CN108388746A - 一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，旨在解决现有技术中混合动力汽车油耗理论计算与分析方法不完善、在混合动力汽车前期开发设计过程中无法快速实现理论计算、且缺乏油耗微观细节量化分析依据的问题，本方法包括以下步骤：一、混合动力汽车油耗理论计算，包括：1)混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分；2)混合动力汽车系统各结点能量流计算；3)混合动力汽车系统平均综合传动效率计算；4)建立混合动力汽车油耗理论计算模型；二、混合动力汽车油耗影响因素分析，包括：1)混合动力汽车理论油耗增量计算模型；2)混合动力汽车油耗影响因素定量分析，实现混合动力汽车油耗影响因素细节量化分析。

Description

一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法

技术领域

本发明涉及一种车辆油耗理论计算与分析方法，更确切的说，本发明涉及一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法。

背景技术

混合动力汽车作为传统汽车向电动汽车发展的过渡车型，能够有效缓解汽车产业发展带来的环境污染以及能源危机问题，近年来发展迅速。相比传统汽车，混合动力汽车增加了动力电池、电动机、发电机等装置，整车动力系统与传动系统发生了重大的变化，其油耗测试与评价相比传统汽车也随之改变。

当前技术针对混合动力汽车的油耗分析，主要利用仿真分析或者试验测试的手段，通过一定的后处理与校正手段得到整车百公里油耗。一方面，通过仿真或者实车测试分析只能从宏观角度说明混合动力系统的燃油经济性表现；另一方面，通过仿真建模或者实车试验也需要开发测试人员花费较多的建模调试与试验测试时间，增加了混合动力汽车的开发成本；此外，现有仿真或试验技术手段也缺乏对混合动力汽车油耗影响因素的细节定量分析。

现有的一些专利，如中国专利公开号为CN 102169002A，公开日为2011年 8月31日，发明名称为“一种测量混合动力电动汽车油耗和排放的方法”，该发明同时考虑发电系统能量转化效率与电池的能量转换效率，提供一种测量混合动力汽车油耗和排放的方法。中国专利公开号CN 106352934A，公开日为2017 年1月25日，发明名称为“插电式混合动力车的燃油经济性测试系统及方法”，该发明通过有效测试道路相对应的电能消耗和燃油消耗量叠加后求平均，最终得到整车的百公里油耗。中国专利公开号CN 102798422A，公开日为2012年11 月28日，发明名称为“一种测量混合动力电动汽车油耗的方法”，该发明提供一种考虑电池能量转化效率，并利用当量里程法对油耗进行修正以获取混合动力电动汽车油耗的方法。中国专利公开号CN 101819053A，公开日为2010年9 月1日，发明名称为“一种中度混合动力汽车油耗计算、存储与显示方法”，该发明针对混合动力车辆的不同工作模式采取相应的计算方法，使混合动力汽车油耗计算更加贴近实际。

综上所述，现有的混合动力汽车油耗计算分析方面的专利，多针对混合动力汽车油耗的测试与评价体系以及混合动力汽车油耗与电量折算问题；现有技术手段仅能从宏观角度计算或测试得到混合动力汽车的油耗与燃油经济性表现，缺乏定量的油耗理论计算分析，以便帮助混合动力汽车开发人员快速深入了解所开发系统的优缺点；同时针对混合动力汽车油耗影响因素，现有技术尚未形成有效的量化计算依据，以便实现混合动力汽车微观细节的油耗影响因素分析，指明混合动力汽车节能优化提升方向；因此，有必要提供一种完善、可靠的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法来弥补现有技术的不足。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中混合动力汽车油耗理论计算与分析方法不完善、在混合动力汽车前期开发设计过程中无法快速实现理论计算、且缺乏油耗微观细节量化分析依据的问题，提出一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，既能从宏观能量角度计算混合动力系统油耗，也可以从细节定量表征不同油耗影响因素变化时对系统油耗的影响。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，包括以下步骤：

步骤一、混合动力汽车油耗理论计算，基于混合动力汽车系统工作原理，划分混合动力汽车系统功能模块与能量流结点，并计算不同结点位置能量流，建立混合动力汽车理论油耗计算模型，包括以下步骤：

1)混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分，根据混合动力汽车系统内部能量流动特点划分功能模块与能量结点，包括：动力源模块、传动系统模块以及车体模块；其中动力源模块由发动机和动力电池组成，传动模块由电动机或发电机以及变速机构组成；

