混合动力车的混合度优化设计

新能源混合动力机车发展现状及关键技术综述摘要：新能源混合动力机车可广泛应用于不同环境，满足电气化线路/非电气化线路的跨线运行需求，提高转运效率，提升非电气化线路的运行能效、降低排放，是推进交通运输体系低碳化发展的重要技术。

随着相关领域技术的快速发展，新能源混合动力机车技术仍具备广阔的发展空间，应充分发挥现有的混合动力机车研究基础和优势，在保障车辆运行安全的基础上，以整车清洁化、低碳化、高效化为发展目标，深度开展整车能量管理策略研究提升系统能效，开发高效的混合动力一体化热管理与安全防护技术。

新能源混合动力机车作为新型技术体系，国内外相关标准体系尚不完善，行业应建立新能源混合动力机车的完整标准体系，指导新能源混合动力机车技术的有序发展。

关键词：新能源混合动力机车；发展现状；关键技术引言在我国，大力发展新能源混合动力机车是一项关系到国家经济和社会可持续发展的战略举措。

中国已经成为世界上最大的电动汽车市场和最大的混合动力汽车市场，而且随着中国城市化进程以及消费水平的不断提高，未来新能源混合动力机车市场还将不断扩大。

但要使新能源混合动力机车在交通运输领域得到广泛推广应用，必须有完善的政策保障措施以及完整而科学的技术路线和标准体系作为支撑，才能保证新能源混合动力机车能够在中国快速发展起来。

为此，我国新能源混合动力机车行业应从政策、法规、制度等方面进行改革和调整，以保证新能源混合动力机车行业的健康、可持续发展。

1新能源混合动力机车发展现状1.1国家政策扶持方面随着环保政策越来越严格，各大汽车制造企业都在改变原有的汽车制造理念和想法，开始投入大量的技术和人才，开始大力开发和研究新能源混合动力机车，用这种方式来满足严苛的环保政策。

同时在严苛的环保政策下，国家为了鼓励汽车制造企业开发和研究新能源混合动力机车，并对电动汽车的采购和制造提出了一些列的优惠政策和经济补偿措施。

目前全国多数的城市都已经将传统的燃油汽车换成了现代化的新能源混合动力机车，这些汽车中多数都以纯电力驱动为主，这样可以有效环节对环境的污染。

混合动力汽车能量管理策略
混合动力汽车是一种结合了传统燃油发动机和电动机的汽车，它可以在不同的驾驶模式下自动切换使用燃油和电力，以达到更高的燃油效率和更低的排放。

而混合动力汽车的能量管理策略则是实现这种自动切换的关键。

混合动力汽车的能量管理策略主要包括以下几个方面：
1. 能量回收
混合动力汽车在行驶过程中，会通过制动器将动能转化为电能，存储在电池中，以便在需要时使用。

这种能量回收的方式可以有效地提高能量利用率，减少能量浪费。

2. 能量分配
混合动力汽车的能量管理系统会根据当前的驾驶模式和驾驶条件，自动分配燃油和电力的使用比例。

例如，在低速行驶时，电动机会更多地参与驱动，以提高燃油效率；而在高速行驶时，燃油发动机会更多地参与驱动，以提供更大的动力输出。

3. 能量优化
混合动力汽车的能量管理系统还可以通过优化发动机和电动机的工作状态，进一步提高能量利用率。

例如，在启动时，电动机可以先
将车辆加速到一定速度，然后再由燃油发动机接管驱动，以减少燃油的消耗。

4. 能量储存
混合动力汽车的电池是储存能量的关键部件，因此能量管理系统需要对电池进行有效的管理和维护，以确保其性能和寿命。

例如，系统会监测电池的充电状态和温度，以避免过度充电或过度放电，从而延长电池的使用寿命。

混合动力汽车的能量管理策略是实现高效能量利用和低排放的关键。

随着技术的不断进步和应用的不断推广，混合动力汽车将成为未来汽车发展的重要方向。

混合动力城市客车新技术、新结构系统说明BJ6127PHEVCA-2北汽福田汽车股份有限公司2016年6月目录1、混合动力城市客车动力系统的构型2、混合动力城市客车关键技术开发3、混合动力城市客车系统选型计算4、制动能量回馈系统说明5、动力电池参数6、电机及控制系统7、福田混合动力城市客车的特点BJ6127PHEVCA-2混合动力城市客车新技术、新结构整车系统说明1、混合动力城市客车动力系统的构型福田混合动力城市客车采用并联式油电混合动力技术路线，结构如图1所示，它基于成熟和先进的自动离合器和机械式自动变速器(AMT)技术，在自动离合器的输出和自动变速箱的输入之间加入一个高效率低速大扭矩永磁式牵引电动机/发电机，可以根据车辆的实际使用工况进行智能化控制，内燃机和电机既可分别单独驱动车辆, 也可联合动作共同驱动车辆，实现不同的系统工作模式，使车辆经济性及排放处于最佳状态。

