基于ADVISOR的熱電回收并聯(lián)混合電動(dòng)汽車性能研究

趙付舟，胡如夫，崔仲華

（寧波工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，寧波，315211）

傳統(tǒng)燃油汽車中用于驅(qū)動(dòng)的能量只占到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒化學(xué)能的30%左右，另外隨廢氣直接釋放到環(huán)境中的能量占到40%左右，由冷卻水帶出機(jī)體并釋放到環(huán)境中的能量占到剩余的40%左右［1］。為了應(yīng)對日益緊迫的能源危機(jī)，國內(nèi)外專家做過大量的工作通過各種途徑來提高車輛的節(jié)能潛力。從完善內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程來提高車輛的能量利用效率目前已經(jīng)逐步達(dá)到極限。目前電動(dòng)汽車受到各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的普遍重視來應(yīng)對能源危機(jī)［2］。電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能元件利用了從熱電廠大規(guī)模高效率燃燒化石燃料所發(fā)的電能或通過其它新能源途徑獲取的電能，因此電動(dòng)汽車的發(fā)展前景被世界各國普遍看好。純電動(dòng)汽車面臨儲(chǔ)能元件的能量密度限制而影響汽車的續(xù)駛里程，目前其市場競爭力還不如傳統(tǒng)燃油汽車。而混合電動(dòng)汽車集成了燃油汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢，是世界各大汽車公司角逐的主要新能源汽車產(chǎn)品。

汽車熱電回收是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)，將汽車燃油釋放化學(xué)能中約70%的低品位廢熱直接轉(zhuǎn)化為可利用電能，從而提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于油電式混合電動(dòng)汽車具備可共享的功率變換單元和大容量儲(chǔ)電元件等電力電子平臺，擬研究熱電回收對并聯(lián)混合電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車控制策略

研究的熱電回收并聯(lián)混合電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種混合電動(dòng)汽車采用“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”和“動(dòng)力電機(jī)”兩路動(dòng)力并聯(lián)，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩耦合器疊加后傳入變速器中，再經(jīng)過變速系統(tǒng)和主減速器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變換，這樣動(dòng)力就傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱、機(jī)體、機(jī)油油底殼、變速器油底殼及排氣管等熱源的外壁布置熱電模塊系統(tǒng)，熱電模塊回收的電能給熱電模塊電機(jī)供電，這樣回收的汽車廢熱能量就可以實(shí)時(shí)地匯入傳動(dòng)系統(tǒng)中，從而提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

在熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車中“動(dòng)力電機(jī)”與“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”的運(yùn)行方式采用電動(dòng)機(jī)輔助的動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，如圖2所示。

1.1.1 蓄電池的電量充足（即SOC＞cs_lo_soc）

車速低于起動(dòng)轉(zhuǎn)速或者傳動(dòng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉轉(zhuǎn)矩的情況下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)而由 “動(dòng)力電機(jī)”來提供全部轉(zhuǎn)矩。而車速高于起動(dòng)轉(zhuǎn)速，且傳動(dòng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩之間時(shí)由“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”提供轉(zhuǎn)矩。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩大于“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”最大輸出轉(zhuǎn)矩的情況下“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”和“動(dòng)力電機(jī)”共同提供系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩。

1.1.2 蓄電池的電量不足（即SOC＜cs_lo_soc）

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩低于 “發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”最小轉(zhuǎn)矩曲線時(shí)，“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”按照最小轉(zhuǎn)矩曲線提供轉(zhuǎn)矩，剩余的轉(zhuǎn)矩用于給蓄電池充電。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩高于“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”最小轉(zhuǎn)矩曲線時(shí)，“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”按照最佳工作點(diǎn)運(yùn)行，剩余的轉(zhuǎn)矩也用于給蓄電池充電。以上兩種情況中，只要發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)下，熱電模塊會(huì)一直發(fā)電并供應(yīng)給熱電模塊電機(jī)。

1.2 廢熱熱電回收的控制策略

熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的廢熱回收功率與發(fā)動(dòng)機(jī)工況有關(guān)。動(dòng)力系統(tǒng)總成提供的功率為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出功率、熱電模塊電機(jī)功率與動(dòng)力電機(jī)功率之和。因此轉(zhuǎn)矩耦合器輸出的功率（單位W）為：