2)混合动力汽车系统各结点能量流计算，根据上述步骤1)划分的混合动力汽车系统能量流动结点，计算各结点能量流，包括：车轮处循环总驱动能量、发动机消耗燃油总能量、发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量、动力电池放电总能量以及动力电池充电总能量；

3)混合动力汽车油耗理论计算模型，根据上述步骤2)计算得到的混合动力汽车系统内部各结点处能量流，利用能量守恒定律，计算混合动力汽车系统平均综合传动效率，并建立混合动力汽车油耗理论计算模型；

步骤二、混合动力汽车油耗影响因素分析，依据步骤一建立的混合动力汽车油耗理论计算模型，结合混合动力汽车油耗影响因素，进一步建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型，实现混合动力汽车油耗影响因素定量分析，包括以下内容：

1)混合动力汽车理论油耗增量计算模型，依据上述步骤一建立的混合动力汽车油耗理论计算模型，加入动力电池电量消耗修正，得到混合动力汽车理论综合油耗计算模型，并考虑混合动力汽车再生制动能量回收变化、系统平均综合传动效率变化以及发动机平均燃油消耗率变化，建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型；

2)混合动力汽车油耗影响因素定量分析，根据上述步骤1)建立的混合动力汽车理论油耗增量计算模型，进一步计算混合动力汽车节油量以及节油率，并基于此定量分析再生制动、发动机平均燃油消耗率以及系统平均综合传动效率变化对混合动力汽车油耗的影响。

本发明所述的一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其中，步骤一混合动力汽车油耗理论计算中所述的混合动力系统油耗理论计算模型具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分

本发明所述的混合动力汽车系统功能模块划分如下：动力源模块、传动系统模块以及车体模块。其中，动力源模块由发动机和动力电池组成，传动模块由电动机或发电机以及变速机构组成。根据混合动力汽车基本工作原理以及混合动力汽车工作过程中系统内部能量流动，动力源模块从油箱获取燃油能量，并经过传动系统模块为车体模块提供发动机产生的机械能与动力电池电能，同时动力电池还可以通过传动系统模块接收制动过程中车体模块的制动动能；传动系统模块主要起到能量传递与转化的功能，驱动时接收动力源模块能量并为车体模块提供机械动能，制动时接收车体模块能量并转化为电能为动力电池充电；车体模块简化为整车纵向动力学模型，如公式(1)所示。

F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j (1)

式中，F_t——车轮处整车驱动力

F_f——滚动阻力

F_w——空气阻力

F_i——坡道阻力

F_j——加速阻力

本发明所述的混合动力汽车系统能量流动结点包括：车轮处能量流结点、油箱能量流结点、发动机能量流结点、动力电池能量流结点、动力电池端再生制动能量流结点。

(2)混合动力汽车系统各结点能量流计算

根据所划分的混合动力汽车系统能量流动结点，计算各结点能量流，包括：车轮处循环总驱动能量、发动机消耗燃油总能量、发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量、动力电池放电总能量以及动力电池充电总能量，具体计算方法如公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式 (7)所示。

E_fuel＝f_e/C*Calori/3600 (3)

E_ice＝f_e/C/b_e,avg (4)

E_{bat_dischrg}＝max{0,(Soc_ini-Soc_end)*BatE*3600} (6)

E_{bat_chrg}＝min{0,(Soc_ini-Soc_end)*BatE*3600} (7)

式中，E_wh——车轮处循环工况理论总驱动能量

E_ice——发动机实际提供能量

E_rgb——动力电池端再生制动总回收能量

E_{bat_dischrg}——动力电池放电总能量

E_{bat_chrg}——动力电池充电总能量

f_e——混合动力汽车百公里燃油消耗

F_t(t)——循环工况各工作点对应的需求驱动力

v(t)——循环工况各工作点对应的车速

n——循环工况总时间

Calori——柴油燃油热值

Soc(t)——循环工况各工作点对应的动力电池SOC的变化

Soc_ini——动力电池初始SOC状态

Soc_end——动力电池终止SOC状态

BrkPedal(t)——循环工况各点对应的制动踏板开度

BatE——动力电池的能量

b_e,avg——发动机平均燃油消耗率

C——油耗单位转换系数

(3)混合动力汽车系统平均综合传动效率计算

根据混合动力汽车的工作原理，所划分的传动系统模块的输入能量流包括：发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量以及动力电池放电总能量；所划分的传动系统模块的输出能量流包括：车轮处循环工况理论总驱动能量以及动力电池充电总能量。依据能量守恒定律，混合动力汽车系统平均综合传动效率计算如公式(8)所示：