这种并联系统提供了串联系统中所没有的冗余操作运行模式，因此，在电机系统出现故障时，仍然可以像传统车一样运行,从而大大提高整车的出勤率。

图1 混合动力城市客车的动力系统构型示意图2、混合动力城市客车关键技术开发2.1、关键部件选型北汽福田欧辉客车公司从2004年开始从事混合动力客车的研发工作，通过考察、比较国内外混合动力系统技术路线的优缺点，确定了立足于自主开发，拥有独立的自主知识产权，走引进消化吸收创新的研发模式。

①技术路线选型通过比较当前串联、并联及混联三种典型技术路线的优缺点，结合计划开发的城市客车使用环境、特点要求，福田汽车选择了可靠性更有保障、性价比更优的并联技术路线。

②自动变速箱技术选型福田汽车通过借鉴国外特别是混合动力客车应用较为普遍的国外市场成功的经验：应用较为成熟的混合动力系统均基于一个成熟的自动变速箱（AT或AMT）技术基础，如美国商用车应用最多的基于ALLISON AT技术基础的ALLISON EV(EP40和EP50) 混合动力系统、基于AMT 技术基础的EATON HYBRID系统等；反观国内制约混合动力客车应用推广的技术瓶颈恰恰正是没有一套成熟的自动变速箱技术，同期通过比较AT与AMT的性能价格比，相（近）同扭矩条件AT一般为AMT价格的2.5～3倍，结合国内产品市场潜在的消费能力，福田汽车确定了选择基于AMT技术基础构建混合动力系统的基本思路。

某混合动力汽车侧面碰撞中B柱可靠性优化设计曹立波;刘衡;武和全【摘要】对某混合动力汽车侧面碰撞B柱进行可靠性优化设计。

设计中，结合试验设计理论、响应面模型、可靠性优化设计，基于产品质量工程，以中国新车评价规程(C-NCAP)和美国新车评价规程(US-NCAP)的侧面碰撞试验法规为基础，结合国内外交通事故调查统计数据。

选取对汽车侧面碰撞安全性有重要影响的B柱内板、外板和加强板的壁厚和内板、外板材料屈服强度为设计变量。

结果表明：在满足碰撞角度在－30°~30°和碰撞速度在40~60 km/h的混合动力汽车B柱耐撞性和可靠性要求条件下，90%、95%可靠性优化设计分别使得B柱质量降低了11.86%和10.34%。

%A reliability optimization design was done for a B-pilar of a hybrid electric vehicle in side impact. The design combined using of experiments, the response surface models, the reliability theory and the reliability of design optimization method based on the product quality engineering, according to the side impact test regulations of the China New Car Assessment Program (C-NCAP) and the United States New Car Assessment Program (US-NCAP), and using the statistics from domestic and international trafifc accident investigation. The design variables were considered choosing the dimensions (such as thicknesses) and the materials (such as yield strengths) of the inner panel, the outer panel and the reinforcing plate, which play a major role in the safety performance in side impact crashes. The results show that this design makes the B-pilar mass decrease 11.86% and 10.34% respectively with the reliabilities of 90%and 95% with the impact angle in -30°~30° and impact velocity in 40~60 km/h.【期刊名称】《汽车安全与节能学报》【年(卷),期】2016(007)003【总页数】7页(P272-278)【关键词】混合动力汽车;侧面碰撞;B柱;试验设计;响应面模型;优化【作者】曹立波;刘衡;武和全【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082; 长沙理工大学工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室，长沙 410114【正文语种】中文【中图分类】U461.91在所有的交通事故中，侧面碰撞占32%，高于其他各类交通事故形态；在交通事故所造成的人员伤亡中，侧面碰撞所造成的伤亡人数占总伤亡人数的30.1%[1-2]。

10.16638/ki.1671-7988.2021.02.067混合动力汽车发展的必要性及关键技术分析*杨仕清（云南交通运输职业学院，云南昆明650300）摘要：混合动力汽车综合了内燃机驱动式汽车及电动机驱动式汽车的二者优势，具有环保、节油的特点，得到了各国的广泛重视。

文章主要阐述了混合动力汽车的发展现状，分析了混合动力汽车发展的必要性，并结合混合动力汽车应用的特点，分析了影响混合动力汽车性能的关键性技术。

关键词：混合动力汽车；发展必要性；关键技术中图分类号：U461.99 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2021)02-210-03Necessity and Key Technologies of Hybrid Electric Vehicle Development*Yang Shiqing( Yunnan V ocational College Of Transportation, Yunnan Kunming 650300 )Abstract:Hybrid electric vehicle combines the advantages of internal combustion engine-driven vehicle and motor-driven vehicle. It has the characteristics of environmental protection and fuel-saving, and has been widely valued by various countries. In this paper, the development status of hybrid electric vehicle is described, the necessity of hybrid electric vehicle development is analyzed, and the key technologies affecting the performance of hybrid electric vehicle are analyzed according to the characteristics of hybrid electric vehicle application.Keywords: Hybrid electric vehicle; Development necessity; Key technologiesCLC NO.: U461.99 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2021)02-210-031 引言近年来，能源危机和环境污染的问题也越来越严峻，甚至已直接威胁到我们的生活，世界各国对此引起了高度的重视。

