收等功能。该构型对传统底盘改动小, 易于布置, 成本低, 且可以实现较好的动力性和燃油经济性。

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	图1 混动车动力系统构型图Fig.1 Power-train structure of HEV

1.2 整车参数

整车基本参数如表1所示。发动机最大功率为260 kW, 电机最大功率为100 kW。

表1 混合动力整车及动力总成参数 Table 1 HEV and power-train parameters

2 能耗计算方法及模型验证

对整车进行受力分析, 如图2所示, 车辆行驶时受到的阻力包括空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力^[9], 分别如式(1)~(4)所示:

$\begin{array}{l} F_{f} = mgf \cos α (1) \\ F_{w} = \frac{C_{D} A}{21.15} v^{2} (2) \\ F_{i} = mg \sin α (3) \\ F_{j} = δm \frac{d v}{d t} \frac{1}{3.6} (4) \end{array}$

式中: $F_{f} 、 F_{w} 、 F_{i}$ 和 $F_{j}$ 分别为滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力, N; $m$ 为整车质量, kg; $g$ 为重力加速度, m/s²; $f$ 为滚阻系数; $α$ 为道路坡度, rad; $C_{D}$ 为空气阻力系数; $A$ 为迎风面积, m²; $v$ 为车速, km/h; $δ$ 为旋转质量换算系数; $t$ 为时间, s。

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	图2 车辆行驶阻力图Fig.2 Driving resistance force of vehicle

根据车辆驱动力与行驶阻力平衡关系可得:

$F_{t} = F_{f} + F_{w} + F_{i} + F_{j} (5)$

式中: $F_{t}$ 为车轮处驱动力, N。

本文传统车及混动车都设定根据发动机转速换挡, 在保证整车动力性的前提下, 尽量让发动机工作在经济区间, 从工况角度入手, 结合换挡策略逆向分析发动机(电机)工作点, 进而计算整车能耗。能耗计算的总体思路如图3所示。

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	图3 整车油耗计算流程图Fig.3 Process of fuel consumption calculation for vehicle

为了验证油耗模型的有效性, 现截取3段传统车实测工况, 如图4所示, 其百公里油耗如表2所示, 理论油耗与实测油耗偏差不大于4%, 在工程误差允许范围内。

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	图4 传统车实测工况Fig.4 Test cycles of traditional vehicle

表2 实测工况百公里油耗 Table 2 Fuel consumption per hundred kilometers of test cycles

3 传统车油耗分析模型

传统车的能量分析是预测混合动力汽车节能潜力进而研究其全生命周期成本的重要基础。由于上文的实测工况缺乏代表性, 而C-WTVC工况是中重型商用车燃料消耗测量时国标推荐的瞬态工况, 由市区、公路、高速三段工况组成。所以, 首先分析传统车在C-WTVC各工况下的能量消耗和燃油经济性。

3.1 整车制动工况下的能量损耗

C-WTVC各工况段都包含有制动过程, 分析传统车在制动工况下的能量消耗可为混合动力技术回收再生制动能量研究提供依据。

工况制动过程的能量消耗为:

$E_{brake} = \frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} P_{wh} d t, P_{wh} < 0 (6)$

式中: $P_{wh}$ 为车轮功率需求, kW; $E_{brake}$ 为车轮制动能量, kW· h; $T_{cyc}$ 为工况运行总时间, s。

根据上述约束, 制动减速过程时间为:

$T_{brake} = \sum t (\frac{d v}{d t} < 0) (P_{w h} < 0) (7)$

则制动时间比例为:

$β_{T_brake} = \frac{T_{brake}}{T_{cyc}} \times 100 % (8)$

对发动机所有输出功率求和, 代表该工况下总的驱动能量要求 $E_{cyc},$ 其计算公式如下:

$E_{cyc} = \frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} P_{e} d t, P_{e} > 0 (9)$

式中: $P_{e}$ 为发动机输出功率, kW; $E_{cyc}$ 为总驱动能量需求, kW∙ h。

总制动能量消耗 $E_{brake}$ 与总驱动能量 $E_{cyc}$ 的比值代表车轮最大制动能量百分比 $β_{E_brake} :$

$β_{E_brake} = \frac{E_{brake}}{E_{cyc}} \times 100 % (10)$

根据上述分析, 对传统车在C-WTVC工况下的动力源(发动机)输出能量和车轮制动能量分别进行计算, 并求其制动能量百分比, 结果如表3所示。

表3 制动情况消耗的能量统计 Table 3 Brake energy consumption statistics

Cycle	市区	公路	高速	全工况
$β_{T_brake}$ /%	31.56	32.91	18.06	28.67
$E_{cyc}$ /(kW∙ h)	17.47	13.62	14.80	45.89
$E_{brake}$ /(kW∙ h)	10.19	5.42	4.26	19.86
β _{E_brake}/%	58.32	39.79	28.76	43.28