式中，η_tr——混合动力汽车系统平均综合传动效率

(4)混合动力汽车理论油耗计算模型

依据上述步骤(3)计算的混合动力汽车系统平均综合传动效率，结合混合动力汽车系统内部能量流动，混合动力汽车油耗理论计算模型如公式(9)、公式(10)和公式(11)所示：

C＝1/1000/ρ_fuel/3600*100/x_tot (10)

式中，η_{bat_chrg}——动力电池充电平均效率

η_{bat_dischrg}——动力电池放电平均效率

ρ_fuel——燃油密度

x_tot——循环工况总行驶里程

Me(t)——循环工况各点发动机喷油量

Pe(t)——循环工况各点发动机实际输出功率。

本发明所述的一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其中，步骤二混合动力汽车油耗影响因素分析中所述的混合动力汽车理论油耗增量计算模型具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车理论综合油耗计算模型：混合动力汽车行驶过程中，车轮处循环工况理论总驱动能量取决于循环工况需求，在循环工况选定的情况下，该能量为常数；动力电池充电总能量、动力电池放电总能量则取决于循环工况仿真结束后动力电池SOC的终值：若工况运行结束动力电池SOC完全平衡，则动力电池充电总能量、动力电池放电总能量均为0；但实际控制过程中很难实现动力电池SOC的完全平衡。因此，在上述混合动力汽车油耗理论计算模型的基础上加入动力电池电量修正，将动力电池充电总能量、动力电池放电总能量等效计算为混合动力汽车百公里油耗，如公式(12)所示：

式中，f_{e_unify}——混合动力汽车理论综合油耗

(2)混合动力汽车油耗影响因素变化梯度计算：影响混合动力汽车油耗的主要因素包括再生制动能量回收、系统平均综合传动效率、发动机平均燃油消耗率。根据各因素变化量分别计算再生制动能量回收变化、系统平均综合传动效率变化梯度以及发动机平均燃油消耗率变化梯度，如公式(13)、公式(14) 和公式(15)所示：

E_{rgb_inc}＝E_rgb+ΔE_rgb (13)

式中，E_{rgb_inc}——变化后的混合动力汽车再生制动回收能量

ΔE_rgb——混合动力汽车再生制动回收能量变化量

▽——系统平均综合传动效率的变化梯度

Δη——系统平均综合传动效率变化量

η_{tr_inc}——变化后的系统平均综合传动效率

γ——发动机平均燃油消耗率的变化梯度

Δb_e——发动机平均燃油消耗率变化量

b_{e,avg_inc}——变化后的发动机平均燃油消耗率

(3)混合动力汽车理论油耗增量计算模型：在上述步骤(1)所述的混合动力汽车理论综合油耗计算模型以及上述步骤(2)所述的混合动力汽车油耗影响因素变化梯度计算的基础上，进一步推导建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型，如公式(16)所示：

式中，f_{e_unify_inc}——各因素变化后混合动力汽车综合百公里油耗。

本发明所述的一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其中，步骤二混合动力汽车油耗影响因素分析所述的混合动力汽车油耗影响因素定量分析具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车节油量与节油率计算：根据上述计算的混合动力汽车油耗理论计算模型以及混合动力汽车油耗增量计算模型，进一步计算混合动力汽车在不同因素下的节油量与节油率，如公式(17)和公式(18)所示：

式中，Δfe——混合动力汽车节油量

σ_fe——混合动力汽车节油率

(2)再生制动能量回收变化对混合动力汽车油耗影响分析：当混合动力汽车基本控制策略不变的情况下，再生制动对发动机平均燃油消耗率变化影响很小，忽略再生制动对发动机平均燃油消耗率影响的前提下，令γ≈0，进而推导出再生制动能量回收可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(19)所示：

σ_{fe_rgb}——再生制动能量回收变化可实现的节油率

Δfe_{_rgb}——再生制动能量回收变化可实现的节油量

(3)发动机平均燃油消耗率变化对混合动力汽车油耗影响分析：发动机平均燃油消耗率变化不会影响再生制动能量回收，即ΔE_rgb＝0，同时忽略发动机平均燃油消耗率变化对系统平均综合传动效率的影响，令▽≈0，进而推导出发动机平均燃油消耗率变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(20) 所示：

