工况特征参数对插电式混合动力汽车能耗影响特性的研究
熊演峰1 余强1 闫晟煜1 王恒凯2 （ 1.长安大学，西安 710064；2.中国第一汽车股份有限公司智能网联开发院，长春 130011）
【摘要】为明确各工况特征参数对插电式混合动力汽车能耗的影响程度，运用主成分分析法证明车速类特征参数相对于加速度类、比例类特征参数更能表征整车工况，是整车能耗的主要影响因子。以某插电式混合动力汽车为例，重构世界轻型汽车测试循环（ WLTC），通过正交试验分析了能耗灵敏度，仿真结果表明，车速类特征参数贡献度最大，选取纯电模式最高车速、纯电模式SOC下限、行车充电扭矩系数等车速类参数开展单因子分析，证明了其与能耗的强相关性。主题词：插电式混合动力汽车 工况特征参数 WLTC工况 影响因子U469.72 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20190586中图分类号： 文献标识码： DOI:
Research on the Influence of Working Conditions Characteristic Parameters on Energy Consumption for Plug-in Hybrid Electric Vehicle
Xiong Yanfeng1, Yu Qiang1, Yan Shengyu1, Wang Hengkai2 1. Chang’an University, Xi’an 710064; 2. China FAW Co., Ltd. Intelligent & Connected Vehicle Development Institute, （ Changchun 130061） Abstract In order to determine the influence of the characteristic parameters of working conditions on the energy【 】consumption of plug- in hybrid electric vehicle, the principal component analysis method is used to prove that the vehicle speed parameters can preferably represent the vehicle working condition than acceleration and proportion, which are the main influencing factors of vehicle energy consumption. Taking a PHEV as an example, the WLTC test condition is reconstructed and the positive results are obtained. The sensitivity of energy consumption is analyzed by alternating test. The simulation results show that speed parameters make the greatest contribution in energy consumption. Single factor analysis is carried out by choosing parameters such as the maximum speed of pure electric mode, the lower limit of in SOC pure electric mode and the coefficient of charging torque, which confirms the strong correlation between them and energy consumption. Key words: PHEV, Working condition characteristic parameters, WLTC working condition, Influencing factors
1 前言
汽车行驶工况可由某类型车辆在特定区域的车-速 时间历程表征[1]，获取和分析工况特征对控制策略Plug- in优化有重要意义。插电式混合动力汽车（ Hybrid Electric Vehicle，PHEV） 2因具有发动机、电机 种2动力源和油箱、电池个能量源，并可外接充电，所以行驶工况对其能耗影响更为突出[2-4]。表征工况特征的参数较多，研究不同参数对能耗的Dembski N影响，有助于制定整车能量管理控制策略。Urban Dynamometer等[5]基于城市道路循环工况（ Driving Schedule，UDDS），结合正交试验和多目标遗传算法，证明了电机额定功率、充电扭矩和发动机关闭扭Brady J ADVISOR矩对油耗和排放影响显著；等[6]运用Hybrid Electric仿真软件，得出影响混合动力汽车（ Vehicle，HEV）油耗的主要参数依次为发动机关闭扭
矩、最小工作扭矩、SOC工作区间；周云山等[7]采用同轴
Cruise并联混合动力客车的模型进行仿真，结果表明油耗与SOC区间强相关；李礼夫等[8]认为车速和加速度等工况参数对纯电动汽车电耗和续驶里程影响较大；陈雪
Modelica /
平等[9]采用模型库分析了车速与加减速度对能耗的影响；王钦普等[10]提出发动机与电机瞬态扭矩响
PHEV
应能力的不同影响整车动力性、经济性与排放性能；高建平等[11]针对实际行驶工况开发的控制策略可有效降低油耗；杨林等[12]提出车速及其变化剧烈与频繁程
PHEV度是影响电耗的主要因素；聂彦鑫等[13]提出整车低速工况采用纯电模式、高速工况采用混合动力模式可
PHEV降低油耗；秦大同等[14]针对工况和里程提出变参
Wu
数能量管理策略； 等[15]采用贝尔曼原理和粒子群优
PHEV
化算法对整车能量管理策略进行全局优化，证明行驶工况和里程对能耗影响较大。综上，现有文献主要研究某个具体工况特征参数对整车能耗的影响，未对工况参数进行系统梳理，对不同工况参数与能耗的影响贡献度关系研究较少。本文采用主成分分析法研究各类工况特征参数对
Worldwide
工况的表征程度，在世界轻型汽车测试循环（
Light- duty Test Cycle，WLTC）
基础上重构测试工况，基
AVL- Cruise PHEV
于 软件开展性能仿真，依托某车型开展不同类型参数的单因子正交试验，分析各因子能耗灵敏度，选取典型特征参数研究其对能耗的影响，以期为能量管理策略开发提供理论依据。
2 理论分析2.1 测试工况分析
我国采用的乘用车测试工况主要有新欧洲驾驶循
New European Driving Cycle，NEDC） WLTC，
环（ 和 其中
NEDC WLTC
属于模态工况，而 属于瞬态工况，更贴近
1实际，测试和评价可信度更高，如图 所示[16-17]。
WLTC
包含低速、中速、高速和超高速段，其主要特1
征参数如表 所示，其中平均速度由运行距离、运行时间决定，平均行驶速度由运行距离和除怠速外的运行时间决定。
2.2 参数影响因子分析
行驶工况参数可表征拟合工况对实际工况的代表性，参数越多，近似程度越高，但会增加运算量。同时，各参数之间存在相关性[18]，为识别各工况参数的影响因子，引入多元分析法中的主成分分析法[19]。
主成分分析法是指通过构造原变量（即工况参数）的一系列线性组合，使各线性组合在相互独立的前提下，以较少的变量数量尽可能多地反映原变量信息。具体流程为： a. 1
原始数据处理，由表 可得到原始数据 标准化后构建标准矩阵
式中， n为样本数。
b.
