關(guān)鍵詞：發(fā)動機起動控制策略；機械損失；電機；電池

中圖分類號：TK417 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

伴隨著汽車工業(yè)發(fā)展，響應(yīng)國家環(huán)保政策減少碳排放，混合動力汽車快速發(fā)展。混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車相比，發(fā)動機工作在最佳工況，減少油耗和排放物的排出。與純電汽車相比，純電受到電池的影響較大，如續(xù)航里程短和低溫下電池衰減的問題讓汽車受到限制，而混合動力汽車在電池虧電時，可通過發(fā)動機發(fā)電或直接驅(qū)動車輛行駛，解決續(xù)航焦慮。

低溫環(huán)境下混合動力汽車由于電池衰減和車輛供暖問題，需要發(fā)動機起動充電和提供暖氣，在低溫環(huán)境下發(fā)動機存在起動困難的現(xiàn)象。因此，本文分析了在低溫環(huán)境下影響混合動力汽車發(fā)動機起動的發(fā)動機本體、電機和電池等主要因素以及相關(guān)的重要指標(biāo)，為優(yōu)化低溫下發(fā)動機起動提供了理論依據(jù)。

1發(fā)動機起動控制策略

“P1+P3”混合動力汽車動力傳遞架構(gòu)如圖1 所示。該架構(gòu)主要由發(fā)動機、發(fā)電和驅(qū)動雙電機、電池包以及離合器等零部件組成，分別由發(fā)動機控制單元（ECU）、電機控制器（MCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）和安全氣囊控制器（ACU）等控制器進行控制。混合動力汽車由整車控制器（HCU）主控整輛車的運行狀態(tài)，與各個子系統(tǒng)的控制器進行交互，協(xié)調(diào)發(fā)動機、電機、電池包以及離合器等零部件的工作。

混合動力汽車發(fā)動機起動可有2種控制方式：一種是與傳統(tǒng)燃油汽車起動方式一樣由起動機帶動發(fā)動機起動；另一種是由P1 電機拖動發(fā)動機起動。如圖2 所示。正常情況下，混合動力汽車發(fā)動機一般采用第2 種起動方式（圖2）。車輛上高壓，HCU根據(jù)車輛狀態(tài)請求發(fā)動機起動，由電池放電驅(qū)動P1電機輸出扭矩，拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，則發(fā)動機狀態(tài)進入Cranking。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速大于設(shè)定條件，發(fā)動機開始噴油和點火，P1 電機繼續(xù)拖動發(fā)動機，發(fā)動機轉(zhuǎn)速一直上升；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速和噴油次數(shù)均大于設(shè)定條件，則進入Running 狀態(tài)，表示發(fā)動起動成功。發(fā)動機起動后，ECU控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩響應(yīng)HCU的請求。圖3 所示為車輛按照上述控制方式在低溫環(huán)境下起動過程的記錄數(shù)據(jù)。

混合動力汽車在低溫下起動發(fā)動機相對于常溫起動困難，會出現(xiàn)發(fā)動機失火、空燃比表現(xiàn)不佳、電池快速放電以及電機阻力矩大等問題。根據(jù)發(fā)動機起動的控制策略，起動時離合器為斷開狀態(tài)，因此低溫狀態(tài)對離合器的影響不會影響發(fā)動機的起動。所以低溫對發(fā)動機起動的影響因素從發(fā)動機本體、電機及電池三方面進行分析。

2 低溫環(huán)境對發(fā)動機的影響

低溫對于發(fā)動機本體影響很大，發(fā)動機隨著溫度的降低機械損失扭矩加大，導(dǎo)致P1 電機需要更大的力拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，那么發(fā)動機機油對機械損失起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB11121-2006《汽油機油》對汽油機油的傾點、運動粘度、低溫動力粘度、邊界泵送溫度和低溫泵送粘度的法規(guī)要求，由數(shù)據(jù)的變化規(guī)律分析溫度變化對發(fā)動機汽油機油性能的影響規(guī)律。