σ_{fe_be}——发动机平均燃油消耗率变化可实现的节油率

Δ_{fe_be}——发动机平均燃油消耗率变化可实现的节油量

(4)系统平均综合传动效率变化对混合动力汽车油耗影响分析：混合动力汽车系统平均综合传动效率主要受到机械效率、电机工作效率以及控制策略影响，不考虑再生制动能量回收变化的影响情况下，令ΔE_rgb＝0，且维持混合动力汽车基本控制规则不变使发动机平均燃油消耗率基本不变，即γ＝0，推导出系统平均综合传动效率变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(21) 所示：

σ_{fe_η}——系统平均综合传动效率变化可实现的节油率

Δ_{fe_η}——系统平均综合传动效率变化可实现的节油量。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.基于混合动力汽车系统内部能量流角度，建立基于能量计算的混合动力汽车油耗理论计算方法，可以在混合动力汽车前期开发设计过程中，实现油耗性能快速计算，也可以从宏观角度辅助证明混合动力汽车油耗结果的合理性；

2.基于能量守恒定律计算混合动力汽车系统平均综合传动效率，将影响混合动力汽车油耗的耦合因素统一至系统平均综合传动效率变化，有助于揭示混合动力汽车节能机理，辅助实现混合动力系统油耗影响因素定量分析；

3.通过建立混合动力汽车油耗增量计算模型，进而从能量角度计算混合动力汽车节油量与节油率，建立混合动力汽车油耗影响因素的量化依据，可以帮助混合动力汽车开发设计人员深入了解所开发系统的优缺点，分解系统节能优化指标；

4.通过提出的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，可以预测分析未来混合动力汽车极限油耗性能，有助于为实车研发、标定人员指明系统优化方向，进一步提升整车燃油经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法整体流程图；

图2为本发明所述的混合动力系统功能模块与能量流动结点划分示意图；

图3为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中行星式功率分流混合动力汽车构型示意图；

图4为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中混合动力汽车油耗实际仿真与理论计算对比；

图5为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中再生制动能量回收油耗影响因素理论分析结果；

图6为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中再生制动能量回收变化实现的节油量与节油率变化趋势；

图7为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中发动机平均燃油消耗率油耗影响因素理论分析结果；

图8为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中发动机平均燃油消耗率变化实现的节油量与节油率变化趋势；

图9为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中机械效率油耗影响因素理论分析结果；

图10为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中电动机MG2效率油耗影响因素理论分析结果；

图11为本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法实施例中发电机MG1效率油耗影响因素理论分析结果；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法分为两个步骤：步骤一为混合动力汽车油耗理论计算，基于混合动力汽车系统基本工作原理，划分混合动力汽车系统功能模块与能量流结点，并计算不同结点位置能量流，结合能量守恒定律计算混合动力汽车系统平均综合传动效率，建立混合动力汽车理论油耗计算模型；步骤二为混合动力汽车油耗影响因素分析，依据步骤一建立的混合动力汽车油耗理论计算模型，结合混合动力汽车油耗影响因素，包括再生制动能量回收变化、发动机平均燃油消耗率变化以及系统平均综合传动效率变化，进一步建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型，实现混合动力汽车油耗影响因素定量分析。

首先，经过步骤一混合动力汽车油耗理论计算，可以快速得到混合动力汽车理论油耗，辅助证明混合动力汽车宏观油耗结果的合理性；然后依据步骤二混合动力汽车油耗影响因素分析，对再生制动能量回收、发动机平均燃油消耗率与系统平均综合传动效率三种油耗影响因素进行定量分析，并分别计算各油耗影响因素可实现的节油量与节油率。

本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，包括以下步骤：

步骤一、混合动力汽车油耗理论计算

参阅图1，混合动力汽车油耗理论计算内容包括：(1)混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分；(2)混合动力汽车系统各结点能量流计算；(3) 混合动力汽车系统平均综合传动效率计算；(4)建立混合动力汽车油耗理论计算模型。具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分

参阅图2，本发明所述的混合动力汽车系统功能模块划分如下：动力源模块、传动系统模块以及车体模块。其中，动力源模块由发动机和动力电池组成，传动模块由电动机或发电机以及变速机构组成。根据混合动力汽车基本工作原理以及混合动力汽车工作过程中系统内部能量流动，动力源模块从油箱获取燃油能量，并经过传动系统模块为车体模块提供发动机产生的机械能与动力电池电能，同时动力电池还可以通过传动系统模块接收制动过程中车体模块的制动动能；传动系统模块主要起到能量传递与转化的功能，驱动时接收动力源模块能量并为车体模块提供机械动能，制动时接收车体模块能量并转化为电能为动力电池充电；车体模块简化为整车纵向动力学模型，如公式(1)所示。

