一种混合动力轿车的能量管理策略

图 ２ 整车控制策略结构框图
２．１ 驾驶员意图识别 根据驾驶员的动作和车辆的状态识别出驾驶
员对车辆的动力需求， 具体为通过驾驶员对点火钥 匙 开 关 、加 速 踏 板 及 制 动 踏 板 等 机 构 的 操 作 以 及 换 挡信号， 来识别驾驶员对汽车动力的需求。这种动 力需求包括对制动力转矩的需求（ 车轮的转矩需 求） 和驱动力大小的需求（ 以变速器输出力矩来表
１） 打破了纯电动汽车续驶里程的限制， 续驶里 程和动力性可达到甚至超过传统内燃机汽车的水 平；
２） 可使发动机在最佳的工况区域稳定运行， 避 免或减少了发动机变工况下的不良运行， 使得发动 机的排放污染和燃油消耗大为降低；
３） 在人口密集的商业区和居民区等地可用纯电 动方式驱动车辆， 实现零排放；
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研究·设计
示） 以及对汽车加速的需求， 下面分别描述驾驶员 意图识别功能完成的具体过程。
１） 驾驶员对整车的上电控制是通过点火开关 钥匙来实现的， 点火开关分为 ３ 挡， 依次是 １ 挡全 车控制电路上电； ２ 挡全车动力电路上电； ３ 挡发动 机起动。
２） 驾驶员对驱动力的需求是通过加速踏板来 体现的， 并受到动力源（ 发动机和电机特性） 和路面 附着力的限制。其关系如图 ３ 所示， 对应于不同的 车速和加速踏板开度， 体现了驾驶员对整车的动力 需求， 再将其转化为变速器输出轴的驱动。
２００８ 年第 ２ 期
能量管理功能是在驾驶员意图识别功能实现之后 实现的， 是整车控制器软件的核心部分。
其基本的控制策略方案如图 ４ 所示， 可以将整个 工作范围分为如下一些区域， 并对各区域中各个动力 部件的工作状态进行区分， 其划分表如表 １ 所示。
其中工作区域 １ 对应于正常起步阶段， 该阶段 发动机工作在怠速以下， 排放和经济性差。当电池 ＳＯＣ 在正常情况下采用纯电动起步， 来改善整车的 经济性和排放指标， 而当电池 ＳＯＣ 低时， 为了保证
图 ４ 能量管理策略区域划分图
表 １ 控制策略运行规则表
工况区域
ＳＯＣ 值 很低 较低 正常 较高 很高
发动机
Ｄ
Ｄ
ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ
区域 １
后轮电机 ＯＦＦ ＯＦＦ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
ＩＳＧ 电机
Ｇ
Ｇ
ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ
发动机
Ｄ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
区域 ２
后轮电机 ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ
ＩＳＧ 电机
Ｇ
Ｇ
Ｇ
Ｇ
ＯＦＦ
发动机
Ｄ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
区域 ３
后轮电机 ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ
ＩＳＧ 电机
Ｇ
ＯＦＦ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
发动机
Ｄ
Ｄ
Ｄ
Байду номын сангаас
Ｄ
Ｄ
区域 ４
后轮电机 ＯＦＦ ＯＦＦ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
ＩＳＧ 电机
Ｇ
ＯＦＦ
Ｄ
Ｄ
Ｄ
发动机
ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ
制动区域 后轮电机
Ｇ
Ｇ
Ｇ
Ｇ
ＯＦＦ
ＩＳＧ 电机
Ｇ
Ｇ
Ｇ
ＯＦＦ ＯＦＦ
注： Ｄ— ——驱动； Ｇ— ——发电； ＯＦＦ——关闭或空转
４） 可通过电动机提供动力， 因此可配备功率较
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小的发动机， 并可通过电动机回收汽车减速和制动 时的能量， 进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。
混合动力电动汽车虽然没有实现零排放， 但它 所 具 有 的 动 力 性 、燃 油 经 济 性 和 低 排 放 的 潜 力 是 缓 解汽车需求与环境污染及石油短缺矛盾日益尖锐 的理想途径。因其具有良好的商业化和产业化前景， 从而引起了汽车制造商和研究机构的广泛关注。 １ 混联式混合动力轿车结构
纯电动汽车以动力蓄电池为动力驱动， 在使用 中可实现零排放， 虽然纯电动汽车在利用能量的效 率以及减少空气污染方面有着广阔的技术前景， 但 目 前 其 关 键 部 件 电 池 在 能 量 密 度 、使 用 寿 命 和 价 格 方面都远未达到实用化的程度。燃料电池电动汽车 能量转换效率很高， 而且无排放污染， 但目前在燃 料电池电堆、燃料 重 整 、储 氢 设 备 以 及 贵 金 属 的 使 用等方面尚需进一步研究和完善。并且由于基础设 施的缺乏和续驶里程的限制， 使得纯电动汽车和燃 料电池汽车要达到实用化还有很长的路要走。在目 前情况下， 以内燃机和电动机为动力源的混合动力
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一种混合动力轿车的能量管理策略!