根據(jù)法規(guī)要求不同溫度環(huán)境下對汽油機油的要求不同，如果溫度越低時要求汽油、機油的流動性和傾點的要求相對高，反之相反。汽油機油隨著溫度的降低，汽油機油的粘度逐漸增加而運動速率減慢；溫度上升，汽油機油的粘度降低而運動速率加快。在發(fā)動機工作時低溫下機油的粘度大，導(dǎo)致摩擦變大，所以發(fā)動機的倒拖扭矩越大，還有在低溫環(huán)境下汽油粘度大會使發(fā)動機燃燒不好，發(fā)動機通過加大噴油進行起動發(fā)動機則導(dǎo)致淹缸和失火的現(xiàn)象。

混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車不同，汽車附件如空調(diào)、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機都由HCU 控制，則發(fā)動機扭矩?fù)p失主要來自倒拖扭矩，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18297-2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》目前使用倒拖法試驗計算發(fā)動機倒拖扭矩，采用臺架測功機對發(fā)動機進行倒拖試驗。在不同環(huán)境溫度下，臺架測功機對發(fā)動機進行不同轉(zhuǎn)速的拖動且禁止發(fā)動機噴油和點火的條件下測到的功率為機械損失功率[1]。具體計算公式如下。

式（1）～式（5）中：Me為實測有效扭矩的數(shù)值，單位為N·m；W 為測功機磅秤讀數(shù)，單位為N；L 為力臂的距離數(shù)值，單位為m；Mm 為機械損失扭矩的數(shù)值，單位為N · m ；Wm 為機械損失測功機磅秤讀數(shù)，單位為N ；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速的數(shù)值，單位為r/min ；C為測功機常數(shù)；P為實測有效功率數(shù)值，單位為kW；P為機械損失功率數(shù)值，單位為kW；V為發(fā)動機排量數(shù)值，單位為L。

根據(jù)推導(dǎo)公式和圖4 可知，機械損失功率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速幾乎呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速越高則機械損失功率Pe越大，機械效率η 越小。圖5和圖6所示的整車試驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)了，測功機在發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的機械損失功率和不同溫度下倒拖扭矩補償?？梢钥闯觯l(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，倒拖扭矩越大；溫度越低，需要補償?shù)呐ぞ卦酱蟆?/p>

實際上整車發(fā)動機輸出的機械損失扭矩除了測功機測的扭矩還有海拔和溫度的修正，以及加上由于發(fā)動機本身的扭矩自學(xué)習(xí)。圖7 為整車實測發(fā)動機在不同溫度點下的機械損失扭矩，通過-30 ～ 90℃溫度點的實車測試，說明發(fā)動機的損失扭矩隨著溫度的降低明顯增大。在低溫時，發(fā)動機起動過程需要克服更大的機械損失扭矩，導(dǎo)致發(fā)動機起動困難問題。環(huán)境因素對發(fā)動機的影響可按照環(huán)境溫度變化選擇質(zhì)量可靠不同等級的機油，按照主機廠指導(dǎo)選擇和更換機油，保證發(fā)動機的潤滑和減少磨損。另外，需要在低溫下進行發(fā)動機臺架倒拖扭矩試驗以及增加樣本量，保證倒拖扭矩的精確和可靠。

3 低溫環(huán)境對電機的影響

“P1+P3”結(jié)構(gòu)混合動力汽車的動力傳動系統(tǒng)如圖8 所示。可以看出，P1發(fā)電機與發(fā)動機直接硬連接；P3 電機可直接驅(qū)動車輪和發(fā)動機通過耦合器結(jié)合驅(qū)動車輪。發(fā)動機起動過程通過電池放電驅(qū)動P1 發(fā)電機拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，所以P1 發(fā)電機對發(fā)動機起動起到非常重要的作用。低溫環(huán)境下除了發(fā)動機克服自身的機械損失，P1 發(fā)電機也需要克服自身的阻力才能輸出扭矩拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動。根據(jù)永磁電機的溫度特性，低溫對電機的影響主要表現(xiàn)在電機材料和電機工作性能。