10.16638/ki.1671-7988.2021.012.02148V P0轻混系统设计及开发虞卫飞，李杰，杜成磊，胡俊勇，肖海云，陈冠军（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230022）摘要：基于某型1.5TGDI汽油发动机多用途乘用车，设定NEDC工况油耗目标为不高于8L/100km，正向开发48V P0轻混动力系统，通过仿真进行BSG电机和动力电池的选型匹配，并建立样车对仿真结果进行验证。

开发了增强起停、滑行和制动能量回收、电机助力、发动机工况优化等混动功能。

实车验证结果表明，48V P0轻混系统能够提升车辆动力性和经济性，实现整车NEDC工况综合油耗节油14%。

关键词：48V；P0；BSG；轻混系统；控制策略中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)12-71-04Design and Development of 48V P0 Mild Hybrid SystemYU Weifei, LI Jie, DU Chenglei, HU Junyong, XIAO Haiyun, CHEN Guanjun（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230022）Abstract: The 48V P0 mild hybrid system is developed based on a multi-purpose vehicle with 1.5 TGDI gasoline engine, and the fuel consumption target is no more than 8L/100km under NEDC (New European Driving Cycle). A vehicle dynamic model with 48V mild hybrid system is built by MATLAB/Simulink to match favorite BSG motor power and 48V battery capacity, and a demo vehicle is established to verify the simulation results. Hybrid functions such as extended start-stop, coasting and braking energy regeneration, torque assist with motor, and engine operating point optimization is developed. The vehicle test results show that 48V P0 mild hybrid system decrease 14% fuel consumption under NEDC, and achieve improvement of driving performance.Keywords: 48V; P0; BSG; Mild hybrid system; Control strategyCLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)12-71-04前言2016年170多个国家共同签署《巴黎协定》以通过行动安排控制全球气温上升幅度，我国政府提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现。

并联式混合动力汽车传动系统结构分析占泽晟杜晓梅贾辉(武汉理工大学汽车工程学院现代汽车零部件技术湖北省重点实验室摘要分析混合动力汽车传动系统的结构,是对混合动力车辆进行选型、优化设计及控制策略开发的基础,对整个汽车产品结构的创新设计也具有十分重要的意义。

本文对比分析了几种常见的并联式混合动力传动系统的结构及其工作原理,建立了传统发动机、动力耦合装置、动力传输装置以及电动机/发电机之间的关系模型,为并联式混合动力车辆传动系统的设计和控制策略提供了参考依据。

关键词:混合动力传动系统优化设计混合动力汽车的传动系统与传统燃油汽车一样,都是将动力源提供的动力通过机械传动装置传递到车轮上。

由于混合动力车辆的动力源是传统的内燃机和由电池带动的电机组成,因此它们的动力通常由机械耦合装置合并并进行传输,即发动机和电动机提供的动力是通过机械耦合方式耦合在一起的,其结构原理如图1所示。

将发动机和电动机的动力进行机械耦合有以下三种不同的方式:转矩耦合方式、速度耦合方式以及转矩耦合与速度耦合并存的方式。

转矩耦合是将发动机和电动机的扭矩加到一起或将发动机的转矩分成两部分:一部分用于推动车辆行驶,另一部分则给电池充电。

机械转矩耦合的原理图如图2所示,此种状态下发动机和电动机同时提供动力,并将其传递到机械传动系统。

如果忽略传递过程中的损耗,输出的转矩和速度可以表示为:T o ut=k1T in1+k2T in2ωo ut=ωin1k1=ωin2k2其中,k1和k2是由转矩耦合参数确定的常数。

常见的机械转矩耦合器工作原理图如图3所示。

在混合动力汽车中转矩耦合有多种结构形式,通常可以分为两轴的和一轴的两种形式。

耦合器的不同位置以及齿轮的不同结合方式都会产生不同的牵引特性,因此常需根据车辆牵引的需求、发动机性能以及电机特性等因素来选取合适的耦合方式。

图1并联式混合动力传动系统结构示意图1转矩耦合的并联式混合动力传动系统图2转矩耦合原理图T in1·ωin1T in2·ωin2T o ut·ωo ut机械耦合器图7变速器前置式转矩耦合图3常见的机械转矩耦合器工作原理图两轴机械转矩耦合器的结构形式如图4所示,两个变速器分别安装在发动机和转矩耦合器之间以及电机和转矩耦合器之间。

1. 什么是能源？能源具有什么特点？ 2. 通用在“AUTO-nomy”概念车上采用了哪些革命性设计？ 3. 新能源汽车发展的时代背景有哪几个方面？ 4. 什么是新能源汽车？具体又包括哪些类别 5. 我国新能源汽车的种类和特点是什么？ 6. 我国有关新能源汽车的重大计划有哪些？ 7. 电动车辆的基本类型和各种类型的具体定义。 8. 我国新能源汽车研发的重点是什么？ 9. 节能减排与新能源汽车之间的关系是什么？