表3 制动情况消耗的能量统计 Table 3 Brake energy consumption statistics

3.2 发动机怠速模式下的燃油消耗

现在大部分传统车发动机在制动过程中均有断油控制功能, 如图5所示, 制动时, 5020~5027 s发动机转速高于怠速, 发动机不喷油; 5027 s之后, 发动机转速低于怠速, 发动机恢复喷油。

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	图5 制动时发动机转速与喷油率的关系Fig.5 Relation between engine speed and fuel injection rate when braking

从车速 $v$ 、车轮需求功率 $P_{wh} 、$ 发动机转速 $n_{eng}$ 来标识怠速过程。

发动机怠速时间 $T_{idle}$ 为:

$\begin{array}{l} T_{idle} = \\ \sum t (v = = 0) | ((P_{wh} < 0) (n_{eng} < n_{idle})) (11) \end{array}$

式中: $n_{idle}$ 为发动机怠速转速, r/min。

发动机怠速时喷油率(fuel_ratio)_idle取为2.1 L/h, 怠速时间内燃油消耗量 $L_{idle}$ 为:

$\begin{array}{l} L_{idle} = \frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{idle}} {(fuel_ratio)}_{idle} d t \\ (12) \end{array}$

总燃油消耗量 $L_{cyc}$ 为:

$\begin{array}{l} L_{cyc} = \frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} (fuel_ratio) d t \\ (13) \end{array}$

式中: $L_{idle} 、 L_{cyc}$ 分别为怠速和总燃油消耗, L; fuel_ratio为工况运行过程的喷油率, L/h。喷油率由发动机转速、转矩查发动机油耗MAP图确定。

怠速时间比率β _{T_idle}和怠速燃油消耗比率β _{L_idle}分别为:

$\begin{array}{l} β_{T_idle} = \frac{T_{idle}}{T_{cyc}} \times 100 % (14) \\ β_{L_idle} = \frac{L_{idle}}{L_{cyc}} \times 100 % (15) \end{array}$

按上述公式计算传统车在C-WTVC各工况下的发动机怠速时间比率及怠速燃油消耗比率, 结果如表4所示。

表4 发动机怠速时间及燃油消耗统计 Table 4 Engine idle time and fuel consumption statistics

Cycle	市区	公路	高速	全工况
T_idle/s	142	29	5	176
$β_{T_idle}$ /%	15.78	6.20	1.16	9.78
$β_{L_idle}$ /%	1.85	0.51	0.08	0.89

表4 发动机怠速时间及燃油消耗统计 Table 4 Engine idle time and fuel consumption statistics

3.3 整车传动系工作效率

分析整车传动系工作效率可为混合动力技术优化发动机工作点和发动机Downsize提供依据。工作效率主要与三方面有关, 即发动机的峰值效率 $η_{fc_pk} 、$ 发动机部分负荷效率因数 $F_{fc_p art}$ 和机械传动系效率 $η_{t} 。$

$η_{fc_pk} :$ 发动机的峰值热效率与最大机械效率之积, 对于选定的发动机, 其值一定, 这里取为发动机油耗MAP图上效率最大点的值。

$F_{fc_part} :$ 在某一工况下发动机的平均效率 $η_{fc_mean}$ 与 $η_{fc_pk}$ 的比值。因为绝大部分时间内发动机并不工作在峰值效率点, 因此, $F_{fc_part}$ 代表了发动机在某一工作过程内的平均效率和峰值效率的差别情况。

$η_{fc_mean} = \frac{\frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} P_{e} d t}{(\frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} (fuel_ratio) d t) ρμ \frac{1}{3600}} (16)$

式中:P_e为发动机功率, kW; $ρ$ 为柴油密度, kg/L; $μ$ 为燃油低热值, kJ/kg。

η _t:机械传动系效率, 主要指变速器效率和后桥效率(包括主减和差速器)之积。

整车传动系总体效率 $η_{veh}$ 为:

$η_{veh} = η_{t} F_{fc_part} η_{fc_pk} (17)$

按上述公式分析整车在C-WTVC工况下的效率, 计算结果如表5所示。

表5 整车传动系统工作效率统计 Table 5 Efficiency of power-train

Cycle	市区	公路	高速	全工况
$η_{fc_pk}$ /%	44.69	44.69	44.69	44.69
$η_{fc_mean}$ /%	39.76	41.40	40.95	40.62
$F_{fc_part}$ /%	88.97	92.65	91.62	90.89
$η_{t}$ /%	86.55	86.55	86.55	86.55
$η_{veh}$ /%	34.41	35.83	35.44	35.16

表5 整车传动系统工作效率统计 Table 5 Efficiency of power-train

4 混动车节能分析模型

4.1 再生制动能量回收的节能贡献

由前述分析可知, 传统车在C-WTVC各工况段下制动能量消耗 $E_{brake}$ 占总能量 $E_{cyc}$ 的比值如表3所示, 在29%~58%之间, 同时注意到并非所有制动能量都可以被混动系统回收利用, 还受到下述条件的约束:

(1)前、后轴荷分配比例的影响, 只能从驱动轮回收再生制动能量。

(2)再生制动系统回收效率, 主要受电机、电机控制器及电池的双向工作效率以及差速器、主减、变速器的机械效率的影响。

(3)受电机电池最大工作功率和电机最大工作扭矩的约束。另外, 由于电机低速工作时稳定性较差, 车速较低时的那部分制动能量也不宜回收。

在保证安全性的前提下, 标定出一段制动踏板空行程, 当小强度制动时, 由电机提供全部的制动力矩; 当中等强度或大强度制动时, 前、后制动力矩按照与轴荷大小成比例进行分配, 并尽可能多的回收再生制动能量。

驱动轴可回收的制动能量为:

$E_{effect_driveaxle} = \{\begin{array}{l} E_{brake}, Z \leq Z_{trh} \\ E_{brake} λ, Z > Z_{trh} \end{array} (18)$

式中: $Z$ 为制动强度; $Z_{trh}$ 为制动强度阈值; $λ$ 为驱动轴轴荷比率。

混动车电机峰值功率为100 kW, 当驱动轴制动功率大于100 kW时, 超出那部分制动能量无法回收, 则有效制动能量为:

$\begin{array}{l} E_{Effect_brake} = \frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} P_{brake_driveaxle} d t (19) \\ - 100 \leq P_{brake_driveaxle} \leq 0 \end{array}$

有效制动能量占驱动轴可回收制动能量的比率为:

$β_{Effect_brake_driveaxle} = \frac{E_{Effect_brake}}{E_{effect_driveaxle}} \times 100 % (20)$

有效制动能量占总制动能量比率为:

$β_{Effect_brake} = \frac{E_{Effect_brake}}{E_{brake}} \times 100 % (21)$

统计各工况段再生制动能量利用比率, 如表6所示。

表6 再生制动有效制动能量利用比率 Table 6 Brake energy use rate

Cycle	市区	公路	高速	全工况
$E_{effect_brake}$ /(kW∙ h)	4.16	2.89	1.66	8.71
$E_{effect_driveaxle}$ /(kW∙ h)	4.72	3.42	2.20	10.34
$E_{brake}$ /(kW∙ h)	10.19	5.42	4.26	19.86
$β_{Effect_brake_driveaxle}$ /%	88.11	84.55	75.38	84.22
$β_{Effect_brake}$ /%	40.83	53.28	39.04	43.84

表6 再生制动有效制动能量利用比率 Table 6 Brake energy use rate

可回收的制动能量(即回收到电池中的能量) $E_{regen}$ 及其占总能量消耗的比率 $β_{regen}$ 的计算公式为:

$\begin{array}{l} E_{regen} = (\frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{cyc}} P_{mot_brake} d t) η_{mot} η_{bat} (22) \\ β_{regen} = \frac{E_{regen}}{E_{cyc}} \times 100 % (23) \end{array}$

式中: $P_{mot_brake}$ 为电机的制动功率, kW; $η_{mot}$ 为电机本体和电机控制器的综合效率, 取81%(电机本体和电机控制器各取90%); $η_{bat}$ 为电池的平均工作效率, 取90%。

若某工况燃油消耗为L_cyc, 所产生的驱动总能量为E_cyc, 通过再生制动回收分析, 其可回收的制动能量E_regen以电能形式保存下来, 当这部分能量释放传递给车轮(设定电能量从电池到电机、变速器、后桥、车轮的平均转换效率为 $η_{total} = η_{bat} η_{mot} η_{t}),$ 相当于发动机可少输出能量 $E_{regen} η_{total},$ 其可对应节省的燃油消耗 $L_{brake}$ 为:

$L_{brake} = \frac{E_{regen} η_{total}}{E_{cyc}} L_{cyc} (24)$

即节省的燃油消耗百分比 $β_{L_brake}$ 为:

$β_{L_brake} = \frac{L_{brake}}{L_{cyc}} = β_{regen} η_{total} (25)$

各工况段制动能量百分比 $β_{E_brake} 、$ 可回收制动能量比率 $β_{regen}$ 及回收燃油百分比 $β_{L_brake}$ 如表7所示。

表7 可回收的制动能量及节省的燃油比率 Table 7 Regenerative energy and fuel saving rate

4.2 消除怠速的节能贡献

混动车具有怠速启停的功能, 动力电机可快速启动发动机, 所以, 混动车可消除驻车情况下的发动机怠速油耗。消除怠速的节能贡献率如表8所示。

表8 消除怠速节能贡献率 Table 8 Fuel saving rate by eliminating engine idle

4.3 发动机的节能贡献

发动机功率减小(downsize), 可提高发动机的负荷, 使发动机工作点尽可能的落在高效区间, 以提高燃油经济性。首先, 假定混动车无再生制动、无怠速控制且无发动机区域控制。无发动机区域控制, 即当需求转矩在发动机外特性以内时, 由发动机单独提供扭矩输出, 当需求扭矩大于发动机外特性时, 发动机工作在外特性上, 不足扭矩由电机提供。然后, 计算仅由发动机 downsize使其部分负荷率的提高, 由此带来整车效率的提高以及燃油经济性的改善。