低溫環(huán)境對電機的永磁體、鐵芯磁導(dǎo)率、軸承潤滑脂及絕緣材料等有一定影響[2-3]。根據(jù)文獻[4]指出，在低溫時，電機的鐵心飽和磁感應(yīng)強度增大，剩磁增大，鐵芯損耗會隨著溫度的降低而增大。由于磁導(dǎo)率與溫度的特性是非線性的，在溫度高到一定程度會突然下降，因此磁導(dǎo)率會在高溫時有一個尖峰，在低溫時電機鐵芯磁導(dǎo)率會降低。低溫環(huán)境下電機的輸出功率會降低。電機輸出功率與扭矩關(guān)系如下：

P ＝M ·n /9550 （ 6）

式中：P 為電機輸出功率；M 為電機輸出扭矩；n 為電機轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（6）可知，電機的輸出功率與扭矩呈線性關(guān)系。由于低溫時與電機連接的軸承潤滑脂變黏稠，電機內(nèi)部的摩擦阻力增大，實際輸出的扭矩減小，會導(dǎo)致輸入功率下降。

電機的內(nèi)部摩擦力矩公式如下：

M＝M＋M （ 7）

式中：M0為電機內(nèi)部摩擦力矩；M為電機內(nèi)部機械摩擦力矩；

M為電機軸承潤滑脂阻力矩。

根據(jù)式（7）可知，電機內(nèi)部摩擦力矩由機械摩擦力矩和潤滑脂阻力矩相加。由于潤滑脂的溫度特性，溫度越低潤滑脂的黏度越大，潤滑脂流動能降低，甚至造成潤滑油凍結(jié)而失去流動性能。因此低溫環(huán)境下，對電機軸承摩擦力矩的影響主要來自溫度變化對潤滑脂的阻力矩的影響。

永磁電機的固有齒槽定位力矩也會隨著溫度的變化而變化。齒槽力矩是永磁電機由于定子開槽后永磁體和定子齒槽之間產(chǎn)生的相互作用轉(zhuǎn)矩。根據(jù)磁材料的溫度特性可知，在低溫環(huán)境下，電機的剩磁會逐漸增大，齒槽轉(zhuǎn)矩會隨著溫度的降低逐漸增大。

實驗表明，電機在低溫環(huán)境下輸出功率下降，主要是由于溫度的變化引起電機的扭矩?fù)p失增加、齒槽轉(zhuǎn)矩增大及電機磁導(dǎo)率降低等因素影響。所以在低溫環(huán)境下發(fā)動機起動時，電機除了拖動發(fā)動機起動，還需要克服低溫對電機的影響。優(yōu)化低溫對電機的影響，可通過改善電機本體的材料特性來實現(xiàn)。如采用高磁導(dǎo)率或選擇厚度更薄且長度更長的鐵芯材料，以及增加電磁圈繞組的匝數(shù)提高磁通量等。另外，采用抗凍冷卻液以及具備低溫工作的潤滑脂，也可減少電機在低溫下的摩擦力矩，保證電機正常工作。

4 低溫環(huán)境對電池的影響

本文以三元鋰電池為例進行研究。目前新能源車都存在電池衰減嚴(yán)重，造成車輛的續(xù)航焦慮，而環(huán)境溫度是影響汽車動力電池性能的重要影響因素。在溫度過高時，電池的材料表現(xiàn)出過強的活性，從而導(dǎo)致電池電量下降和材料的老化。而當(dāng)電池溫度降低時，電池的材料活性下降也會導(dǎo)致容量降低，所以需要保證電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作。電池內(nèi)阻與溫度關(guān)系如下：

R ＝R[1 ＋α （T－T）] （8）

式中：R為任意溫度的電阻；R 為基準(zhǔn)溫度下的電阻；α為電阻溫度系數(shù)；T為任意溫度；T為基準(zhǔn)溫度。

可以看出，低溫環(huán)境對電池的容量和內(nèi)阻有很大的影響，電池容量會隨著溫度的降低而下降。因為溫度越低，電池內(nèi)電子擴散速率減慢，導(dǎo)致電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)變慢；同時內(nèi)阻增大，導(dǎo)致電池的電量減少，則影響起動發(fā)動機時電池的放電和充電的能力[5]。根據(jù)材料特性，溫度越低內(nèi)阻越大，而內(nèi)阻和產(chǎn)生的熱量成正比關(guān)系。