10. 简述现代电动汽车设计中的工程哲学。 11. 简述现代电动汽车的组成和特点。 12. 纯电动汽车中的主要高压电路系统有哪些？ 13. 纯电动车辆具有哪几种典型的传动方案？ 14. 轮毂电机具有哪几种结构方案，各种方案又具有哪些特点？ 15. 纯电动汽车无离合器自动换档机构的原理和工作过程分析。 16. 纯电动汽车的整车表现为哪些技术特征？ 17. 纯电动汽车能量管理和整车综合控制的内涵是什么？ 18. 电动汽车动力电池管理系统的技术关键有哪些？ 19. 纯电动车辆的充电方式有哪几种？ 20. 对纯电动汽车，是否续驶里程越长越好？ 21. 纯电动汽车典型的商业模式有哪几种？

22. 混合动力汽车是内燃机汽车向纯电动汽车发展的一种过渡车型吗？ 23. 混合动力电动车辆具有哪几种典型的类型？ 24. 简要描述串联式混合动力电动汽车的概念和特点？ 25. 简要描述并联式混合动力电动汽车的概念和特点？ 26. 并联混合动力汽车有哪几种具体的实施方案？ 27. 混联式混合动力汽车有哪几种具体的实施方案？ 28. 什么是插电式混合动力汽车？它具有什么特点？ 29. 串联混合动力汽车的优缺点分析？ 30. 并联混合动力汽车的优缺点分析？ 31. 混合动力汽车的节油机理表现在哪几方面？ 32. 对于给定的节油设计指标，从功能上、结构上分析如何设计混合动力系统？ 33. 混合动力汽车混合度的概念，如何进行混合度的优化设计？最小混合度如何计算？最大混合度如何计算？ 34. 什么是双模混合动力系统？具有什么特点？ 35. 结合汽车行驶的典型工况，分析君越BSG混合动力系统的工作原理和过程？ 36. 在混合动力汽车中，对发动机的优化控制技术有哪些？ 37. ALtkinson循环发动机的工作特点分析？ 38. 混合动力汽车的机电耦合方式有哪些？各有什么特点？ 39. 实现功率耦合的典型混合动力系统方案有哪些？ 40. 对于给定的耦合系统方案，分析其耦合方式和耦合变量关系表达式。 41. 电电混合动力系统的方案有哪些？在优化发动机的效率区控制方面各有什么特点？ 42. 实现电电混合的DCDC变换器有哪几种形式？ 43. 结合具体的混合动力系统，设计其综合控制器技术方案，分析综合控制的内涵和实施方案？