F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j (1)

式中，F_t——车轮处整车驱动力

F_f——滚动阻力

F_w——空气阻力

F_i——坡道阻力

F_j——加速阻力

参阅图2，本发明所述的混合动力汽车系统能量流动结点包括：车轮处能量流结点、油箱能量流结点、发动机能量流结点、动力电池能量流结点、动力电池端再生制动能量流结点。

(2)混合动力汽车系统各结点能量流计算

根据所划分的混合动力汽车系统能量流动结点，计算各结点能量流，包括：车轮处循环总驱动能量、发动机消耗燃油总能量、发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量、动力电池放电总能量以及动力电池充电总能量，具体计算方法如公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式 (7)所示。

E_fuel＝f_e/C*Calori/3600 (3)

E_ice＝f_e/C/b_e,avg (4)

E_{bat_dischrg}＝max{0,(Soc_ini-Soc_end)*BatE*3600} (6)

E_{bat_chrg}＝min{0,(Soc_ini-Soc_end)*BatE*3600} (7)

式中，E_wh——车轮处循环工况理论总驱动能量

E_ice——发动机实际提供能量

E_rgb——动力电池端再生制动总回收能量

E_{bat_dischrg}——动力电池放电总能量

E_{bat_chrg}——动力电池充电总能量

f_e——混合动力汽车百公里燃油消耗

F_t(t)——循环工况各工作点对应的需求驱动力

v(t)——循环工况各工作点对应的车速

n——循环工况总时间

Calori——柴油燃油热值

Soc(t)——循环工况各工作点对应的动力电池SOC的变化

Soc_ini——动力电池初始SOC状态

Soc_end——动力电池终止SOC状态

BrkPedal(t)——循环工况各点对应的制动踏板开度

BatE——动力电池的能量

b_e,avg——发动机平均燃油消耗率

C——油耗单位转换系数

(3)混合动力汽车系统平均综合传动效率计算

根据混合动力汽车的工作原理，所划分的传动系统模块的输入能量流包括：发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量以及动力电池放电总能量；所划分的传动系统模块的输出能量流包括：车轮处循环工况理论总驱动能量以及动力电池充电总能量。依据能量守恒定律，混合动力汽车系统平均综合传动效率计算如公式(8)所示：

式中，η_tr——混合动力汽车系统平均综合传动效率

(4)混合动力汽车理论油耗计算模型

依据上述步骤(3)计算的混合动力汽车系统平均综合传动效率，结合混合动力汽车系统内部能量流动，混合动力汽车油耗理论计算模型如公式(9)、公式(10)和公式(11)所示：

C＝1/1000/ρ_fuel/3600*100/x_tot (10)

式中，η_{bat_chrg}——动力电池充电平均效率

η_{bat_dischrg}——动力电池放电平均效率

ρ_fuel——燃油密度

x_tot——循环工况总行驶里程

Me(t)——循环工况各点发动机喷油量

Pe(t)——循环工况各点发动机实际输出功率。

步骤二、混合动力汽车油耗影响因素分析

参阅图1，混合动力汽车油耗影响因素分析内容包括：(1)建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型；(2)混合动力汽车油耗影响因素定量分析。具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车理论油耗增量计算模型

a.混合动力汽车理论综合油耗计算模型：混合动力汽车行驶过程中，车轮处循环工况理论总驱动能量取决于循环工况需求，在循环工况选定的情况下，该能量为常数；动力电池充电总能量、动力电池放电总能量则取决于循环工况仿真结束后动力电池SOC的终值：若工况运行结束动力电池SOC完全平衡，则动力电池充电总能量、动力电池放电总能量均为0；但实际控制过程中很难实现动力电池SOC的完全平衡。因此，在上述混合动力汽车油耗理论计算模型的基础上加入动力电池电量修正，将动力电池充电总能量、动力电池放电总能量等效计算为混合动力汽车百公里油耗，如公式(12)所示：

式中，f_{e_unify}——混合动力汽车理论综合油耗

b.混合动力汽车油耗影响因素变化梯度计算：影响混合动力汽车油耗的主要因素包括再生制动能量回收、系统平均综合传动效率、发动机平均燃油消耗率。根据各因素变化量分别计算再生制动能量回收变化、系统平均综合传动效率变化梯度以及发动机平均燃油消耗率变化梯度，如公式(13)、公式(14)和公式(15)所示：