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李宝华 １ 万亮 ２ 廖承林 ２
（ １．天津一汽夏利汽车股份有限公司； ２．中国科学院电工研究所）
摘要 混合动力是当前提高汽车燃油经济性和改善排放最现实可行的方案， 混合动力由于有多个动力源， 需要各动 力源合理的协调工作才能发挥整车的性能。能量管理策略是整车控制策略的核心。文章介绍了一种混联式混合动力 轿车的能量管理策略， 分为驾驶员意图识别、能量分配和协调控制 ３ 个模块来实现对动力的分配和各动力源的协调 控制， 使各部件工作在高效区， 提高燃油经济性和改善排放性能， 同时保证驾驶平顺性。 关键词 混合动力轿车 能量管理 协调控制
该混合动力汽车结构如图 １ 所示， 其中前轴动 力部分采用 ＩＳＧ 型并联混合动力车结构， 动力部分 由 １ 个 直 列 ３ 缸 发 动 机 和 １ 个 ＩＳＧ 电 机 构 成 ， ＩＳＧ 电机取代了原发动机的飞轮， 安装在原发动机飞轮 位置。由 ＩＳＧ 电机起动发动机， 从而取消了原发动 机的起动机 ， 可以 实 现 发 动 机 快 速 起 动 、发 动 机 怠 速停机、ＩＳＧ 电机助力和发电以及回馈发电等工作 模式； 后轴动力部分采用 ２ 个轮边电机驱动， 轮边 电机分别安装在左 、右 后 轮 上 直 接 驱 动 车 轮 ， 可 以 实现纯电动、助力以及回馈制动发电等工作模式。 动力电池采用 １４４ Ｖ 镍氢蓄电池组， 整车控制器、蓄 电池管理系统、ＩＳＧ 电机控制器和轮边电机控制器 通过 ＣＡＮ 总线相连， 实现信号通讯和控制。
３） 驾驶员对制动力的需求与制动踏板开度成简 单线型对应关系， 制动踏板全开意味着制动力需求 最大。 ２．２ 能量管理策略
主要功能是以驾驶员的动力需求为目标， 根据 汽车状态（ 车速及挡位等） 和动力总成部件状态（ 如 动力电池的 ＳＯＣ 值和发动机状态等） ， 对多能源动 力总成的能量流动路径和动力负荷进行分配和优 化， 以期得到最佳的燃油经济性和排放特性。整车
Ｅｎｅｒ ｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｔｒ ａｔｅｇｙ ｆｏｒ ａ Ｈｙｂｒ ｉｄ Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ａｎ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｗａｙ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｆｏｒ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ． ＨＥＶ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｈａｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｎｅｓ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｉｔ ｎｅｅｄｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ａｌｌ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｔｏ ｗｏｒｋ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈｌｙ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｎ ｅｎｅｒｇｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ａ Ｓｅｒｉｅｓ－ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ （ＳＰＨＥＶ）． Ｉｔ ｃｏｎ－ ｔａｉｎｓ ｔｈｒｅｅ ｍｏｄｕｌｅｓ： ｄｒｉｖｅｒ ｎｅｅｄ， ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｚｏｎｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｉｔ ｓｍｏｏｔｈｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ＨＥＶ Ｅｎｅｒ ｇｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｃｏｏｒ ｄｉｎａｔｏｒ