燃料电池混合动力系统多目标优化方法宋大凤; 雷宗坤; 曾小华; 张峻恺; 纪人桓; 刘志茹【期刊名称】《《湖南大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(046)010【总页数】8页(P46-53)【关键词】燃料电池; 三能量源系统; 全寿命周期; 经济性【作者】宋大凤; 雷宗坤; 曾小华; 张峻恺; 纪人桓; 刘志茹【作者单位】吉林大学汽车工程学院吉林长春 130025; 深圳市科列技术股份有限公司广东深圳518057【正文语种】中文【中图分类】U464.9燃料电池电动客车具备更广泛的应用前景，但是其整车经济性、寿命与成本制约了其商业化进程[1-3].多目标优化算法通过对系统的合理配置以保证相互耦合的各项指标达到最优[4].在燃料电池驱动系统中包括燃料电池及辅助能量源，设计与控制的自由度较多，且彼此之间存在强耦合关系，为提高整车经济性，动力系统的能量管理策略与参数解耦优化是其研究的关键[5-7].叶东浩等[8]提出基于多岛遗传算法的燃料电池混合动力系统参数自适应优化方法实现控制参数的全局最优从而降低循环工况的等效氢耗，提高整车经济性.然而电池电动客车的评价指标不应仅局限于整车的动力性及循环工况的等效氢耗，还应该包括燃料电池混合动力系统寿命及使用成本等因素[9-11].因此综合系统效率、使用寿命、质量、成本等指标，建立复合电源燃料电池混合动力系统的综合评价方法对关键设计参数进行多目标优化，以降低整车循环工况的等效氢耗、控制整车成本的同时保证其寿命，对研究燃料电池混合动力系统在全寿命周期内的整车经济性并加快实车应用至关重要.本文建立带有燃料电池及其辅助能量系统的动力系统仿真模型，在系统能量管理策略方面，兼顾动力电池SOC 状态保持与动力系统经济性输出，采用瞬时最优算法优化燃料电池与蓄电池需求功率；建立了融合寿命成本因素的燃料电池混合动力系统的多尺度经济性评价模型，制定目标函数集，对其循环工况氢耗、使用寿命、质量、成本等指标进行多目标优化，得到燃料电池混合动力系统的设计参数，并对优化前后结果进行对比分析以验证优化效果.1 整车仿真模型1.1 燃料电池混合动力系统整车构型表1 给出了整车及动力系统参数，图1 给出了整车构型与能量管理策略架构.整车动力系统包括作为主能量源的燃料电池以及作为辅助能量源的蓄电池和超级电容.燃料电池在整个过程中以平稳输出为主，由于其只放电无法进行能量回收，因此为蓄电池配置单向DC/DC；由于燃料电池的动态输出能力较弱，同时无法实现制动能量回收，故需要配置辅助能量源系统，即配置包括蓄电池和超级电容在内的辅助能量系统，用于及时补充大驱动制动功率需求，由于辅助能量系统具备再生制动能力，因此配置双向DC/DC.复合电源燃料电池电动客车采用分级能量管理策略，如图1（b）所示.由电机需求的功率，首先依据燃料电池功率跟随控制策略实现一级功率分流，为了确定燃料电池的需求功率，通过二级分流确定蓄电池和超级电容的输出；再由分层瞬时最优的复合电源子系统能量管理策略进行二级功率分流，二级功率分流采用瞬时最优算法优化燃料电池与蓄电池功率需求，进而确定蓄电池功率需求与超级电容功率需求.表1 整车及动力系统参数Tab.1 The parameters of vehicle and dynamical system名称参数参数值车体参数整车总质量m/kg 18 000迎风面积A/m2 8.7风阻系数CD 0.55 轮胎滚动半径R/mm 478电机参数峰值功率Pmax/kW 150峰值扭矩M/（N·m） 3 300最高转速n/（r·min-1） 2 316燃料电池参数额定功率Pm/kW 60额定电流I/A 288蓄电池参数单体容量/（A·h） 30串联数 180并联数 2超级电容参数单体容量/F 9 500串联数 142并联数 1图1 整车构型与能量管理策略架构Fig.1 The structure of vehicle and energy management system1.2 分级优化能量管理策略燃料电池功率跟随控制策略基于电机需求功率、复合电源的荷电状态等指标，实现燃料电池的开关机与输出功率的控制.具体控制策略为：以整车需求功率、复合电源的SOC和燃料电池的关机时间作为燃料电池开关机条件，当燃料电池在最小关机时间内，燃料电池处于关机状态.当燃料电池关机时间满足最小关机时间，其是否启动取决于整车需求功率与复合电源的SOC，当整车需求功率高时，燃料电池开机以满足整车功率需求；当整车需求功率中等或者功率需求低，且复合电源未出现亏电时，此时燃料电池开关机状态视上一时刻而定；当复合电源出现亏电时，需要燃料电池开机给复合电源充电.燃料电池能量管理策略保证了燃料电池的稳定功率输出，减少变载与开关机次数，符合燃料电池输出特性.基于分层瞬时最优的复合电源子系统能量管理策略，按照蓄电池与超级电容SOC 将复合电源划分成顶层单一能量源工作模式和目标层复合电源寻优工作模式.工作模式具体划分原则为：1）若超级电容SOC 大于上限值n，蓄电池SOC 小于下限值m，说明超级电容存储电量充足，蓄电池存储电量不足，此时，复合电源需求功率由超级电容提供；2）若超级电容SOC 小于下限值m，蓄电池SOC 大于上限值n，说明蓄电池电量充足，超级电容电量不足，此时，复合电源需求功率由蓄电池提供；3）若蓄电池SOC 大于下限值m 且小于上限值n，超级电容SOC 大于下限值m 且小于上限值n，此时，蓄电池和超级电容的电量均处于目标层状态，复合电源需求功率由蓄电池和超级电容联合提供，通过基于瞬时最优算法的复合电源控制器优化蓄电池和超级电容的功率分配，从而使复合电源的功率损失最小.为了实现目标层复合电源输出功率的损失最小以达到较高的经济性，使用分层瞬时最优算法优化复合电源子系统的输出，图2 给出了其具体的控制策略流程.图2 基于分层瞬时最优的复合电源能量管理策略Fig.2 Composite power energy management strategy based on layered instantaneous optimality基于蓄电池与超级电容的内阻模型分别建立复合电源子系统的功率损耗模型.蓄电池损耗模型中，Ebat 为蓄电池的开路端电压，Rbat 为蓄电池内部的等效电阻，Pbat 为蓄电池的输出功率；超级电容损耗模型中，Euc 为超级电容的开路端电压，Ruc 为超级电容等效电阻，Puc 为超级电容输出的功率，则蓄电池与超级电容的功率损耗、及复合电源功率损耗之间的关系分别为2Ruc）2Ruc 和，同时复合电源子系统的输出功率Phess 满足约束条件Phess=Pbat+PcapηDC/DC.复合电源输出过程中Pbat 与Puc 分流比例不同，对应的功率损失与也不同.