混合动力汽车_HEV_技术分析

混合动力汽车（HEV ）技术分析

王飞1，刘建国2

（1安阳工学院；2安阳市知识产权局，河南安阳455000）

摘

要：混合动力汽车由于在节能与减排方面的明显优势而倍受关注。本文论述了混合动力常用结构形式、特点及混合动

力汽车的控制策略，并介绍了一种基于模糊技术的并联型控制策略；插电式混合动力更节能环保，但推广还有较大难题。

关键词：混合动力汽车；结构形式；插电式混合动力中图分类号：TP242

文献标识码：A

文章编号：1673-2928（2010）06-0013-04

＊

收稿日期：2010-09-15

作者简介：王飞（1979-），男，山东省龙口市人，安阳工学院讲师，硕士，从事汽车发动机相关方向研究和教学工作。

随着全球节能减排的日益深入，清洁能源汽车受到各国的关注，不惜巨资研发推广。因技术限制，在短期内，能实现零排放的纯电动汽车尚难取得实质性突破，量产还有待时日。因而技术相对成熟，已实现十多年量产的油电混合动力汽车的进一步发展成为研究热点。日本丰田汽车公司的

Prius 混合动力轿车不仅实现量产，且销量逐年递

增，战绩骄人。我国混合动力汽车的研发也劲追国际潮流，取得不错的成绩。

1混合动力结构形式

通常的混合动力一般是指油电混合动力，即

燃料（汽油，柴油等）和电能的混合。混合动力汽车是指以蓄电池与辅助动力单元（APU ）共同作为

动力源的汽车。目前HEV 所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。混合动力汽车驱动系统有串联型和并联型两种类型。如果把串联型驱动系统和并联型驱动系统再并联起来，就是第三种驱动类型———混联型。

1.1串联混合型（SHEV ）

串联型混合动力汽车驱动轮的直接驱动能量

（转矩）来源只有一种：电能。其系统框图见图1。传统内燃机工作经离合器、减速器驱动交流发电机产生电能，交流电经整流可向电池组充电或经逆变后驱动交流电动机驱动车轮。虽然系统中有内燃机，但最终驱动车轮的仅电能。

图1串联混合型系统框图

1.2

并联混合型（PHEV ）

在图2中，内燃机通过行星轮系一方面把扭矩直接传给电动机转子，另一方面又通过行星轮系带动交流发电机发电，后者经整流、逆变环节把电能送到电动机定子上，产生电磁转矩。于是电动

机转子轴上共有两种转矩在此合成：一是内燃机传来的机械转矩，一是由定子传来的电磁转矩，形成转矩的并联相加输出，即车轮受到两个转矩的驱动，因此图2是一种并联混合型驱动系。

2010年12月

第9卷第6期（总第48期）

安阳工学院学报

Journal of Anyang Institute of Technology

Dec.2010

Vol.9No.6（Gen.No.48）

安阳工学院学报2010年

1.3混联混合型

混联混合型HEV的结构可看做作为并联混合型结构的一个特例，视为其的一种改进型。目前车辆上使用的混联混合型的结构，以行星齿轮作为基本框架，在此基础上完成动力的混合。总体上发动机的动力被分为两路：一路经由机械传动机械能被输送给驱动桥；另一路经由发电机将机械能转变为电能，由电路传输到电动机或由充电系统对蓄电池进行充电，同时电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。汽车低速时，混合装置主要以串联方式工作；汽车高速时，混合装置则以并联工作方式工作；在减速或制动时，采用能量回收，电动机转变为发电状态，将制动能量变为电能回收到蓄电池中。混联混合型动力系统，兼具了串联混合型和并联混合型的优点，从而使发动机、发电机、电动机等部件实现更多的良好匹配，系统得到优化，在结构上保证了在车辆多变的繁杂的各种工况下，系统仍能工作在最优状态下。较好控制排放水平和减少油耗成为其显著特点，从而使其在HEV家族中最具影响力，具有良好的未来发展前景。

图2单轴式并联混合型驱动系统框图表1串联式与并联式的比较

2混合动力系统控制策略

控制策略是混合动力汽车研究和开发的重点和难点，是整个控制的核心所在。其主要目标是以驾驶员的意图和行驶工况为依据，协调各部件间的能量流动，合理进行动力分配，使发动机保持在最佳效率区和排放区工作，从而降低油耗与废气排放，提高燃油经济性。要对其进行控制，必须依据发动机／发电机、电动机及传动系统工作特性，分析HEV的驱动模式，以系统的效率，整车动力性和燃油经济性为控制目标，制定合理的控制策略，达到优化控制的目的。

