基于工况分析的混合动力系统设计

（a）工况循环 1
60 40 20 0
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 时 间/s
（b）工况循环 2
图 1 上海典型城市工况循环
2 工况分析
2.1 行驶特性
图 1 所示工况循环采样间隔为 0.5 s，车速数据
经对时间求导得各车速点的加速度， 经对时间积分
得整个工况循环的行驶距离。 将车速为零、 加速度
2012 年 第 2 期
表 3 加、减速过程时间统计结果
%
统计指标
上海典型城 上海典型城 市工况 1 市工况 2
加
0≤加速时间≤20 s
37
96
速
过
20 s<加速时间≤30 s
38
4
程
加速时间>30 s
25
0
减
0≤减速时间≤20 s
38
94
速
过
20 s<减速时间≤30 s
33
95%的整车加速能量需求以及 90%、100%的整车减
速能量需求。 从功率角度而言，6 kW、10 kW 的功率
能够分别覆盖 80%、100%的整车加速功率需求以及
整车减速功率需求。
汽车技术
·设计·计算·研究·
表 2 能量、功率统计结果
%
统计指标
上海典型城 上海典型城 市工况 1 市工况 2
0≤加速能量（1）≤50 kJ
Key words：Hybrid system, Cycle analysis, Design
目前， 混合动力汽车作为交通领域节能减排的 一种重要途径， 其技术关键在于提高整车能量转换 效率、 改善发动机工作点。 而要维持发动机始终工 作在高效区，则必须通过优化控制策略、制定合理的 换挡策略、 选用高效区位置并在目标运行工况中分 布理想的动力部件和储能部件[1，2]来实现。 同时，目 标运行工况中的怠速时间和车速波动等特性对整车 排放也有重大影响[3]。 本文拟用数据采集设备对目 标运行工况进行采集， 并基于该数据对不同整车运 行工况中轮端的能量、功率、时间进行统计分析。
49
45
3 kW<加速功率≤6 kW
5
30
6 kW<加速功率≤10 kW
0
10
0≤驱动功率（4）≤1 kW
21
15
1 kW<驱动功率≤3 kW
54
30
3 kW<驱动功率≤6 kW
23
37
6 kW<驱动功率≤10 kW
2
18
0≤减速能量≤50 kJ
67
75
50 kJ<减速能量≤100 kJ
30
17
100 kJ<减速能量≤160 kJ
电机和超级电容器应满足该部分能量和功率的需
求。 利用科学统计方法， 将图 1 工况循环中的加速
与减速过程能量、功率分布情况进行了统计，结果见
表 2 所列。
上海典型城市工况中平均车速较低， 由滚动阻
力和迎风阻力引起的能量、 功率增加有限。 从能量
角度而言，100 kJ、160 kJ 的能量能够分别覆盖 85%、
耗或通过能量回收途径进行回收。 将图 1 工况循环
的所有加、减速过程进行剥离，根据能量守恒定律式
（1） 和 能 量 - 功 率 方 程 式 （2） 求 得 每 次 加 减 速 过 程 的
功率、能量值。
! " E=
1 2
m
22
v2 -v1
（1）
Pavg=
E t
（2）
式中，m 为整车整备质量；v1 为每次加、 减速过程开 始时的车速；v2 为每次加、 减过程完成时的车速；E 为每次加、减速过程中消耗的能量；Pavg 为每次加、减 速过程中消耗的平均功率；t 为每次加、减速过程所
— 12 —
离合器
I
S
MT
G
发动机
电机控制器
超级 电容
图 2 混合动力系统结构
2.2 能量、功率分析
汽车行驶除需克服滚动阻力、迎风阻力外，还需
要根据道路坡度情况和整车加速状况克服坡度阻力
和加速阻力[6]。 若图 1 工况循环中的车速变化均由
整车加减速引起而不考虑道路坡道情况， 那么其加
速功率必须由动力源提供， 减速功率由制动设备消
69
82
50 kJ<加速能量≤100 kJ
23
8Байду номын сангаас
100 kJ<加速能量≤160 kJ
8
10
0≤驱动能量（2）≤50 kJ
46
81
50 kJ<驱动能量≤100 kJ
36
10
100 kJ<驱动能量≤160 kJ
13
5
加
驱动能量>160 kJ
5
4
速
过
0≤加速功率（3）≤1 kW
46
15
程 1 kW<加速功率≤3 kW
为零的工况过程视为怠速工况，将车速大于零、加速
度为零的工况过程视为巡航工况， 由此得出整个工
况循环的各项统计数据见表 1 所列。
表 1 工况统计分析
统计指标