传统车发动机功率为370 kW, downsize后, 轻混车发动机功率为260 kW。按照上述控制思想, 对轻混车和传统车燃油经济性进行计算, 并分析二者在C-WTVC工况下的发动机部分效率因数以及燃油经济性, 统计结果如表9所示。

表9 混动车发动机工作效率及燃油经济性 Table 9 Engine efficiency and fuel economy of HEV

	Cycle	市区	公路	高速	全工况
混动车 (downsize)	η _{fc_pk}/%	44.69	44.69	44.69	44.69
	η _{fc_mean}/%	39.76	41.40	40.95	40.62
	F_{fc_part}/%	88.97	92.65	91.62	90.89
	fuel_equ/L	4.77	3.76	3.79	12.32
传统车	η _{fc_pk}/%	46.62	46.62	46.62	46.62
	η _{fc_mean}/%	38.40	40.93	39.47	39.49
	F_{fc_part}/%	82.36	87.79	84.66	84.70
	$fuel$ /L	4.89	3.75	3.91	12.54
对比	Δ η _{fc_mean}/%	3.54	1.15	3.75	2.86
	Δ F_{fc_part}/%	8.03	5.54	8.22	7.31
	Δ fuel/%	2.41	-0.44	3.13	1.79

表9 混动车发动机工作效率及燃油经济性 Table 9 Engine efficiency and fuel economy of HEV

由表9可以看出, 轻混车(发动机downsize)在公路段比传统车百公里油耗还要高, 这时因为:①downsize之后, 发动机效率提升并不明显, 仅为1.15%; ②此工况段电机输出能量较多, 而电驱系统效率较低, 仅为72.9%, 这样由发动机效率提升减少的燃油不足以抵消电驱系统放电过程的能量损耗所折合的燃油, 所以, 在公路工况段发动机downsize没有带来节油贡献。

4.4 发动机工作区域控制的节能贡献

利用ISG构型转矩解耦的特点, 在车辆行驶过程中, 将需求扭矩根据控制原则分配给发动机和电机, 实现发动机工作区域的控制。首先, 假定混动车无怠速消除、无再生制动回收且有发动机工作区域控制, 并在此基础上进行燃油经济性计算。然后, 与无怠速消除、无再生制动回收、且无发动机区域控制的混动车油耗进行比较, 由此得到混动车发动机区域控制所带来的节能贡献。

目标工况下, 根据混动车的实际运行状态, 在每一个控制周期内对车辆行驶需求的驱动扭矩在发动机和电机之间的分配进行优化, 使得作为控制目标的等效油耗最低, 从而确定动力总成的工作模式与功率分配比例。基本流程如图6所示。

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	图6 等效燃油消耗最小策略流程图Fig.6 Process of ECMS

图6中的T_{mot_Max}为电机当前转速下的最大扭矩; delta为等效油电转换系数, 这里取为开始时刻到上一时刻发动机所有工作点单位做功所消耗的燃油:

$delta = \frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{pre}} (fuel_rate) d t / [\frac{1}{3600} \int_{0}^{T_{pre}} P_{e} dt] (26)$

基于等效燃油消耗最小策略的理论分析结果如表10所示, 优化发动机工作点后, 发动机效率略有提高, 但等效油耗也略微提高, 这是因为, 无区域控制时, 发动机工作效率已相对较优, 采用等效燃油消耗最小策略优化发动机工作点后, 发动机效率略有提升, 使系统总效率有较小上升趋势, 而电驱系统效率较低, 电驱系统的参与使系统总效率有下降趋势, 又由于等效油电转换系数的影响, 造成系统总效率的下降, 所以等效油耗不下降反而略有上升。

表10 混动车ECMS燃油经济性 Table 10 Fuel economy of ECMS

	Cycle	市区	公路	高速	全工况
区域控制	$fue l_{equ}$ /L	4.79	3.79	3.79	12.38
区域控制	$η_{fc_mean}$ /%	39.77	41.42	40.95	40.63
无区域控制	$fue l_{equ}$ /L	4.77	3.76	3.79	12.32
无区域控制	$η_{fc_mean}$ /%	39.76	41.40	40.95	40.62
对比	Δ η _fc_{_mean}/%	0.03	0.05	0.00	0.02
对比	Δ fuel/%	-0.44	-0.88	-0.18	-0.50

表10 混动车ECMS燃油经济性 Table 10 Fuel economy of ECMS

4.5 附件电气化的节能贡献

混动车可以将机械附件电气化, 从而降低附件能耗, 提高燃油经济性。制动和转向机构结构复杂, 可靠性要求较高, 重型车电气化的难度较大, 暂不考虑, 目前附件主要考虑空调、风扇、水泵3个部件, 传统车上这3个附件的功率分别为6、16、1 kW, 共23 kW, 而当这些附件电气化后, 功率大大下降, 其值分别为2、3、0.5 kW, 共5.5 kW。附件电气化所带来的节油率如表11所示。