2.1串联混合型HEV的控制策略

一般SHEV具有混合驱动模式、纯电动模式、纯发动机模式、行车充电模式、减速＼制动能量回馈模式和怠速＼停车模式。其动力系统按功能可分为3部分：发电、驱动和辅助动力。驱动系统主要即驱动电机，驱动驱动桥使车辆运行。发电系统主要包括发动机和发电机，将发动机部分机械能转

14

第六期

变为电能。辅助动力系统用于驱动为风扇、车载空调等。恒温器控制模式和功率跟随控制模式是目前较常见的两种基本控制模式。

2.1.1恒温器控制模式

恒温器控制模式采用逻辑门限值控制，即蓄电池的荷电状态（SOC）低于低门限值时，此时发动机被启动，按照最低油耗(或排放)点（曲线）工作，

且功率输出恒定。功率的一部分用于驱动车轮，另一部分功率经发电机、充电系统向蓄电池充电，提高蓄电池SOC；当蓄电池组SOC逐渐上升，直到达到高门限值时，发动机被关闭，进入纯电驱动工作状态，由电动机单独驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求，但蓄电池组的过度循环会使动力系统的效率降低。这种控制模式对发动机比较有利，而对蓄电池要求很高。

2.1.2功率跟随控制模式

功率跟随控制模式力图使发动机沿着最低或接近油耗曲线运行，经济性好，故而较常采用自动无级变速器(CVT)，利用其速比的连续性，使发动机的输出功率紧紧跟随车轮所需功率的变化。采用这种控制策略，避免了恒温器控制模式中缺点，蓄电池的过度循环将消失，蓄电池组损失被减少到最低程度，此策略目前应用较多，但整车成本较高。

如何使以上两种控制模式实现互补成为现在的研究方向。将两种控制模式结合起来，尽可能使发动机和电池工作在高效率区，整体效率最高。当汽车加速时，可采用功率跟随模式，以满足加速驱动功率要求，降低对蓄电池的峰值功率要求，延长其工作寿命；当汽车低速行驶路况良好时，可以采用恒温器模式，目的在于避免发动机低效率工况的发生，以提高整车系统的效率。

2.2并联式模糊逻辑控制策略

模糊控制(Fuzzy Logic Control缩写为FLC)是建立在人工经验基础之上的。对于一个人来说可以凭借自身的经验来巧妙的控制一个复杂的过程。将这种经验用语言总结出来，就会形成一种定性的、不精确的控制规则，然后用模糊数学将其定量化就转化为了模糊控制算法，从而形成模糊控制理论。

并联式混合动力系统中发动机与电机两转矩彼此独立，如何对两者大小分配成为关键。模糊控制策略是基于规则的控制策略，可以由多个输入参数，并按照一定的法则生成多种模糊规则来实现合理调节和控制各动力元件间的功率流。这就大大增加了控制的自由度。

图3模糊逻辑控制策略结构图

此控制策略的模糊规则的核心思想如下：重点考虑需求转矩、目标转矩、电池SOC之间的关系，建立其与电机控制输出的隶属度关系函数，实现发动机扭矩输出的最佳。

1)当△T=0时（需求转矩点与目标转矩点重合），此时电机关闭，发动机工作在最经济区。由于△r 为“零”的论域范围覆盖电机小负荷扭矩，因此也有效避开了电机工作在低效率区。

2)当△T较大时（需求转矩点与目标转矩差距较大），可以使用电机将发动机工作点调至经济区甚至最优曲线上。当满足△T为“负小”&SOC为不“高”或△T为“正小”&SOC为不“低”，并且电机转速为“低”时，输出K=1，可以使用电机将发动机工作点调至最优曲线上，并且此时△T的论域范围正好覆盖电机高效率区，使发动机和电机均工作在理想状态。

3)当SOC偏离正常区域时，视具体情况相应增加充电或用电负荷，尽量使SOC恢复至正常区。如：△T为“负大”&SOC为“高”，那么输出K=0；△T为“负小”&SOC为“低”&n为“低”，那么输出K=1，等等。

模糊控制方法能保证发动机大部分工作点在目标扭矩附近，因此，较电辅助控制策略经济性更优。

3插电式混合动力汽车的发展

今年6月1日我国在5个试点城市推出新能源车的补贴计划，插电式混合动力车位列其中。新能源汽车中插电式混台动力车一般是串联插电式混合动力车。它在一定里程内采用电力驱动，超过这个里程后，由内燃机带动发电机，将电力输入到蓄电池内，再由蓄电池将电力提供给驱动电机带动汽车行驶。串联插电式混合动力车中需用大容量、高电压、高功率密度的锂离子蓄电池和大功率驱动电机。目前发展推广插电式混合动力车需要解决的问题主要有：

1)蓄电池是制约插电式混合动力车和纯电动车发展的瓶颈；

2)基础设施——

—充电站建设严重滞后；

3)充电插座无标准化；

王飞刘建国混合动力汽车（HEV）技术分析15