式中：Te為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，rad/s；Gf為燃油消耗率，g/s；Hu為燃料低熱值，J/g；ηr為熱電模塊廢熱發(fā)電效率；ηm為熱電模塊電機(jī)效率；Pm為動(dòng)力電機(jī)發(fā)出的功率，W。

熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)矩耦合器輸出最大轉(zhuǎn)矩（單位：Nm）為

式中：Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，Nm；Tm為動(dòng)力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N.m；其他參數(shù)含義同式（1）。

熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之和，其值（單位Nm）為：

式中：Vs為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；ωemax為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸最高轉(zhuǎn)速，rad/s；Tmb為動(dòng)力電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Nm；其他參數(shù)含義同式（1）。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化過程中，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加或負(fù)荷增大時(shí)排氣管的排氣溫度是逐漸增加的，排氣廢熱功率也會(huì)增加［3］。適合熱電模塊回收的廢熱，除了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管外，還有冷卻系統(tǒng)和機(jī)體等部位。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算得到各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的最高廢熱功率為：

廢熱功率的獲得為設(shè)計(jì)熱電模塊廢熱回收控制策略提供了方便。根據(jù)測量得到的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出任意工況點(diǎn)的最大廢熱功率。

圖3給出了某型乘用車中1.9 L（95 kW）汽油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從 500～6 000 r/min（12個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)）、節(jié)氣門從15%～100%（10個(gè)負(fù)荷點(diǎn)）的廢熱功率。圖3中用“○”表示該工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱功率大于100 kW，而用“●”表示該工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱功率大于200 kW。從圖3可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱功率隨其轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加而增大，在高速高負(fù)荷下廢熱的功率最大。發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱功率增加時(shí)排氣管、機(jī)體、水箱及油底殼等熱源部位的外壁溫度增加［4］，熱電模塊回收廢熱發(fā)電的功率也相應(yīng)增加。

2 熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車整車仿真

研究的熱電回收并聯(lián)混合電動(dòng)汽車是在某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)乘用車基礎(chǔ)上改裝而成，原車的參數(shù)如表1所示。

表1 某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)乘用車參數(shù)

在ADVISOR 2002中可以很方便地選用不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、底盤、車身、電機(jī)、蓄電池及汽車附件等部件，并可以對“…ADVISOR 2002data”文件夾中與部件參數(shù)關(guān)聯(lián)的M文件進(jìn)行修改，然后對“…ADVISOR 2002models”文件夾中的simulink文件進(jìn)行計(jì)算過程與控制算法模型的修改。圖4顯示了ADVISOR并聯(lián)混合電動(dòng)汽車simulink仿真框圖結(jié)構(gòu)，可以看出數(shù)據(jù)是按照前向和后饋方式混合流經(jīng)每個(gè)部件節(jié)點(diǎn)的［5］。

原汽油乘用車改裝時(shí)擬采用并聯(lián)輕度混合電動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此采用某小型永磁同步直流電機(jī)，電機(jī)的額定功率為25 kW，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，質(zhì)量45 kg，電機(jī)具備電動(dòng)助力和制動(dòng)發(fā)電的功能。蓄電池采用某型6AH的鋰離子動(dòng)力電池，75節(jié)電池單元的串聯(lián)輸出額定電壓為267 V，質(zhì)量28 kg。

應(yīng)用ADVISOR 2002模型可以模擬混合電動(dòng)汽車以及熱電回收的混合電動(dòng)汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。熱電回收的混合電動(dòng)汽車與混合電動(dòng)汽車相比是在汽車的熱源部位安裝了熱電模塊，熱電模塊所發(fā)的電能供應(yīng)給熱電模塊電機(jī)，這樣回收的汽車廢熱能量就可以實(shí)時(shí)地匯入傳動(dòng)系統(tǒng)中。由于熱電模塊電機(jī)的功率隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化，經(jīng)過計(jì)算后修改發(fā)動(dòng)機(jī)M文件中高速高負(fù)荷工況的油耗和外特性轉(zhuǎn)矩曲線就可以建立“發(fā)動(dòng)機(jī)及熱電模塊電機(jī)總成”的ADVISOR模型。原汽油乘用車的性能參數(shù)可以從制造廠商獲得，混合電動(dòng)汽車以及熱電回收混合電動(dòng)汽車的性能參數(shù)是以汽油乘用車的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用ADVISOR 2002模擬計(jì)算得到的。計(jì)算汽車循環(huán)工況油耗時(shí)選用CYC_UDDS近似代表城市路況，而選用CYC_WVUINTER近似代表高速公路路況。