上海典型城市工况 1 上海典型城市工况 2
时 间/s
2809.5
2635.5
路 程 /km
10.37
12.35
平均车速 a（1）/km·h-1
13.29
·设计·计算·研究·
基于工况分析的混合动力系统设计 *
于海生 1，2 王 晨 2 张建武 1 张 彤 2 汪东坪 2
（1.上海交通大学；2.电子传动公司）
【摘要】通过对上海典型城市工况循环的构建与分析得到了目标车型的基本行驶参数，并分析了加减速过程 中 整车能量消耗、功率消耗的分布情况。 对该车混合动力系统控制策略进行了优化，并在 ECE+EUDC 联合工况下分别 以混合动力模式和传统车模式进行了仿真对比。 结果表明，以混合动力模式运行时，整车能够及时跟踪期望车速，并 且能按预期目标实现发动机托动、怠速停机、加速助力和制动能量回收功能；该动力系统方案下混合动力运行模式 比传统运行模式燃油经济性提高 12%以上。
2.3 时间分析 工况循环 1 中整车平均加、减速度值小，加、减速
过程时间长；工况循环 2 中整车平均加、减速度值大， 加、减速过程时间短。 其分布统计结果见表 3 所列。
由表 3 可知，20 s、30 s 的加速时间能够分别覆 盖 37%、75%的加速时间需求以及 38%、71%的减速时 间需求，对于特别拥挤的路段或者上下班高峰时期， 该覆盖度将再大幅提升。 而对于时间超过 30 s 的加、 减速过程，在上海典型城市工况中出现频率较低。
3
7
减
速
减速能量>160 kJ
0
1
过
0≤减速功率≤1 kW
41
18
程
1 kW<减速功率≤3 kW
54
38
3 kW<减速功率≤6 kW
5
25
6 kW<减速功率≤10 kW
0
19
注：（1） 加速能量是指 ISG 电 机 和 超 级 电 容 器 仅 提 供 满 足 整车加速需求的能量（不包括克服滚动阻力和迎风阻力所需 的能量）；（2）驱动能量是指 ISG 电 机 和 超 级 电 容 器 提 供 加 速 过程中所有整车需求的能量（包括克服滚动阻力和迎风阻力 所需的能量）；（3）加速功率是指 ISG 电 机 和 超 级 电 容 器 仅 提 供满足整车加速需求的功率（不包括克服滚动阻力和迎风阻 力所需 的功率）；（4）驱动功率是 指 ISG 电 机 和 超 级 电 容 器 提 供加速过程中所有整车需求的功率（包括克服滚动阻力和迎 风阻力所需的功率）。
16.87
平均车速 b（2）/km·h-1
19.46
28.25
最 高 车 速 /km·h-1
55.54
58.68
平 均 加 速 度 /m·s-2
0.21
0.53
平 均 减 速 度 /m·s-2
-0.22
-0.57
怠 速 比 例 /%
31.38
39.78
巡 航 比 例 /%
0
8.1
注 ：（1）包 括 怠 速 过 程 ；（2）不 包 括 怠 速 过 程 。
觹 基金项目：国家高技术研究发展计划项目（2006AA11A128）；上海科技启明星计划项目（11QB1402600）。 2012 年 第 2 期
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·设计·计算·研究·
车 速 /km·h-1
车 速 /km·h-1
60 40 20 0
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 时 间/s
经历的时间。
该算法所得的能量值 E 和平均功率值 Pavg 仅为 整车克服加速阻力而需要的能量和功率， 而系统克
服滚动阻力和迎风阻力所消耗的功率不包括其中。
实际加速过程中， 系统要求优化发动机节气门
开度变化曲线，减缓其变化量，使发动机由某一工况
点经一系列稳态过程逐渐过渡到另一工况点， 从而
避免急加速加浓喷油过程。 所以，目标方案中的 ISG
由表 1 可知，上海市区的汽车行驶车速普遍较 低 ，平 均 不 超 过 30 km/h；汽 车 加 减 速 频 繁 ，占 到 整 个工况循环的 50%以上； 发动机怠速工况严重，占 到整个工况比例的 30%以上。 因此，上海城市工况 循环下传统发动机频繁工作在低效率区域内，不利 用整车的节能减排。 而采 用 如 图 2[5]所 示 的 混 合 动 力 系 统 则 能 充 分 发 挥 ISG （Integrated Starter and Generator ） 电 机 加 速 助 力 、 减 速 制 动 能 量 回 收 、 发 动 机怠速停机等功能，从而降低整车油耗，减少污染 物排放。