目标层寻优输出的含义是针对每一个复合电源输出功率Phess，对应一组最优Pbat 与Puc，在满足输出功率Phess 约束条件下，使得总功率损耗最小.为实现目标层寻优输出，引入瞬时最优算法的寻优函数f=，首先确定复合电源需求功率Phess 的最大值Pmax，在0 与Pmax 之间等距离散出P1，P2，P3，…，Pn，同时初始化寻优边值a=0，b =Pi；基于边值进行黄金分割，其中：xa=a+0.382（b-a），xb=a+0.618（b-a），根据功率损耗模型，计算当复合电源分配给电池的功率分别为xa、xb 时，复合电源的总功率损失为Plossa 、；若≥10-3，则需更新寻优的边值；当时，取b =xb，当≤时，取a=xa，再次计算复合电源总功率损失，直到≤10-3，则边值相差足够小，取Pi_bat=（xa+xb）/2作为复合电源需求功率，当电源需求功率为Pi 时，应当分配给电池功率值；遍历在0 与Pmax 之间的功率值，分别计算电池的最优功率P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat，然后将其做出多维数表Pn_bat=F（Pn_hess）.针对不同复合电源需求功率，通过插值方法计算得到应当分配给蓄电池的功率，进而得到蓄电池和超级电容的需求功率，实现复合电源子系统的二级功率分流.2 全寿命周期经济性多目标优化本节建立了基于等效氢耗模型和融合质量与寿命因素的系统成本模型的多目标优化函数，以优化复合电源燃料电池混合动力系统参数.2.1 基于等效氢耗的经济性优化函数在进行氢耗分析时，如果SOC在整车运行一个工况后不能保持平衡，则不能有效评价其经济性指标.因此，需要对整车运行一个工况后的等效氢耗以及蓄电池和超级电容的SOC 变化量ΔSOCcap做出相应的换算，最后得到运行工况下的等效氢耗，将折算后的等效氢耗作为循环工况氢耗最低的经济性目标函数minf1（x），如式（1）所示.式中：分别为燃料电池平均工作效率和蓄电池平均充电效率和分别为超级电容的平均充电效率和DC/DC 的工作效率；Ebat 和Ecap 分别为蓄电池和超级电容的能量储存；JH2 为氢气低热值.为了减少寻优算法的计算量，需要对优化变量进行约束，在保证整车驱动需求情况下，燃料电池及其辅助能量系统在其峰值输出时需要达到驱动电机的峰值功率需求.其约束条件如式（2）所示.式中：Pm 为驱动需求的功率；Pfc 为主能量的输出功率；Pcap 和Pbat 均为副能量的输出功率.为了最大限度地减少在进行SOC 校正过程中的误差，在仿真过程中采取对SOC 的状态保持，尽量使辅助能量源的SOC 在运行一个工况的过程中处于相对平稳状态.约束条件如式（3）所示.2.2 全生命周期经济性多目标优化函数燃料电池混合动力汽车整车的能量源系统主要包含主能量源燃料电池以及包括超级电容和蓄电池的辅助能量源，为了进行成本优化，建立成本函数；为了进行整车质量的优化，建立质量函数.通过调研知道目前市场燃料电池的质量密度为3.5kg/kW，蓄电池的功率密度为34 kg/（kW·h），超级电容的能量密度为137 kg/（kW·h），需要说明的是，所提出的质量函数和成本函数，都是通过线性累加得到的.表2给出了目前燃料电池混合动力能量源成本调研结果，用于本研究成本的优化[12].表2 燃料电池混合动力能量源成本Tab.2 Energy source unit cost优化对象成本/（RMB·kW-1）燃料电池 9 000蓄电池 2 000超级电容 60 000基于上述成本和质量分析，建立关于质量和成本的目标函数min f2（x），如式（4）所示.其中，f2（x）为成本与质量线性加权后的综合目标函数，fcost（x）为系统成本函数，fmass（x）为系统质量函数，ω1、ω2 分别为系统成本函数与质量函数的权重系数，两者决定了成本函数与质量函数权值大小.本文的研究对象为城市公交客车，由于其本身质量比较大且常处于满载状态，能量源质量对整车的影响较小，因此在选择成本质量函数的权重系数过程中会提高成本的权重系数，降低质量的权重系数.为了将目标函数min f2（x）中成本函数与质量函数的归一化，分别对成本函数和质量函数设置折算因子d1 和d2，进而得到用于多目标优化的质量成本函数min f2（x）.超级电容的工作特点是能够满足大功率瞬时充放电，因此变载开关对其影响不大，整车的运行工况对其寿命影响不大；但工作条件如服役温度、运行条件如最大电流以及放电深度等都会影响动力蓄电池的寿命.温度是由整车的热管理系统进行控制的，其放电深度可以通过整车能量管理使其在浅循环工作，基于以上分析，认为放电深度是优化过程中需要考虑的重要因素. 由此确定蓄电池寿命的目标函数min f3（x）如式（5）所示，其中T 为仿真工况对应的时间，Ibat 为蓄电池充放电电流.当燃料电池以相对稳定功率输出时，其寿命可达30 000 h，而作为车载能源，由于工况的变化导致的频繁启动与变载会大大降低其寿命.因此需要保证燃料电池的功率变化率在一定范围内，以保证其输出平稳，式（6）给出了其约束条件.当前研究表明，车载燃料电池寿命衰减影响因素主要包括启停次数、变载次数、怠速时间、高功率运行时间[13]，基于以上因素建立与燃料电池工作寿命相关的目标函数min f4（x），如式（7）所示. 其中ΔV 为燃料电池寿命范围内允许的电压压降；kd 为燃料电池寿命衰退的加速系数；n1、n2、t1、t2 分别代表燃料电池工作过程中，平均每小时的开机次数、变载次数、怠速时间、高功率运行时间；V1、V2 分别代表每次开机与变载的电压衰退率，由燃料电池系统的启停工况测试数据得到V1=0.001 96，由燃料电池系统的变载工况测试数据得到V2=0.001 26；U1、U2分别代表怠速与高功率运行时每小时的电压衰退率，由燃料电池系统的怠速工况测试数据得到U1=0.000 059 3，由燃料电池系统的高功率运行工况测试数据得到U2=0.001 47.由上述确定的三能量源系统的优化函数及约束条件，认为燃料电池的功率水平、蓄电池的能量水平和超级电容的能量水平是优化的关键因素，因此，确定蓄电池容量值、超级电容容量值、燃料电池最大功率为待优化变量，在整车仿真模型中分别设置蓄电池容量、超级电容容量和燃料电池功率的比例环节得到三能量源各自的容量系数.上述三变量在整车仿真模型中通过优化对应的蓄电池容量系数、超级电容容量系数、燃料电池功率系数来实现.多目标优化的目标函数之间会存在矛盾关系，因此最优解不是一个点，而是一个相对优化的解轨迹，这几个优化解能够相对改善每一个优化目标，将其称之为帕累托前沿，在求解多目标优化函数过程中采用遗传算法.同时考虑到所建立的优化函数值的数量水平，为每个优化函数确定一个归一化因子.各目标函数f1（x）、f2（x）、f3（x）、f4（x）的归一化因子如表3 所示.