混合动力原理

浅谈混合动力汽车工作模式和控制策略

王志杰

（福建信息职业技术学院福州，350003）

摘要：依据混合动力电动汽车发展现状,介绍串联式、并联式和混联式的混合动力电动汽车的概况,探讨三种结构方式下的工作模式及其能量流动和几种典型控制策略。

关键词:混合动力汽车；HEV；控制策略；

0 前言

近几十年来,世界各国汽车工业都一直面对能源安全与环境保护两大挑战,为此,各国政府纷纷制定相应的对策,力图开发新一代的清洁节能型汽车。从上世纪90年代开始,全球各大汽公司首先把目光投放到电动汽车研究上,但由于车用蓄电池的能量密度低、质量较大,使得纯电动汽车的续驶里程短且成本较高,很难实现市场化，而混合动力汽车的出现正好解决了这一难题。

混合动力汽车（Hybrid-Electric Vehicel,缩写HEV）是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。混合动力汽车结合了传统和电动驱动系统的特点，即明显减少汽车排放和降低油耗，又有大的行程。

控制策略是混合动力汽车的核心,它根据驾驶员意图和行驶工况,协调各部件间的能量流动合理进行动力分配,优化车载能源,提高整车经济性,适当降低排放,并在不牺牲整车性能的况下,实现两者之间的折中优化。

本文就混合动力汽车工作模式、能量流动和控制策略作了初步的论述，使人们对混合动力汽车技术有一定了解。

1 混合动力汽车技术

1.1串联式混合动力汽车

串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机和电动机三大主要部件总成组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。1.1.1工作模式及其能量流动

1.1.1.1纯蓄电池模式

当混合动力汽车负荷小(空载)时，由电池驱动电动机带动车轮转动，此时的能量流

动如图1所示。

1.1.1.2纯发动机模式

载荷比较大时，则由发动机带动发电机发电驱动电动机带动车轮转动。此时的能量流动如图2所示。

1.1.1.3混合驱动模式

当车处于启动、加速、爬坡的工况时，发动机-发电机和蓄电池共同向电动机提供电能。能量流动图如图3所示。

1.1.1.4发动机—蓄电池模式

当车处低速、滑行、减速的工况时，则

由蓄电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。能量流动图如图4所示。

1.1.2相应控制策略

串联式混合动力汽车控制策略按控制性质可分为两大类:一类是被动型能量控制,一类是主动型能量控制。

被动型能量控制是在保证电池和发动机工作于最佳工作区范围的条件下被动地满足车辆功率需求的一种控制模式，这种控制模式以提高能量流动效率为其主要目的。主动型能量控制就是在注重提高汽车系统内部能量流动效率的同时,再根据行车环境主动减小车辆功率需求。

1.1.

2.1开关型控制

该策略属于被动型能量控制，特征是发动机开机后即恒定地工作于效率最高点，为使蓄电池组工作于充放电性能良好的工作区,预先设定了其充电状态SOC（State of charge）的最大值SOC max与最小值SOC min。控制逻辑为：

①蓄电池SOC≤SOC min时,发动机进入设定的工作点(例如最低油耗或最低排放)工作,输出功率的一部分满足车辆行驶功率需求,另一部分向蓄电池充电。

②蓄电池SOC≥SOC max时,发动机退出设定工作点,停机或减速时，由蓄电池单独向电动机供电驱动汽车。

这种控制策略的优点是发动机的燃烧充分,排放低。缺点是蓄电池充放电频繁,加上发动机开关时的动态损耗,使得系统总体的损失功率变大,能量转换效率趋低,因而有可能抵消由发动机运行时工作效率最高所带来的好处。

1.1.

2.2功率跟随型控制

该策略也属于被动型能量控制，在这种控制策略中由发动机全程跟踪车辆功率需求。只有在蓄电池的SOC≥SOC max时且仅由蓄电池提供的功率能满足车辆需求时,发动机才停机或减速运行。

这种策略的优点是蓄电池容量被减小到最小程度,因而蓄电池重量相对开关式策略来说减轻了许多,从而在很大程度上减小了汽车行驶阻力;此外由于蓄电池充放电次数减少而使得系统内部损失减少。缺点是发动机必须在从低到高的较大负荷区内运行,使得发动机效率和排放不如开关型控制策略。

1.1.

2.3动态规划法能量优化

该策略属于主动型能量控制，以汽车在给定的驾驶循环工况下最小油耗为优化目标,根据串联式混合动力的能量流动特点建立适当的数学模型,按照时间顺序把整个循环工况下的功率与效率以一定的时间间隔(通常为1s)分成若干个时间片段，然后从最后一段状态开始逆向递推到初始段状态为止,最后求出整个循环工况下发动机最优输出功率序列。

该方法只能用于特定的驾驶循环,即必须预先精确知道车辆的需求功率,因而不能用于在线控制,常用于离线优化,以帮助总结和提炼出能用于在线控制的能量管理策略。

1.1.

2.4路线适应性控制

该策略也属于主动型能量控制，是基于车加减速频繁，路线固定,启动、停车时间己知的特点,在能量管理的基本控制策略(开关型或功率跟随型策略)基础上增加两个控制子策略:最佳加速子控制策略和最佳减速制动控制子策略。

最佳加速子控制策略,根据行车路线数据(整个路线速度曲线,站点位置,实际车速等)帮助驾驶员发出当前工况下的最佳加速踏板请求。最佳减速制动控制子策略仅根据车辆停车信息确定停车前的速度,以使再生制动能量回收增加。这个策略特别适合城市公交车。

1.1.

2.5负荷预测型控制

这种控制策略是在基本控制策略(开关型或功率跟随型策略)的基础上添加一个车辆负荷预测器。预测器根据车辆运行工况预测车辆需要的驱动功率，从而决定采用哪一种工作模式。