表11 附件电气化节油 Table 11 Fuel saving by accessory electrification

综合以上各条节能途径, 当前混动系统下节油率如图7所示。可以看出, 主要是通过制动能量回收和附件电气化这两条节能途径实现。GB/T 27840-2011规定, 当牵引车质量大于25 t时, 按照综合工况计算燃油经济性, 综合工况由市区、公路和高速工况按0: 1: 9组合而成。计算得到的综合工况节油率为13.7%。

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	图7 各工况下节油率Fig.7 Fuel saving of different cycles

5 混动车节油影响因素分析

5.1 循环工况

通过以上分析可以发现, 混动车在C-WTVC不同工况段的节油率相差很大。工况特征参数如表所示。通常, 车速、加/减速度、怠速时间比即可反映行驶工况的特征^[10], 车速及加/减速度影响车辆的行驶阻力和挡位选择, 进而影响发动机的工作点分布, 进而影响车辆的燃油消耗量, 怠速时间比会影响车辆的怠速油耗。它们同样会影响混动车5个节能途径的燃油经济性, 比如循环工况的加减速频率会影响制动能量比率, 进而影响再生制动能量回收这一节能途径的节油率; 怠速时间比会影响消除怠速这一节能途径的节油率。

表12 C-WTVC工况特征参数 Table 12 Characteristic parameters of C-WTVC

5.2 动力总成

动力总成特性(如功率和效率特性)对混动车的节油影响是显见的, 这里以设计开发初期最典型且最容易变化的电机为例, 分析系统动力总成参数对混动车节油率的影响。电机功率主要影响再生制动这一节能途径的节油率, 而电机效率对各途径的节油率均有影响。

驱动轴制动功率如图8所示, 最大制动功率在230 kW左右。当电机功率增大时, 可回收的制动能量占驱动轴可回收能量的比率将会增大, 再生制动能量回收的节能贡献率将会提高。

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	图8 驱动轴制动功率Fig.8 Brake power of drive axle

这里分别考察当电机功率分别增大到150 kW和200 kW时再生制动能量回收的节油率, 结果如表13所示。可见当前系统下, 当电机功率大于100 kW时, 制动能量回收节油率对电机功率并不敏感。增大电机功率能提升燃油经济性, 但所带来的节油收益相对较小, 也难免引起成本和布置难度的增加。

表13 不同电机功率下制动能量回收节油率 Table 13 Fuel saving rate by regenerative braking under different motor efficiency

前面的计算电机综合效率取为81%(电机本体和电机控制器效率均取的90%), 从行业水准来看, 还存在一定的上升空间, 为考察电机效率对节油率的影响, 将电机和电机控制器效率离散取值, 计算并分析当综合效率取81%、85%、90%和95%时的节油率。通过等效燃油消耗最小策略优化发动机工作点的节油率, 如表所示, 可见, 当电机效率取90%时, 该策略实现节油, 当电机效率上升为95%时, 节油率进一步提高。其他途径的节油率不再列出。

表14 不同电机效率下优化发动机工作点节油率 Table 14 Fuel saving rate by optimizing engine work points under different motor efficiency

各电机效率下的总节油率如表所示, 效率每提升5%, 市区、公路和全工况节油率提升2%左右, 高速工况节油率提升1%左右, 可见电机效率对节油率是非常敏感的, 因此, 在电机功率一定的前提下尽量选择高效率的电机。

表15 不同电机效率下的总节油率 Table 15 Total fuel saving rate under different motor efficiency

6 全生命周期成本分析

一般来说, 车辆全生命周期的成本包括原材料生产、运输和产品制造、使用及报废和回收利用等诸多因素成本^[11], 但受限于数据的获取性和普遍接受性因素, 且本文分析旨在分析比较传统车基础上所开发的轻混车带来成本差异, 而二者的差异主要在动力总成上, 所以本文主要集中在动力总成制造成本和车辆实际运营过程中的使用成本进行分析。

6.1 动力总成制造成本分析

HEV动力总成部件主要包括发动机、电机及其控制器、动力电池。目前, 市场上四冲程发动机技术成熟、产业化程度高, 本项目采用的即为四冲程发动机, 在美国再生能源实验室、美国电力科学研究院和阿贡国家实验室等机构研究基础上^{[12, 13, 14, 15, 16]}, 并结合中国国内市面上常见直列六缸发动机成本、制造企业内部访问数据和批量化生产规模等因素, 建立发动机制造成本如下^{[17, 18, 19, 20, 21]}:

$C_{engine} = a + b P_{emax} (27)$

式中: $C_{engine}$ 为发动机成本, 元; $P_{emax}$ 为发动机最大功率, kW; $a$ 和 $b$ 为拟合系数, 分别取为2968和84。

对于HEV, 电机系统主要包括电机及其控制器两部分, 批量化生产条件下, 拟合得到的电机及控制器成本如下:

$\{\begin{array}{l} C_{motor} = c + d P_{mpeak} \\ C_{motor_ctr} = e + f P_{mpeak} \end{array} (28)$