表3 各目标函数的归一化因子Tab.3 Target function conversion factor目标函数 f1（x） f2（x） f3（x） f4（x）归一化因子 1 000 30 30 300基于Isight 中的Optimization 控件建立多目标优化程序，在Isight 软件的设计门户下调用DOE 组件，完成各因子及其水平设置，并基于拉丁方的方法生成设计向量，再调用Simcode 组件，与DOE 组件构成一个计算环，以实现Isight&MATLAB 平台的数据交互及ADVISOR 软件平台的模型调用.3 多目标优化结果与仿真分析3.1 多目标优化结果基于中国典型城市工况，采用0-δ 方法保证辅助能量源在仿真前后的SOC 平衡，通过求解多目标优化函数即可以得到帕累托解，如图3 所示.不同目标函数组合下，帕累托解的分布情况分别如图3（b）（c）（d）（e）所示，其中，虚线代表变化趋势线；在优化过程中，帕累托解个数较多，且各设计目标间存在复杂的非线性关系；根据设计目标进行更多权衡选择，最终确定多目标优化的优化结果如表4所示.由优化结果可知，多目标优化是通过降低蓄电池容量系数和超级电容容量系数同时提高燃料电池功率系数来实现的，由于超级电容成本最高，蓄电池和超级电容质量均大于燃料电池，因此降低蓄电池和超级电容容量可以有效控制其成本及质量.图3 设计可行性图和各目标函数的帕累托解Fig.3 Design feasibility map and Pareto solution distribution among objective functions表4 燃料电池混合动力系统优化结果Tab.4 Optimization results of fuel cell hybrid system参数名优化结果燃料电池功率系数 1.16蓄电池容量系数 0.89超级电容容量系数 0.923.2 优化结果仿真分析将优化前后的结果在中国典型城市工况下进行仿真，以分析多目标优化对整车全寿命周期内经济性的影响.表5 给出了优化前后基于优化后数据得到的动力系统仿真结果.从燃料电池混合动力系统的经济性角度分析，本文提出的多目标优化方法能够保证在循环工况等效氢耗、燃料电池电压衰退值和蓄电池平均电流基本相同的情况下，系统总成本和总质量得到较大程度的改善.从燃料电池混合动力系统寿命分析，其输出特性是影响其经济寿命的关键因素.图4 给出了优化前后三能量源的功率分流曲线.表5 多目标优化结果Tab.5 Results of muti-optimization参数名优化前优化后燃料电池动力系统成本/万元 73.02 70.64燃料电池动力系统质量/kg 1 154 1 019氢耗/g 372 368动力电池平均电流/A 32 31电堆电压衰退值/μV 47 49图4 三能量源功率分流曲线Fig.4 Three energy source power split curves通过燃料电池寿命分析可知，开关机次数、变载及高功率运行是影响其寿命的主要因素.由图4 可知，多目标优化过程中通过对动力系统参数的合理配置，蓄电池与超级电容容量等级的减小未引起燃料电池自身更多的变载过程与启停过程，其输出功率稳定，进行经济性-寿命-质量成本多目标优化后燃料电池在整个循环工况仅开关机2 次，且需求功率相对稳定，燃料电池的启停、变载和大功率输出均控制在合理范围内.同时，由于采用分级优化的能量管理策略，复合电源子系统的效率得以提高，燃料电池工作时间有一定降低，进行燃料电池经济性优化后在一个城市工况条件下其电压衰退值为47 μV，在其基础上进行寿命成本优化后其电压衰退值为49 μV，其寿命衰减程度在优化前后变化较小.由复合电源子系统寿命分析可知，超级电容承担更多的高频分量，可以减少瞬时大功率对蓄电池冲击，进而降低其平均电流，提高蓄电池的寿命.图5 给出了经济性、成本及寿命多目标优化后蓄电池电流变化曲线及优化后复合电源SOC 随时间变化曲线.由优化前后的蓄电池电流曲线可以发现，优化后蓄电池电流更加平缓，超级电容能够减少蓄电池高频输出，其“削峰填谷”作用能够保证蓄电池在容量系数等级减小的情况下亦无大电流冲击，其平均电流在优化前后分别为32 A 和31 A；由复合电源SOC 变化曲线可以进一步证明超级电容“削峰填谷”的作用；从复合电源SOC 变化曲线可以发现，所提出的分级优化能量管理策略进行成本寿命多目标优化后亦能够保证由蓄电池来承担相对稳定需求功率分量，进而提高蓄电池的寿命.图5 蓄电池电流及复合电源SOC 随时间变化曲线Fig.5 Current of battery and SOC of hybrid energy system with operating conditions curve通过以上分析，将燃料电池混合能量系统的整体容量降低后，其成本由73.20 万元降低到70.64 万元，在一个工况内，燃料电池电压衰退值仅增加2 μV，蓄电池平均电流降低1 A，即本文提出的优化方法能够保证寿命及循环工况等效氢耗基本不变的情况下，能够降低系统成本，实现了燃料电池混合动力系统成本、寿命与经济性的多目标优化.4 结论本文所提出的燃料电池混合动力系统多目标优化方法能够保证寿命及使用经济性基本不变的情况下，系统总成本和总质量得到较大程度的优化.1）从整车全寿命周期的经济性分析可知，本文所提出的多目标优化方法能够保证在循环工况等效氢耗大致不变的情况下，系统成本和质量得到较大程度的改善.2）从燃料电池混合动力系统寿命与成本的关系分析可知，超级电容和蓄电池能够在容量系数减少的情况下，超级电容仍能充分发挥“削峰填谷”作用，蓄电池无大电流冲击，同时能够将燃料电池寿命衰减程度控制在较低水平.参考文献【相关文献】［1］聂凯，谢丹凤，李巍.新能源汽车城市物流碳排放模型的构建与分析［J］.湖南大学学报（自然科学版），2015，42（9）：134—140.NIE K，XIE D F，LI W.Modeling and analysis of the carbon emission of new energy vehicle in urban logistics industry［J］.Journal of Hunan 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化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 9 期错位碰撞型微混合器混合性能的模拟分析与优化设计赵曦，马浩然，李平，黄爱玲（宁夏大学化学化工学院，省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室，宁夏 银川 750021）摘要：微混合器作为微流控设备的重要组成部分，广泛应用于生化领域，由于在微通道下流体流动为层流，混合较差，对于快速反应，混合是影响效率的主要因素。

