混合电动汽车整车控制策略研究及发展趋势探讨

混合电动汽车整车控制策略研究及发展趋势探讨

张嘉君

武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070

E-mail：941ai@

摘要：混合电动汽车整车控制策略是电动汽车的灵魂。本文综述了当前混合电动汽车控制关键技术，分析了应用于电动汽车的主要控制理论，提出了整车控制策略研究的重点和突破方向，对混合动力整车控制策略设计与开发具有指导和借鉴意义。

关键词：混合电动汽车，控制策略，关键技术

1 引言

混合电动汽车（Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV)是指同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过合理复合动力系统，灵活调控整车功率流向，使发动机保持在综合性能最佳的区域工作，从而降低油耗与排放。美国的PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles)、欧洲的“The Car of Tomorrow ”计划、日本的“Advanced Clean Energy Vehicle Project”以及我国的“清洁汽车行动”都正是基于HEV而制定的战略计划。刚刚闭幕的“十一五”规划着力自主创新，混合动力技术可能是我国汽车行业自主创新的最大突破口，而在HEV关键技术中，整车控制策略占据着核心灵魂位置，因此，科学深入研究混合动力汽车的整车控制策略显得必然重要。作者对混合电动汽车的控制理论及技术现状作了系统分析，并指出了HEV控制策略研究关键技术和发展方向。

2 概念与结构

混合动力汽车主要有串联（SHEV）、并联（PHEV）和混联（SPHEV），和传统汽车的主要区别在于其多了电动机或发电机，不同混合动力之间的结构区别主要在于起能量流向的不同，图1和图2给出了串联和并联混合动力汽车的能量流向。抽象的混合动力控制策略，就是通过合理规划整车在具体行使工况中的不同动作，使整车能量高效、合理流动，达到整车经济性、动力性、排放等各项指标达到最佳结合点。

由于各种混合动力电动汽车结构上的差异，因而需要不同的控制策略来调节和控制功率流从不同元件的流进和流出，采用不同控制策略的目的是为了实现不同的控制目标。具体来说，混合动力控制策略的控制目标主要有以下四个：燃油经济性；排放指标；系统成本；最驱动性能。

- 1 -

控制系统的目的就是要实现发动机运行在最佳的工作状态，以使油耗和排污最低，并尽可能充分利用发动机的能量，最大限度地吸收制动能量，尽量减少电池的能量消耗。目前，在控制策略的制定方面，基本控制机理都是将整个行车过程划分为巡航，加速，制动三个过程加以优化。而控制策略的实现，都是建立在电动机，APU和电池的性能指标准确的评估之上的。因此，在即定控制策略下，各动力系统参数的准确性及其动态特性的优良成了策略实现的关键。因此，控制策略的关键技术还是在，建立动态的驱动系统数学模型，这是参数匹配和优化控制策略的重点也是难点所在。

3 主要技术构成

表一 HEV节油理论值

项目理论节油比（%）

选择较小发动机5~15

取消发动机怠速5~10

控制发动机在高效率区5~10

发动机断油控制 5

适当增大电池SOC窗口 3

制动能量回收5~12

系统总计30~50

当前，电动汽车的关键技术细分有整车技术、系统匹配与集成技术、多能源管理与控制策略、电机技术、电池技术、试验与评估技术、及仪表总线等附件技术。要制定核心层面的先进的整车控制策略，必须对各种部件主要敏感参数有深刻的理解。日本汽车研究院的一份报告[1]中指出，在燃料电动汽车（FCEV）中，决定燃油经济性最敏感的参数中，电池是最主要因子，而在串联、并联或混联（HEV）中，发动机电动机的关键参数及其合理匹配则占据着更大比例因数。由表一[2]给出的HEV节油理论值中也容易看出，对电机、发动机工作模式的合理切换与控制正是制定整车控制的目标所在。当前，美国、欧洲和日本关于电动汽车控制方面先进技术主要有如下几种：