四轮驱动是在前轮驱动的基础上， 增加后轮电 机助力和回馈发电模式， 可以在整车需求大功率时 提供动力， 并在制动时尽可能地回收制动能量。 ２ 混合动力轿车能量管理策略
由于整车动力部件多， 工作模式复杂， 为了充 分发挥该车构型 的 优 势 ， 提 高 整 车 经 济 性 、排 放 水 平以及动力性能， 需要对发动机、ＩＳＧ 电机、轮边电 机以及蓄电池进行合理的控制和匹配， 使其能根据 整车的工况状态以及驾驶员的驾驶需求来合理分 配转矩， 使发动机、ＩＳＧ 电机和轮边电机工作在各自 的高效区， 从而提高整车的动力性和经济性。
为多胞方管， 加强杆一般选择 ２ 根为宜。
３） 将防撞杆的材料由普通钢改为高强钢可进
一步提高车门抗撞性。
参考文献
１ 宋学伟， 郑福英， 王登峰， 等． 基于原型轿车结构的概念轿车侧面
图 １０ 车门内能－ 时间曲线
碰撞仿真分析． 汽车技术， ２００７（ ９） ： ３８～３９， ４３． ２ 张君媛， 于如芳， 邱少波， 等． 汽车侧面碰撞中内板参数与乘员伤
整车的控制策略结构框图如图 ２ 所示， 将控制 策略分为 ３ 层， 分 别 为 驾 驶 员 意 图 识 别 策 略 、能 量 管理策略和协调控制。
多能源动力总 成控制系统
驾
Ｍｏｔ ／ＩＳＧ
驶
ＥＣＵ
员 意
图
识
别
策
略
图 １ 整车结构图
基于该结构， 本车可以实现如下的工作模式： 前轮单独驱动、后轮单独驱动和四轮驱动。
害值的相关性分析． 汽车工程， ２００７， ２９（ ６） ： ４６２～４６４ ３ 陈晓东， 尹同耀， 朱西产， 等． 汽车侧面碰撞计算机仿真方法．汽车
电动汽车技术更具实用价值， ＨＥＶ 也具有高的能量 利用效率和较低的排放量， 是近期汽车发展的主要 方向和目标。
混合动力电动汽车是兼备了电动汽车和传统 汽 车 优 点 的 新 一 代 汽 车 结 构 型 式 。 它 将 发 动 机 、电 机及能量储存装置（ 蓄电池等） 组合在一起， 它们之 间的良好匹配和优化控制， 可充分发挥内燃机汽车 和电动汽车的优点， 弥补各自的不足， 其综合效率 可与燃料电池汽车相竞争， 是当今最具实际开发意 义的低排放和低油耗汽车。较之纯电动汽车和内燃 机汽车， ＨＥＶ 具有如下的优点。
图 ３ 驾驶员意图识别曲线
转矩需求， 变速器输出轴的驱动转矩需求经过 变速器速比的变化得到汽车在运行中对变速器输 入轴端的驱动转矩需求， 根据能量管理策略， 分配 发动机和电动机的输出转矩的比例， 从而实现对驾 驶员驱动力转矩需求的识别。驾驶员需求驱动转矩 的大小， 与相同车速下加速踏板的开度的大小成比 例关系， 因此加速踏板的不同开度可对应相应的随 车速的驱动力矩需求曲线。
引言 随 着 全 球 汽 车 保 有 量 的 不 断 增 加 、空 气 质 量 的
恶化和石油资源的匮乏问题日益突出。汽车排放法 规的日益严格， 欧美日等发达国家先后提出了几近 苛刻的环保标准， 如欧洲 ２００５ 年启动的欧 ＩＶ 标准， ２００８ 年将启动的欧 Ｖ 标准， 美国提出的 ＬＥＶ（ 低排 放 汽 车 ） 标 准 、ＵＬＥＶ（ 超 低 排 放 汽 车 ） 标 准 及 ＺＥＶ （ 零排放汽车） 标准等。传统的内燃机汽车越来越难 以满足上述要求。
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试验·测量
天津汽车
斜率进一步减小。
１） 车门结构由于自身结构特点， 在侧面碰撞中
方案 １ 和 ２ 与原方案车门内能－ 时间曲线比较 一般很薄弱， 需要对其进行加强， 来提高侧面碰撞
如图 １０ 所示。
性能。
２） 在车门中加装防撞杆可有效提高车门侧面碰
撞性能。由于车门内空间有限， 加强杆的形式可选
天津汽车
前轮驱动包括发动机工作 ＩＳＧ 电机助力模式、 发 动 机 工 作 ＩＳＧ 电 机 发 电 模 式 和 ＩＳＧ 电 机 回 馈 发 电模式。通过合理控制 ＩＳＧ 电机助力和发电， 来调 整发动机在经济区域内工作， 同时回收制动能量， 从 而降低排放， 提高经济性。
后轮单独驱动包括轮边电机纯电动驱动模式 和电机回馈发电模式。纯电动主要用于整车起步工 况， 避免发动机在起步阶段低速大转矩工况工作， 同时回馈发电回收制动时的能量， 提高经济性。