Ｑ＝I²Rt （ 9）

式中：Q為電池產(chǎn)生的熱量；I為電池輸出電流；R 為電池內(nèi)阻；t為電池工作時間。

根據(jù)式（9）可知，電池內(nèi)阻越大，電池在工作時產(chǎn)生的熱量越多，則容易導(dǎo)致熱量堆積，對電池的壽命及充放電能力產(chǎn)生一定的影響。

表1所示為整車試驗時，在不同溫度點下發(fā)動機起動過程電池的參數(shù)變化。在發(fā)動機起動時需要電池快速放電輸出2s的脈沖放電功率驅(qū)動電機，由電機快速地拖動發(fā)動機起動。表1的試驗數(shù)據(jù)說明，在-30～0℃，發(fā)動機起動過程中，溫度越低，電池脈沖放電功率越小。放電過程中，電池電流的差值相差不明顯，電池電壓的差值隨著溫度越低差值越大。

圖9所示為車輛在不同溫度下電池內(nèi)阻，可以看出，電池內(nèi)阻的表現(xiàn)趨勢隨溫度越低內(nèi)阻越大。根據(jù)電熱公式，在阻力變大時，若時間和電流相差不大的情況下發(fā)生氧化還原反應(yīng)時產(chǎn)生的熱量增多，則導(dǎo)致充放電效率下降。低溫下電池充放電能力嚴(yán)重不足時，容易產(chǎn)生電池的過充過放問題。所以有時在低溫下當(dāng)電池能力不足時，對電機驅(qū)動功率進行限制，發(fā)動機起動存在一定的影響。

在低溫下盡量使電池的電量維持在20%～80%，則電池性能最好，可以保證電池在發(fā)動機起動時快速放電，從而有足夠的能量驅(qū)動電機，拖動發(fā)動機起動。此外，還可以通過優(yōu)化起動策略，如在電池溫度低于-20℃極限低溫下禁止發(fā)動機起動，且進行電池加熱以減少內(nèi)阻。待電池的充放電功率提高時再進行發(fā)動機起動，保證發(fā)動機起動成功。

5結(jié)束語

本文針對混動車型在低溫下對發(fā)動機起動影響因素的研究，從電池放電到P1 電機由電能到機械能轉(zhuǎn)化再到發(fā)動機本體，分別對在低溫下發(fā)動機、電機和電池的研究。從控制策略和整車數(shù)據(jù)表現(xiàn)來看，發(fā)動機在低溫下主要克服機械損失的扭矩，所以需要優(yōu)化低溫環(huán)境機械損失扭矩的精確性以及保證車輛的潤滑減少磨損。

低溫環(huán)境對電機的影響從電機材料和自身的摩擦損失考慮，優(yōu)化電機本體的材料提高磁通量和能量轉(zhuǎn)化效率，采用具備低溫工作的潤滑脂，減少磨損保證電機正常工作。低溫對于電池的材料活性下降最為明顯，則需要保證電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作確保充放電功率，電池內(nèi)阻也隨溫度降低增大?？赏ㄟ^優(yōu)化電池材料，優(yōu)化電池過充過放的問題，或適當(dāng)控制電池的加熱等。

由于HCU、ECU、MCU 和BMS 這幾個模塊相互協(xié)調(diào)配合，也可以通過優(yōu)化軟件控制進行優(yōu)化。如增加發(fā)動機失敗的監(jiān)控及故障診斷，以及優(yōu)化起動策略在極限低溫下禁止發(fā)動機起動，且進行電池加熱功能等。

作者簡介：

覃嘉園，本科，助理工程師，研究方向為動力系統(tǒng)控制模塊標(biāo)定。

成祖權(quán)，本科，工程師，研究方向為動力系統(tǒng)控制模塊標(biāo)定。

陳柏衡，本科，工程師，研究方向為動力系統(tǒng)控制模塊標(biāo)定。