E_{rgb_inc}＝E_rgb+ΔE_rgb (13)

式中，E_{rgb_inc}——变化后的混合动力汽车再生制动回收能量

ΔE_rgb——混合动力汽车再生制动回收能量变化量

▽——系统平均综合传动效率的变化梯度

Δη——系统平均综合传动效率变化量

η_{tr_inc}——变化后的系统平均综合传动效率

γ——发动机平均燃油消耗率的变化梯度

Δb_e——发动机平均燃油消耗率变化量

b_{e,avg_inc}——变化后的发动机平均燃油消耗率

c.混合动力汽车理论油耗增量计算模型：在上述步骤(1)所述的混合动力汽车理论综合油耗计算模型以及上述步骤(2)所述的混合动力汽车油耗影响因素变化梯度计算的基础上，进一步推导建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型，如公式(16)所示：

式中，f_{e_unify_inc}——各因素变化后混合动力汽车综合百公里油耗。

(2)混合动力汽车油耗影响因素定量分析

a.混合动力汽车节油量与节油率计算：根据上述计算的混合动力汽车油耗理论计算模型以及混合动力汽车油耗增量计算模型，进一步计算混合动力汽车在不同因素下的节油量与节油率，如公式(17)和公式(18)所示：

式中，Δfe——混合动力汽车节油量

σ_fe——混合动力汽车节油率

b.再生制动能量回收变化对混合动力汽车油耗影响分析：当混合动力汽车基本控制策略不变的情况下，再生制动对发动机平均燃油消耗率变化影响很小，忽略再生制动对发动机平均燃油消耗率影响的前提下，令γ≈0，进而推导出再生制动能量回收可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(19)所示：

σ_{fe_rgb}——再生制动能量回收变化可实现的节油率

Δfe_{_rgb}——再生制动能量回收变化可实现的节油量

c.发动机平均燃油消耗率变化对混合动力汽车油耗影响分析：发动机平均燃油消耗率变化不会影响再生制动能量回收，即ΔE_rgb＝0，同时忽略发动机平均燃油消耗率变化对系统平均综合传动效率的影响，令▽≈0，进而推导出发动机平均燃油消耗率变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(20)所示：

σ_{fe_be}——发动机平均燃油消耗率变化可实现的节油率

Δfe_{_be}——发动机平均燃油消耗率变化可实现的节油量

d.系统平均综合传动效率变化对混合动力汽车油耗影响分析：混合动力汽车系统平均综合传动效率主要受到机械效率、电机工作效率以及控制策略影响，不考虑再生制动能量回收变化的影响情况下，令ΔE_rgb＝0，且维持混合动力汽车基本控制规则不变使发动机平均燃油消耗率基本不变，即γ＝0，推导出系统平均综合传动效率变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(21)所示：

σ_{fe_η}——系统平均综合传动效率变化可实现的节油率

Δfe_{_η}——系统平均综合传动效率变化可实现的节油量。

实施例：

本实施例基于行星式功率分流混合动力汽车，验证本发明提出的油耗理论计算与分析方法的有效性。

参阅图3，本实施例基于某公交客车平台行星式功率分流混合动力系统构型进行分析。所述的行星构型具有转速、转矩双解耦的能力，可将发动机控制在最优工作曲线，获得较好的经济性能。

参阅图4，中国典型城市工况下，混合动力汽车实际仿真油耗与采用本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算方法得到的油耗结果基本保持一致，计算误差小于0.01％，说明本发明所述的混合动力汽车油耗理论计算方法合理；

参阅图5、图6，与不进行再生制动能量回收相比，不同再生制动能量回收工况下混合动力汽车实际仿真计算节油率，与采用本发明所述的混合动力汽车油耗理论分析方法得到的节油率结果基本吻合，计算误差均小于5％；其中，图中所述的能量回收率定义为表示再生制动回收能量占车轮处理论驱动能量的回收率；

参阅图7、图8，不同发动机平均燃油消耗率的变化情况下，混合动力汽车实际仿真计算节油率与采用本发明所述的混合动力汽车油耗理论分析方法得到的节油率结果基本吻合，计算误差均小于5％；

