科技部宣传稿 天津大学 - 谢辉

计划类型：国家重点基础研究发展计划（973计划）

课题名称：内燃机热电混合动力系统复合能量集成理论与管理策略 课题编号：2011CB707206 执行之间：2011.1~2015.8 课题负责人：谢辉

课题第一承担单位：天津大学

课题简介

内燃机大量的余热余压能是通过废气、冷却液、CAC、EGR冷却等不同的途径散失到大气环境中的，具有多途径特征。内燃机余热能还具有多梯级特性，典型内燃机在运行工况范围内，其排温一般在400～900℃，平均温度在500℃左右，最高可达900℃。发动机正常运行时，冷却水温一般在80～110℃范围。内燃机余热的这种多梯级特性给热能回收系统的适应性提出了挑战。此外，内燃机余热能分布还具有动态变工况特征。对于车用内燃机，由于车辆在道路运行中，基本都处在怠速、加速、减速的变化过程中，因此发动机基本都处于怠速、小负荷、大负荷等动态变工况运行状态。内燃机运行工况的这种动态变化，导致不同品位热能的比例也发生动态改变。由于内燃机余热能的这种多途径、多梯级、动态变工况特征，简单、单一的热能回收技术很难获得有效的回收效率，制约了其工程应用效果。因此，多途径多梯级的综合回收以及多种形式的综合使用，是提高内燃机整机能量利用效率的重要途径。本课题针对内燃机余热能的多途径、多梯级、动态变工况特征，考虑到简单、单一的热能回收技术很难满足内燃机余热能回收效率的要求，重点解决两个关键科学问题：

1) 提出整机综合能源效率评价方法，建立等效能耗计算模型；

2) 基于整机综合效率优化的能量多途径回收、存储和利用的协同控制，实

现全历程的能量优化管理。

研究成果

内燃机在加入余热能量回收、储存和利用技术后，已经从单一的能源动力装置拓展成复杂的综合能源系统。内燃机、动力涡轮、朗肯循环和热电材料按照转化热能的品位特征梯级地将燃油燃烧所释放的热能转化为机械能和电能，合理地满足多功能负载，包括车辆及功率附件的用能需求。车辆在运行过程中，基本处于怠速、加速、减速等动态运行工况，使得内燃机及余热能量回收、存储和利用装置也处于动态变工况的运行状态。本课题旨在动态运行过程中，合理安排内燃机及其余热能量回收装置对燃油能量的梯级转化过程，规划所获得机械能和电能的综合使用，讨论综合能源系统的集成策略与运行管理方法，提高综合能源系统

在道路工况下的总能效率。针对该核心问题，项目团队在仿真与试验、能量动态转化规律、综合能源效率评价方法、以及以总能效率为优化目标的能源网络管理方法等四个方面开展了深入的研究，取得了一系列成果，包括： (一)

建立了完善的内燃机余热能量回收-存储-利用全历程能源网络的全工

况动态分析模型和试验系统。

针对内燃机变工况的运行特征，以及能源网络各装置相互影响的耦合特征，突破了基于典型工况点和独立系统的设计和优化模式，建立了完善的内燃机余热能量回收-储存-利用全历程能源系统全工况动态分析模型和试验系统，包含了发动机及动力涡轮、朗肯循环、热电直接转换、主动热管理和辅助电驱动等5大子系统，完整涉及能量的产生、回收、存储、使用等全历程环节。该平台具备两大核心功能：一是可以对内燃机余热能量多梯级回收-存储-利用全历程能量流和火用流进行仿真和试验分析，从设计、控制和动态运行三个方面对各部件、装置、系统的效率特性进行综合评价，为定位内燃机余热能量梯级利用的技术瓶颈，聚焦关键科学问题，形成科学的技术方案提供依据；二是可支持研究各子系统的全工况效率特性，各能流环节和路径之间耦合作用规律，验证能源网络总能效率的建模方法，以及以总能效率为优化目标的管理构架、理念和方法。

(二)

提出了复杂能源系统的三域效率评价方法，以及面向总能效率优化管理

的建模理念与方法。

针对内燃机余热能量回收-存储-利用的全历程特征，从设计域、运行域和控制域三个角度，建立了由运行效率、转换效率、总能效率以及总能效率贡献率等构成的能流装置效率评价指标体系和计算分析模型。利用该评价体系可以对各系统进行三域多层次评价，为部件、装置和系统的设计、匹配和控制优化提供依据和指导。基于仿真模型和试验平台，对主要能源转换装置，包括发动机及动力涡轮、朗肯循环、热电直接转化、主动热管理和辅助电驱动，进行了评价分析。能源网络优化管理的实质是在动态运行过程中，根据主要能源转化装置的全工况效率特征，合理安排内燃机及其余热能量回收装置对燃油能量的梯级转化过程，规划所获得机械能和电能的综合使用。因此，本课题以效率为核心变量，研究了主要设计参数、控制参数和运行参数对效率的影响规律，提出了三域建模理念和方法。该模型可简化描述主要能源转化装置的全工况效率特性，为能源网络的优化管理提供了实时的决策依据。

(三) 针对内燃机综合能源系统的三种典型构型，研究了能量回收、存储和使

用多途径、多环节的耦合作用规律。

从内燃机余热能量回收-存储-利用全历程的角度出发，充分考虑技术方案的可行性，提出了三种基本构型，并针对每种构型，研究了能量回收、存储和使用多途径、多环节的耦合作用规律。

1) 典型构型一，即内燃机-动力涡轮发电-蓄电池存储-热管理附件用电。针

对该构型，研究了动力涡轮发电与热管理系统用电之间的匹配规律，深入揭示动力涡轮匹配、蓄电池容量与类型、热管理附件能耗优化对总能效率的影响规律。

2) 典型构型二，即内燃机-机械动力涡轮-CVT传动-曲轴耦合输出。针对该

构型，从设计域、运行域和控制域的角度深入揭示关键设计参数，包括动力涡轮和增压涡轮的等效通流面积，以及主传动速比；关键控制参数，包括增压涡轮旁通阀、动力涡轮旁通阀和CVT速比对总能效率的影响规律，提出了面向总能效率优化的匹配与控制方法。

3) 典型构型三，即内燃机-朗肯循环发电-蓄电池存储-热管理附件用电。基

于该构型，研究了朗肯循环通过热源、冷源和负载三类边界条件与能源系统之间的相互作用规律，揭示了朗肯循环热源与冷源配置对总能效率的影响规律，根据三域效率模型的理念和方法，建立了朗肯循环回收内燃机瞬态排气能量的动态效率预测模型。 (四)

提出了以总能效率为优化目标的能源网络管理架构、理念和方法。

针对内燃机余热能的多途径、多梯级、动态变工况特征，考虑动力涡轮、朗肯循环和热电材料回收余热能量的全工况效率差异，以及能量回收-存储-使用全历程各环节的匹配规律，提出了集模型预测、自学习修正、效率模型、最优算法和能量管理于一体的协调管理架构，如图1所示。其中，路径规划模块以总能效率为优化目标，实时规划动力涡轮、朗肯循环和热电材料三种能量回收路径的能量分配，电池应储存和释放能量的比例，以及水泵、风扇、ISG电机等用能部件的能量分配；自学习模块通过在线自学习对系统的效率模型进行修正，提高效率模型的精确度，从而提升路径决策的准确性；

图1 内燃机余热能量回收-存储-使用全历程能源网络的管理架构

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