式中: $C_{motor}$ 为电机成本, 元; $C_{motor_ctr}$ 为电机控制器成本, 元; $P_{mpeak}$ 为电机峰值功率, kW; $c 和 f$ 为拟合参数, 是由电机及其控制器的价格、功率关系以及参考国外研究报告拟合得到, 其值分别取为1330、95.9、1055和55^{[17, 18, 19, 20, 21]}。

动力电池组的制造成本主要取决于电池存储能量的多少, 包括电池组的成本和附件成本两方面, 拟合得到的成本公式如下:

$\{\begin{array}{l} C_{ESS_Li} = (h + i R_{P / E}) E_{C} \\ C_{ESS_Acc} = j E_{C} + k \end{array} (29)$

式中: $C_{ESS_Li}$ 为锂电池成本, 元; $R_{P / E}$ 为电池的功率能量比, $1 / h; E_{C}$ 为锂电池容量, kW· h; $C_{ECC_Acc}$ 为电池附件成本, 元; $h 和 k$ 为拟合参数, 是通过动力电池及其附件的价格、能量等关系线性拟合确定的, 其值分别取为2865、151、88、4610^{[17, 18, 19, 20, 21]}。

HEV动力总成制造成本表达式为:

$C_{manu} = C_{engine} + C_{motor} + C_{motor_ctr} + C_{ESS_Li} + C_{ESS_Acc} (30)$

表16列出了传统车和轻混车的动力总成制造成本对比情况, 轻混车的发动机由于功率降低, 成本下降, 但由于轻混车增加了电机电池系统, 所以动力总成的制造成本相比传统车增加了7.8万元。

表16 动力总成制造成本对比表 Table 16 Manufacture cost of power-train

6.2 车辆使用成本分析

使用成本主要包括燃料费用和维护费用, 对一个完整的驾驶循环而言, 轻混车能量储存装置SOC在整个过程中是保持在一定的水平上的, 净能量消耗为零, 起能量缓冲的作用^[22], 所以轻混车的燃料费用只包括燃油的费用, 根据国内重型商用车用户的用车习惯调查, 结合国家商务部的相关规定, 假设车辆年均行驶里程为20万公里, 车辆寿命为17年, 则全生命周期内的燃料费用为:

$C_{fuel} = n \frac{S}{100} QT (31)$

式中: $C_{fuel}$ 为燃料费用, 元; $n$ 为燃油价格, 元/L; $S$ 为年均行驶里程, km; $Q$ 为百公里燃油消耗量, L/(100 km); $T$ 为车辆寿命, 年。

按照每10万公里进行整车维修保养, 轻混车较传统车增加了电机电池系统, 保养费用较高, 按2000 元/次(传统车1500 元/次)进行计算, 则全生命周期内维修费用为:

$C_{maintain} = m \frac{S}{N} T (32)$

式中: $C_{maintain}$ 为维修费用, 元; $m$ 为单次维修保养的费用, 元/次; $N$ 为维修保养间隔里程, km。全生命周期内, 使用成本总计为:

$C_{use} = C_{fuel} + C_{maintain} (33)$

表17列出了传统车和轻混车的使用成本对比情况, 可以看出燃油费用占据了使用成本的绝大部分。相比传统车, 轻混车燃油费用下降明显。

表17 使用成本对比表 Table 17 Use cost

全生命周期内总成本及年均成本为:

$\begin{array}{l} C_{total} = C_{manu} + C_{use} (34) \\ C_{av e} = C_{total} / T (35) \end{array}$

式中: $C_{total}$ 为全生命周期总成本, 元; $C_{ave}$ 为全生命周期内年均成本, 元/年。

表18列出了传统车和轻混车的全生命周期成本, 由于增加了电机电池系统, 轻混车动力总成制造成本大约为传统车的3.3倍, 但随着电机电池制造工艺和技术的提升, 二者制造成本差异将会越来越小; 由于降低了油耗, 轻混车使用成本相比传统车下降了74.75万元, 优势明显; 轻混车全生命周期综合成本下降66.95万元, 年均综合成本下降5.58万元, 节约成本12%, 这一成本优势对重型商用车用户有非常大的吸引力。

表18 传统车和混动车全生命周期成本 Table 18 Total life cost of traditional and hybrid vehicles

当前燃油价格按照5.5 元/L计算, 但随着燃油价格每年10%的上涨趋势^{[15, 19]}, 轻混车的成本优势将进一步扩大, 表19列出了这一趋势下传统车和轻混车全生命周期年均综合成本, 可以看出, 随着时间的推移, 二者成本差异越来越大, 2027年将达到28.51 万元, 所以轻混车有巨大的市场潜力。

表19 油价上涨情况下传统车和轻混车年均综合成本万元 Table 19 Average total life cost of traditional and hybrid vehicles in high oil price scenario