参阅图9、图10、图11，混合动力汽车系统平均综合传动效率受到机械效率、发电机MG1效率以及电动机MG2效率的影响；关闭再生制动的情况下，当混合动力汽车机械效率、发电机MG1效率以及电动机MG2效率变化的情况下，系统平均综合传动效率随之改变；同时对应不同系统平均综合传动效率的情况，混合动力汽车实际仿真计算节油率与采用本发明所述的混合动力汽车油耗理论分析方法得到的节油率结果基本吻合，计算误差均小于5％，说明本发明所述的混合动力汽车油耗理论分析方法合理。

Claims (4)

1.一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、混合动力汽车油耗理论计算，基于混合动力汽车系统工作原理，划分混合动力汽车系统功能模块与能量流结点，并计算不同结点位置能量流，建立混合动力汽车理论油耗计算模型，包括以下步骤：

1)混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分，根据混合动力汽车系统内部能量流动特点划分功能模块与能量结点，包括：动力源模块、传动系统模块以及车体模块；其中动力源模块由发动机和动力电池组成，传动模块由电动机或发电机以及变速机构组成；

2)混合动力汽车系统各结点能量流计算，根据上述步骤1)划分的混合动力汽车系统能量流动结点，计算各结点能量流，包括：车轮处循环总驱动能量、发动机消耗燃油总能量、发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量、动力电池放电总能量以及动力电池充电总能量；

3)混合动力汽车油耗理论计算模型，根据上述步骤2)计算得到的混合动力汽车系统内部的各结点能量流，利用能量守恒定律，计算混合动力汽车系统平均综合传动效率，并建立混合动力汽车油耗理论计算模型；

步骤二、混合动力汽车油耗影响因素分析，依据步骤一建立的混合动力汽车油耗理论计算模型，结合混合动力汽车油耗影响因素，进一步建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型，实现混合动力汽车油耗影响因素定量分析，包括以下内容：

1)混合动力汽车理论油耗增量计算模型，依据上述步骤一建立的混合动力汽车油耗理论计算模型，加入动力电池电量消耗修正，得到混合动力汽车理论综合油耗计算模型，并考虑混合动力汽车再生制动能量回收变化、系统平均综合传动效率变化以及发动机平均燃油消耗率变化，建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型；

2)混合动力汽车油耗影响因素定量分析，根据上述步骤1)建立的混合动力汽车理论油耗增量计算模型，进一步计算混合动力汽车节油量以及节油率，并基于此定量分析再生制动能量回收、发动机平均燃油消耗率以及系统平均综合传动效率变化对混合动力汽车油耗的影响。

2.按照权利要求1所述的一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其特征在于，所述步骤一混合动力汽车理论油耗计算中所述的混合动力汽车油耗理论计算模型具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车系统平均综合传动效率计算：根据混合动力汽车的工作原理，所划分的传动系统模块的输入能量流包括：发动机实际提供能量、动力电池端再生制动总回收能量以及动力电池放电总能量；所划分的传动系统模块的输出能量流包括：车轮处循环工况理论总驱动能量以及动力电池充电总能量；依据能量守恒定律，混合动力汽车系统平均综合传动效率计算如公式(1)所示：

式中，η_tr——混合动力汽车系统平均综合传动效率

E_wh——车轮处循环工况理论总驱动能量

E_ice——发动机实际提供能量

E_rgb——动力电池端再生制动总回收能量

E_{bat_dischrg}——动力电池放电总能量

E_{bat_chrg}——动力电池充电总能量

(2)混合动力汽车理论油耗计算模型：依据上述步骤(1)计算的混合动力汽车系统平均综合传动效率，结合混合动力汽车系统内部能量流动，混合动力汽车油耗理论计算模型如公式(2)、公式(3)和公式(4)所示：

C＝1/1000/ρ_fuel/3600*100/x_tot (3)

式中，f_e——混合动力汽车百公里燃油消耗

η_{bat_chrg}——动力电池充电平均效率

η_{bat_dischrg}——动力电池放电平均效率

b_e,avg——发动机平均燃油消耗率

C——油耗单位转换系数

ρ_fuel——燃油密度

x_tot——循环工况总行驶里程

Me(t)——循环工况各点发动机喷油量

Pe(t)——循环工况各点发动机实际输出功率。

3.按照权利要求1所述的一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其特征在于，所述步骤二混合动力汽车油耗影响因素分析中所述的混合动力汽车理论油耗增量计算模型具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车理论综合油耗计算模型：混合动力汽车行驶过程中，车轮处循环工况理论总驱动能量取决于循环工况需求，在循环工况选定的情况下，该能量为常数；动力电池充电总能量、动力电池放电总能量则取决于循环工况仿真结束后动力电池SOC的终值：若工况运行结束动力电池SOC完全平衡，则动力电池充电总能量、动力电池放电总能量均为0；但实际控制过程中很难实现动力电池SOC的完全平衡；因此，在上述混合动力汽车油耗理论计算模型的基础上加入动力电池电量修正，将动力电池充电总能量、动力电池放电总能量等效计算为混合动力汽车百公里油耗，如公式(5)所示：