1）自适应性控制器。这种控制器自适应控制电动机和内燃机的输出功率，保持预先设定的关系去驱动车辆以达到某种优化目标。Rover Group Limited 的Farrall, Simon David 发明的关于车辆动力总成的控制（Control of a vehicle powertrain）的专利技术，该动力总成由内燃机和电动机（由电池供电）组成，控制器利用存储在系统中的图表（通过模糊控制策略）来控制电动机和内燃机的输出转矩以保证它们在整个动力系统中的贡献符合一定的关系，具有自适应功能。

2）精确数学模型模块。福特全球技术中心Davis, George Carver 等人发明了一种存有内燃机动力总成的数学模型的动力总成控制模块，该控制模块连续监测发动机的各种参数的变化，利用这些参数在内燃机的每个循环实时控制入口气流、喷油时机、点火时间、和ERG 流的设定值，进而得到较好的效率和排放。

3）单部件保护技术。MITSUBISHI MOTORS CORP. 的IMAI SADAO 和 HORII

- 2 -

YUSUKE发明了一种控制器来保护电池，称之为混合动力车能量产生控制器（Power Generation Controller For Hybrid Electric Vehicle）。在混合电动车上电池的充电能量来自于电动机的再生制动产生的电能和发电机的发电产生的电能。当电动机再生制动产生的电压高于电池的额定电压或电池的温度超出允许范围时，继续充电就会损坏电池或影响电池的命，此时控制器停止发电工作就可以保护电池。NISSAN MOTOR CO LTD. 的KOMIYAMA SUSUMU 和 OKURA KAZUMA 等人发明的混合动力车控制器(Controller for Hybrid Vehicle)，解决了提供混合动力车电驱动用大功率电池充放电的控制问题。该技术用于由内燃机、电动机分别提供驱动力，启动电机提供引擎的启动力矩，两个电机由一组电池通过DC/DC 变换提供能量，控制器主要根据混合动力车的运行状况以及电池的状态改变DC/DC 变换器的输出能量，控制电动机的输出功率，以保证整车的性能。这种方法在混合动力电动汽车中已普遍采用。

4）平滑偶合技术。NISSAN MOTOR CO LTD.ITORAMA HIROYUKI和 KITAJIMA YASUHIKO 等人发明了一种混合动力车控制装置(Control Device for Hybrid Vehicle)，该控制系统通过对混合动力车启动时的电机优化控制来加快引擎启动过程和防止电池兼容性的减退。这种混合动力车的动力总成由为启动和发电用的电机和内燃机联结在一起且相互可驱动。一个启动检测装置检测启动状态和一个旋转速度检测装置检测内燃机的速度，控制装置控制启动时电机的速度和转矩，也就是当引擎脱离驱动系统启动时，控制装置根据电池的状态来决定电机的启动转矩，从而保证电池的状态和启动过程的兼容。这种方法克服了由于启动电流过大对电池的伤害。这种方法专门应用于启动电机的控制。

5）科学分配技术。Chrysler Corporation 的Boberg, Evan S. 和 Gebby, Brian P.发明的关于混合动力车的热引擎和电机转矩分配策略技术（Heat engine and electric motor torque distribution strategy），它提出了一种混合动力车动力总成系统的控制方法，包括电动机、内燃机转矩的分配控制方法，总的转矩由汽车加速踏板的位置决定、电池的SOC 状态、内燃机和电动机所能提供的转矩来确定，为了控制内燃机的排放，内燃机提供的转矩的上升速度必须严格按要求限制，其不足部分由电动机的输出转矩来补充。这种方法也在并联或混联混合动力电动汽车中已普遍采用。

4 控制机理与策略

4．1 控制理论

混合动力总成的控制策略通常有四种：逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制、神经网络控制。后三种控制方法就是通过实时采集大量的发动机运行资料计算发动机的最佳油耗点和最佳排放点，并在运行中实时跟踪数值的变化，因而，控制系统的软件和硬件都非常复杂。这三种控制方法对目标的改善效果在很大程度上依赖于发动机的动态模型的精度和运行数据的实时快速检测的精度，精度的偏差可能会导致目标效果急剧恶化。因此，在目前的情况下，国内外成型混合动力的样车和产品车大多采用逻辑门限值控制方法。

4．2 串联混合动力汽车的控制策略

串联型混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系,控制策略的主要目标是使

- 3 -