7 结束语

提出了一种从产品设计初期就考虑产品全生命周期的经济性分析方法和计算流程、步骤。首先, 运用准静态动力学的油耗计算模型, 基于选定的动力系统构型和整车参数, 采用等效燃油消耗最小的控制策略, 对各混合动力功能的节油贡献进行了分解, 分析了循环工况和动力总成对节油率的影响。最后, 深入分析了传统车和轻混车的全生命周期成本。结果表明:各节能途径中, 再生制动能量回收的节能贡献最大, 综合工况下节油率达13.7%, 轻混车年均综合成本下降5.58万元, 优势明显。混动车节能潜力研究是一个基础性研究问题, 对改进混动车的设计与控制具有重要指导意义, 本文建立了一套较为完善的油耗和成本模型, 为混动系统的设计、选型等前期开发论证提供了重要指导。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献列表

[1]	卢山, 解本欣, 解治宇, 等. 混合动力技术及研发实践[J]. 农业装备与车辆工程, 2008 (1): 6-8. Lu Shan, Xie Ben-xin, Xie Zhi-yu, et al. Technology of hybrid electric vehicle and development practice[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2008(1): 6-8. [本文引用:1]
[2]	刘明辉, 赵子亮, 李骏. 混合动力汽车节油机理研究[J]. 汽车技术, 2005(5): 11-13. Liu Ming-hui, Zhao Zi-liang, Li Jun. A study on fuel-saving mechanism for hybrid electirc vehicles[J]. Automobile Technology, 2005(5): 11-13. [本文引用:1]
[3]	曾小华. 混合动力客车节能机理与参数设计方法研究[D]. 长春: 吉林大学汽车工程学院, 2006. Zeng Xiao-hua. Study on mechanism of energy saving and method of parameter design for hybrid electric bus[D]. Changchun: College of Automotive Engineering, Jilin University, 2006. [本文引用:1]
[4]	赵子亮, 郑溢红, 刘健康, 等. 混合动力汽车节油因素研究[C]∥2014中国汽车工程学会年会论文集, 上海, 2014: 119-122. [本文引用:1]
[5]	王华武, 李庆欣, 李春东. 新能源客车燃油经济性提升分析研究[J]. 汽车科技, 2014(3): 5-10. Wang Hua-wu, Li Qing-xin, Li Chun-dong. The improvement of fuel economy analysis on the new energy bus[J]. Auto Sci-tech, 2014(3): 5-10. [本文引用:1]
[6]	易迪华, 张龙聪, 张兆龙, 等. 混合动力环卫车节油贡献率分析与研究[C]∥2016中国汽车工程学会年会论文集, 上海, 2016: 100-104. [本文引用:1]
[7]	张宝迪, 张欣, 席利贺, 等. 串联式混合动力推土机节能率的解析分析[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2015, 45(4): 1139-1147. Zhang Bao-di, Zhang Xin, Xi Li-he, et al. Analysis of energy saving ratio in series hybrid electric bulldoze[R][J]Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2015, 45(4): 1139-1147. [本文引用:1]
[8]	Grauers A, Upendra K. Energy based method to analyse fuel saving potential of hybrid vehicles for different driving cycles[J]. IFAC-PapersOnLine, 2016, 49(11): 641-648. [本文引用:1]
[9]	余志生. 汽车理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009. [本文引用:1]
[10]	Keßler M, Andres M, Schmitt T. Control and characteristic map generation of permanent magnet synchronous machines and induction machines with squirrel cage[C]∥Proceedings of the 10th International Modelica Conference, Lund, Sweden, 2014: 1151-1160. [本文引用:1]
[11]	胡友波. 不同模式混合动力公交车节能环保效益分析与研究[D]. 武汉: 武汉理工大学汽车工程学院, 2009. Hu You-bo. Study on energy conservation and environment benefits of hybrid bus under different modes[D]. Wuhan: School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, 2009. [本文引用:1]
[12]	Simpson A. Cost-benefit analysis of plug-in hybrid electric vehicle technology[C]∥22nd International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibition(EVS22), Yokohama, Japan, 2006: 23-28. [本文引用:1]
[13]	Markel T, Okeefe M, Simpson A, et al. Plug-in HEVs: a near-term option to reduce petroleum consumption from FY05 milestone[R]. National Renewable Energy Laboratory, 2006. [本文引用:1]
[14]	Graham R. Comparing the Benefits and impacts of hybrid electric vehicle options[R]. Palo Alto, Electric Power Research Institute(EPRI), 2001. [本文引用:1]
[15]	Golbuff S. Optimization of a plug-in hybrid electric vehicle[D]. Atlanta, Georgia: School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006: 41-44. [本文引用:2]
[16]	Kalhammer F R. Status and prospects for zero emissions vehicle technology[R]. Sacramento, California, ARB Independent Expert Panal, 2007. [本文引用:1]
[17]	韩彪. 基于成本分析的 PHEV 参数匹配及其控制策略研究[D]. 长春: 吉林大学汽车工程学院, 2016. Han Biao. The study of parameter matching and control strategy for PHEV based on the cost analysis[D]. Changchun: College of Automotive Engineering, Jilin University, 2016. [本文引用:3]
[18]	吴为理, 兰凤崇, 陈吉清, 等. Plug-in 混合动力汽车动力系统参数设计成本效益分析[J]. 机械科学与技术, 2013, 32(3): 383-387. Wu Wei-li, Lan Feng-chong, Chen Ji-qing, et al. Cost-benefit analysis of parameter design of powertrain for plug-in hybrid electric vehicle[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2013, 32(3): 383-387. [本文引用:3]
[19]	王宁, 龚在研, 赵洁. 插电式混合动力汽车消费者拥有成本模型[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2012, 40(5): 793-799. Wang Ning, Gong Zai-yan, Zhao Jie. Consumer ownership cost model of plug-in hybrid vehicle[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2012, 40(5): 793-799. [本文引用:4]
[20]	赵洁. 基于Advisor建模的插电式混合动力汽车消费者拥有成本分析[D]. 上海: 同济大学汽车学院, 2010. Zhao Jie. Analysis of customer total ownership cost of plug-in vehicle on Advisor simulation [D]. Shanghai: College of Automotive Studies, Tongji University, 2010. [本文引用:3]
[21]	曾育平, 秦大同, 苏岭, 等. 插电式混合动力汽车动力系统的成本、油耗和排放多目标参数优化[J]. 汽车工程, 2016, 38(4): 397-402. Zeng Yu-ping, Qin Da-tong, Su Ling, et al. Cost, fuel consumption and emission multi-objective parameter optimization for the powertrain of a plug-in HEV[J]. Automotive Engineering, 2016, 38(4): 397-402. [本文引用:3]
[22]	Ehsani M, Gao Y, Gays S E, et al. Modem Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicle fundamentals. Tehory and Design [M]. 2nd ed. Florida: CRC Press, 2010. [本文引用:1]