求解相关系数矩阵Rpp：
- Σ n æ Xki Xkj ö = , = 1, 2, …, 2）
Rpp n j P （
k =1式中， P为新变量个数， Xki、Xkj为标准矩阵中的元素。
c.
矩阵Rpp非负特征值及对应特征向量可用雅克
SPSS
比迭代法求解；工程中常采用 软件开展主成分分
2
析，得到主成分方差和方差贡献率，如表 所示。
d.
选取矩阵Rpp的P个主成分， P的取值取决于保
2
留的方差贡献率之和是否满足期望，按照表 绘制碎石
2 4
图如图 所示，前 个主成分能够概括工况的绝大部分信息。
3 整车仿真模型搭建与模式划分3.1 仿真模型搭建
PHEV P2 3
本文研究的 采用 构型，如图 所示。整车
1 400 kg， 1 775 kg， 1L
整备质量为 满载质量为 搭载 汽
5 Automated
油发动 机 、 挡 机 械 式 自 动 变 速 器（
Mechanical Transmission，AMT）， 3.94，
主减速比为 电机
140 N·m， 20 kW，
峰值扭矩为 峰值功率为 动力电池容量
35 A·h， 300 V
为 标称电压 。
AVL-Cruise 4在 中搭建整车动力学仿真模型，如图所示。
3.2 整车模式划分
PHEV HEV
较 的电池电量大，可外接充电。处于电
Charge Depleting，CD）
量消耗模式（ 时，整车纯电驱动； SOC下降到电池放电下限时，整车处于电量保持模式
Charge Sustaining，CS）， HEV
（ 策略与 类似，模式划分如
3
表 所示。
模式识别模块根据油门踏板或制动踏板开度、车速等信号识别当前状态，将整车划分成相应主模式和子模
5
式，驱动主模式划分如图 所示。行车发电模式下，为实现较好的经济性，令发动机工作于经济区下限，多余功率对电池充电。
4 工况特征参数影响因子分析4.1 整车性能仿真
WLTC
中超高速段、高速段、中速段、低速段分别对应高速、市郊、干路和支路工况，考虑到单个循环时间过
17
短，通过多个相同工况叠加的方式构建 个高速工况、
12 13 10 3
个市郊工况、 个干路工况、 个支路工况和 个
WLTC
工况。
60%
仿真条件：电池初始 SOC 为 ，放电下限为
35%，CS 35%~40%，
模式SOC区间为 纯电行驶最高车速
70 km/h 4 1L
为 。仿真结果如表 所示，其中 汽油按
2.19 kW·h ΔSOC
电量折合[20]， 为仿真前、后SOC变化值。
4.2 特征参数灵敏度分析
4
由表 可知，燃油消耗量、折合燃油消耗量总体上与车速正相关，整车在低速工况下倾向于纯电驱动以应对加、减速工况，中高速工况下倾向于起动发动机以满足整车大功率需求。车速对模式切换影响最大，因此控制策略常以车速作为模式切换条件，车速越高，发动机参与驱动的时间和油耗响应的灵敏度相应增加。
6不同工况下SOC随时间的变化情况如图 所示：干
2 800 s CS
路工况SOC下降最快，第 附近进入 模式，在
37% CD
处波动；支路工况行驶距离较短，整车处于 模式，行程终了时SOC达到放电下限附近；市郊工况车速较高， SOC下降较慢，行程结束时电量未充分利用；高速工况整车进入行车充电模式，行程结束时SOC上升导致油耗较高。4 6
结合表 和图 可知：电耗量与平均车速成反比，车速提高后，发动机参与驱动时间较长，同时为电池充电时间增加，电机驱动整车时间减少，电耗量相应减少。
ΔSOC
干路工况 最大，但燃油消耗量并非最低，主要原
2 800 s CS
因是整车在第 后进入 模式。考虑到行驶中不能外接充电，电量增加源自发动机充电和制动能量回收，因此行程终了时SOC能否下降至
PHEV
放电下限对 燃油消耗量影响较大，而整车用电或
ΔSOC
用油倾向又与车速强相关，因此车速可通过 间接影响油耗。
7
加速度可表征驾驶员驾驶意图，如图 所示。前期为满足整车加速功率和动力电池充电功率需求，燃油消耗量上升，中期动力电池参与驱动，燃油消耗量降低，后期因电池容量有限，能耗随加速度增大而持续上升；平均减速度绝对值与燃油消耗量关系类似。由平均加速度、平均减速度绝对值与燃油消耗量响应曲线的非单调关系可知，加速度与燃油消耗量响应关系不敏感，另外加速度也受速度间接影响。
行停比指行车时间与怠速时间的比值，属于比例类参数，以行停比为例，开展比例类参数与能耗响应关系
8 8 9
分析，结果如图所示。由图 可知：当行停比小于
14
时，燃油消耗量增加较快；当行停比大于 时，燃油消耗量增加相对平缓，主要因为前期怠速时间较长，整车倾向于纯电驱动且电量消耗不大，燃油消耗量也较低；
9~14
当行停比介于 时，怠速时间变短，虽然纯电驱动但
14，
电耗急剧增加，油耗也相应增加；当行停比大于 整车进入高速或城郊工况，怠速时间迅速减少，随着车速快速提高，进入行车发电模式，电量减少较少甚至增加，但燃油消耗量持续增加。因行停比与车速和油耗相耦合且强相关，但与电耗量成非线性关系，弱相关，因此灵敏度低于车速类参数。
综上，因低速工况在电量允许的前提下倾向于纯电驱动模式，高速工况倾向于混合动力模式，所以模式识