式中，f_{e_unify}——混合动力汽车理论综合油耗

(2)混合动力汽车油耗影响因素变化梯度计算：影响混合动力汽车油耗的主要因素包括再生制动能量回收、系统平均综合传动效率、发动机平均燃油消耗率；根据各因素变化量分别计算再生制动能量回收变化、系统平均综合传动效率变化梯度以及发动机平均燃油消耗率变化梯度，如公式(6)、公式(7)和公式(8)所示：

E_{rgb_inc}＝E_rgb+ΔE_rgb (6)

式中，E_{rgb_inc}——变化后的混合动力汽车再生制动回收能量

ΔE_rgb——混合动力汽车再生制动回收能量变化量

——系统平均综合传动效率的变化梯度

Δη——系统平均综合传动效率变化量

η_{tr_inc}——变化后的系统平均综合传动效率

γ——发动机平均燃油消耗率的变化梯度

Δb_e——发动机平均燃油消耗率变化量

b_{e,avg_inc}——变化后的发动机平均燃油消耗率

(3)混合动力汽车理论油耗增量计算模型：在上述步骤(1)所述的混合动力汽车理论综合油耗计算模型以及上述步骤(2)所述的混合动力汽车油耗影响因素变化梯度计算的基础上，进一步推导建立混合动力汽车理论油耗增量计算模型，如公式(9)所示；其中，由于动力电池的充、放电效率损失大多来自自身内阻引起的功率损失，在动力电池内阻一般较小且平均充、放电效率较高的情况下，公式(9)所示的混合动力汽车理论油耗增量计算模型忽略了动力电池的充、放电效率影响；

式中，f_{e_unify_inc}——各因素变化后混合动力汽车综合百公里油耗。

4.按照权利要求1所述的一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其特征在于，所述步骤二混合动力汽车油耗影响因素分析所述的混合动力汽车油耗影响因素定量分析具体包括以下内容：

(1)混合动力汽车节油量与节油率计算：根据上述计算的混合动力汽车油耗理论计算模型以及混合动力汽车油耗增量计算模型，进一步计算混合动力汽车在不同因素下的节油量与节油率，如公式(10)和公式(11)所示：

式中，Δfe——混合动力汽车节油量

σ_fe——混合动力汽车节油率

(2)再生制动能量回收变化对混合动力汽车油耗影响分析：当混合动力汽车基本控制策略不变的情况下，再生制动对发动机平均燃油消耗率变化影响很小，忽略再生制动对发动机平均燃油消耗率影响的前提下，令γ≈0，进而推导出再生制动能量回收变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(12) 所示：

σ_{fe_rgb}——再生制动能量回收变化可实现的节油率

Δfe_{_rgb}——再生制动能量回收变化可实现的节油量

(3)发动机平均燃油消耗率变化对混合动力汽车油耗影响分析：发动机平均燃油消耗率变化不会影响再生制动能量回收，即ΔE_rgb＝0，同时忽略发动机平均燃油消耗率变化对系统平均综合传动效率的影响，令进而推导出发动机平均燃油消耗率变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(13)所示：

σ_{fe_be}——发动机平均燃油消耗率变化可实现的节油率

Δfe_{_be}——发动机平均燃油消耗率变化可实现的节油量

(4)系统平均综合传动效率变化对混合动力汽车油耗影响分析：混合动力汽车系统平均综合传动效率主要受到机械效率、电机工作效率以及控制策略影响，不考虑再生制动能量回收变化的影响情况下，令ΔE_rgb＝0，且维持混合动力汽车基本控制规则不变使发动机平均燃油消耗率基本不变，即γ＝0，推导出系统平均综合传动效率变化可实现的混合动力汽车节油率与节油量，如公式(14)所示：

σ_{fe_η}——系统平均综合传动效率变化可实现的节油率

Δfe_{_η}——系统平均综合传动效率变化可实现的节油量。