2008

0.0

... 0 引言综合考虑节能效果、成本、结构更改难易程度、产业化可行性等诸多因素,ISG构型轻混是混合动力所有构型中重要的一种,国内外各大汽车厂商都在不遗余力地研发该种混动车型^[1] ...

2005

0.0

... 刘明辉等^[2]介绍了混合动力汽车降低油耗的六项措施,但是并没有给出具体的计算方法 ...

2006

0.0

... 曾小华^[3]对混合动力城市客车进行了节能机理研究,初步探讨了混动客车的节能潜力,但并没有分析油耗的影响因素和全生命周期成本 ...

2014

0.0

... 赵子亮等^[4]通过建模和仿真分析的方法探索了某混合动力汽车的节油潜力及制动、低压供电、空调、暖风方案对油耗的影响,但是并没有给出全生命周期综合成本 ...

2014

0.0

... 王华武等^[5]通过理论计算结合实车实验,分析了混动客车的燃油利用率和各部分的燃油消耗,阐述了混动客车的节油措施及效果,易迪华等^[6]通过实车实验的方法得到混合动力环卫车各环节的节油贡献率,但二者均是在实车试验的基础上得到分析结果,对混动车前期的匹配设计并没有帮助 ...

2016

0.0

2015

0.0

... 张宝迪等^[7]用解析法推导出了串联式混合动力推土机等效节油率的解析式,结合仿真数据得到等效节油率,但该方法并不适用于普通的公路用车 ...

2016

0.0

... Grauers等^[8]基于Willans line方法,可以快速预测混动车的节油潜力,但是简单地将喷油率看作需求功率的线性函数,误差较大 ...

2009

0.0

... 2 能耗计算方法及模型验证对整车进行受力分析,如图2所示,车辆行驶时受到的阻力包括空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力^[9],分别如式(1)~(4)所示: ...

2014

0.0

... 通常,车速、加/减速度、怠速时间比即可反映行驶工况的特征^[10],车速及加/减速度影响车辆的行驶阻力和挡位选择,进而影响发动机的工作点分布,进而影响车辆的燃油消耗量,怠速时间比会影响车辆的怠速油耗 ...

2009

0.0

... 6 全生命周期成本分析一般来说,车辆全生命周期的成本包括原材料生产、运输和产品制造、使用及报废和回收利用等诸多因素成本^[11],但受限于数据的获取性和普遍接受性因素,且本文分析旨在分析比较传统车基础上所开发的轻混车带来成本差异,而二者的差异主要在动力总成上,所以本文主要集中在动力总成制造成本和车辆实际运营过程中的使用成本进行分析 ...

2006

0.0

... 目前,市场上四冲程发动机技术成熟、产业化程度高,本项目采用的即为四冲程发动机,在美国再生能源实验室、美国电力科学研究院和阿贡国家实验室等机构研究基础上^{[12,13,14,15,16]},并结合中国国内市面上常见直列六缸发动机成本、制造企业内部访问数据和批量化生产规模等因素,建立发动机制造成本如下^{[17,18,19,20,21]}: ...

2006

0.0

2001

0.0

2006

0.0

... 5 元/L计算,但随着燃油价格每年10%的上涨趋势^[15,19],轻混车的成本优势将进一步扩大,表19列出了这一趋势下传统车和轻混车全生命周期年均综合成本,可以看出,随着时间的推移,二者成本差异越来越大,2027年将达到28 ...

2007

0.0

2016

0.0

... 9、1055和55^{[17,18,19,20,21]} ...