本文对影响混合效率的3种微混合器结构进行了数值模拟，通过变化微混合器的通道宽高比、发散处最大宽度、碰撞处错位高度3个结构参数，模拟研究其在层流下的混合性能。

结果表明，流体碰撞处错位高度对混合性能影响最明显。

对模拟结果最佳的微混合器（MST ）进一步优化其结构得到新的微混合器（MTT ），将MTT 与MST 及普通T 型微混合器（MT ）进行比较。

MTT 微混合器出口处的混合指数达到81%，而普通T 型微混合器在相同的条件下只有5.3%。

通过模拟分析混合过程，有效改善了错位碰撞型微混合器的结构，有利于提高流体混合效率，提高反应速度。

关键词：混合性能；微混合器；错位碰撞；层流；数值模拟中图分类号：TQ027.1 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）09-4559-14Simulation analysis and optimization design of mixing performance ofstaggered impact micromixerZHAO Xi ，MA Haoran ，LI Ping ，HUANG Ailing(State Key Laboratory of High-efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering, College of Chemistry andChemical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China)Abstract: As an important part of microfluidic equipment, the micro mixer is widely used in the biochemical field. Because the fluid flow in the micro channel is laminar and the mixing is poor, the mixing becomes the main factor affecting the efficiency for rapid reaction. In this paper, three kinds of micro mixer structures that affect the mixing efficiency were numerically simulated. By changing the three structural parameters of the micro mixer, namely, the channel width to height ratio, the maximum width at the divergence, and the dislocation height at the collision, the mixing performance under laminar flow was simulated. The results showed that the height of dislocation at the fluid collision had the most obvious influence on the mixing performance. The structure of the micro mixer (MST) with the best simulation results was further optimized to obtain a new micro mixer (MTT). The MTT was compared with MST and ordinary T-type micro mixer (MT). The mixing index at the outlet of MTT micro mixer reached 81%, while that of ordinary T-type micro mixer was only 5.3% under the same conditions. Through simulation and analysis of the mixing process, the structure of the dislocation collision type micro mixer was effectively improved, which was conducive to improving the fluid mixing efficiency and the reaction speed.Keywords: mixing performance; micro mixer; dislocation collision; laminar flow; numerical simulation研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1998收稿日期：2022-10-26；修改稿日期：2023-02-27。