圖5分別給出了城市路況（見圖5a）和高速公路路況（見圖5b）下熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車循環(huán)工況仿真結(jié)果。從圖中可以看出在高速公路路況下發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱功率遠(yuǎn)高于城市路況，而高速公路路況下動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)做功（功率為正值）或制動(dòng)發(fā)電（功率為負(fù)值）的功率要遠(yuǎn)低于城市路況。在城市路況下，汽車頻繁加速或減速的行駛特征，決定了汽車制動(dòng)能回收功率潛力大。而在高速路況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大的行駛特征決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱熱電回收功率潛力較大。汽車制動(dòng)能回收效率較高導(dǎo)致圖5a中電池的SOC值呈鋸齒狀充放電波動(dòng)而下降緩慢。汽車熱電模塊發(fā)出的電能沒有存入蓄電池而是直接匯入傳動(dòng)系統(tǒng)中導(dǎo)致圖5b中電池的SOC值呈不斷下降的趨勢。從圖5中可以看出熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車在不同的路況下可以交替發(fā)揮汽車制動(dòng)能回收和廢熱熱電回收的優(yōu)勢。從理論上分析，熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車比并聯(lián)混合電動(dòng)汽車具有更大的節(jié)能潛力。

表2 三種不同結(jié)構(gòu)的汽車性能比較

表2給出了三種不同結(jié)構(gòu)的汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)比較。從表中可以看出模擬計(jì)算得到的混合電動(dòng)汽車和熱電回收的并聯(lián)混合電動(dòng)汽車的油耗均低于原汽油乘用車。原車改裝為混合電動(dòng)汽車后整車油耗平均下降了9.2%，而并聯(lián)混合電動(dòng)汽車加裝熱電模塊后整車的油耗進(jìn)一步平均下降6.8%。原車改裝為混合電動(dòng)汽車后最大爬坡度提高了27.7%，最高車速提高了3.3%，而加裝熱電回收系統(tǒng)后并聯(lián)混合電動(dòng)汽車的最大爬坡度進(jìn)一步提高了14.2%，最高車速也進(jìn)一步提高了5.6%。加速時(shí)間也顯示了加裝熱電回收系統(tǒng)后并聯(lián)混合電動(dòng)汽車的動(dòng)力性進(jìn)一步增加。

3 結(jié)論

（1）提出了熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)控制策略和廢熱熱電回收控制策略，用于建立ADVISOR汽車分析模型。

（2）模型仿真結(jié)果顯示在城市路況下熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車具有較大的汽車制動(dòng)能回收潛力，而在城市路況下熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車具有較大的熱電廢熱回收潛力，因此熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車在不同的路況下都可以發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢。

（3）并聯(lián)混合電動(dòng)汽車比原汽油乘用車具備更高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而加裝熱電回收系統(tǒng)后的熱電并聯(lián)混合電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)一步提高。

［1］Jihui Yang，F(xiàn)rancis r.Stabler.Automotive Applications of Thermoelectric Materials ［J］.Journal of Electronic Materials，2009（38）：1245～1251.

［2］Barack Obama.The State Of the Union 2011--Winning the Future ［OL］.http：//www.whitehouse.gov/state-of-the-union-2011.

［3］蔡銳彬，陳子健，等.車用汽油機(jī)排氣溫度特性的研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（7）：77-80.

［4］趙付舟，王俊席，等.輕型柴油汽車中適合熱電回收的主要熱源特征研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2013（1）：40-45.

［5］曾小華.基于ADVISOR軟件的雙軸驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車性能仿真模塊開發(fā)［J］.汽車工程，2003（5）：424-427.