混合动力汽车控制策略的分析

混合动力汽车控制策略的分析
摘要：混合动力汽车的动力系统基本可分为串联式、并联式和混联式3种，对并联型和串联型混合动力汽车控制策略研究现状进行分析。

混联式混合动力系统结合了串联式和并联式两种结构的优点，使得能量流动的控制和能量消耗的优化具有更大的灵活性和可能性，并对混联式结构的几种控制方案进行了分析。

指出混合动力汽车的控制策略不十分完善，需要进一优化。

控制策略不仅仅要实现整车最佳的燃油经济性，而且还要兼顾发动机排放、蓄电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性及整车成本等多方面要求，并针对混合动力汽车各部件的特性和汽车的运行工况，使发动机、电动机、蓄电池和传动系统实现最佳匹配。

关键词：混合动力汽车结构控制策略
1、混合动力汽车的研究背景
混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，因其具有低油耗低排放的潜力，其动力性接近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，因此，最近几年来对混合动力汽车的研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个热点。

以相信，在电动汽车的储能部件—电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。

混合动力电动汽车与传统的内燃机汽车和电动汽车不同，它一般至少有两种车载能量源，其中一种为具有高功率密度的能量源。

利用两种能量源的特性互补，实现整车系统性能的改善和提高。

要实现两者之间相互协调工作，这就需要有良好的控制策略。

控制策略是混合动力汽车的灵魂，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量要求，动态分配发动机和电动机系统的输出功率。

采用不同的控制策略是为了达到最优的设计目标，其主要目标为：最佳的燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本、最佳的驱动性能。

当前开发研制的混合动力汽车可以分为三类：串联式、并联式、混联式混合动力电动汽车。

在各部件的选型确定以后，采用合适的控制策略是实现最佳燃油经济性，降低排放的关键。

目前提出的混合动力汽车控制策略还不成熟，实用性不强，只有基于工程经验进行设计的逻辑门限控制策略在实际商品化混合动力汽车中得到了应用。

开发一种成熟实用的控制策略仍然是目前亟待解决的难题。

随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控制等方法也有运用。

自适应控制策略，实际上是一种实时控制策略，它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放。

由于实时控制策略能够保证在任一时刻都是由效率最优的部件工作，因此其燃油经济性要优于模糊逻辑控制策略。

但是实时控制策略过分依
赖于各个部件的性能特性的精确性，由于受电池老化、发动机动态特性等的影响，在实际车辆的实时控制中很难得到应用。

模糊逻辑控制策略由于其鲁棒性好的特点，适用于车辆控制这样一个复杂的系统，对混合动力电动汽车的控制有明显的优越性。

在国内，由于混合动力电动汽车的起步较晚，对混合动力控制策略的研究远没有达到成熟的程度，大都处于理论研究阶段。

在应用方面可以说才刚刚起步，尚未实现产品化和产业化，与国外有关混合动力汽车控制方面的技术水平有相当大的差距。

因此，我国应大力提高混合动力汽车关键技术的自主研发能力，尤其是对车辆的性能有较大影响的控制策略的自主研发能力，以提高我国混合动力汽车的产品化进程。

2. 混合动力汽车的种类、特点及控制策略分析
混合动力电动汽车(HEV)是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(Auxiliary power unit，APU)的汽车，其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机。

混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置(蓄电池)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，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。

目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种组合方式。

2.1 串联式驱动系统
2.1.1定义
串联式系统由发动机、发电机、储能装置、电机控制器和车辆传动系组成,其基本结构如图1所示。

图一串联式系统的基本结构
由图1可知,串联式系统的基本结构是由发动机到发电机,然后由发电机把电能传递给电机控制器,或是储能装备(动力电池组或超级电容组),电机控制器再把电能传递给驱动电机,再由驱动电机机械连接传动系进行工作。

该系统包括以下特点:
(1)驱动电机是整车唯一驱动动力源;
(2)不需变速机构,可实现无极变速;
(3)不需要离合器;
(4)发动机与整车传动系完全机械解耦;
(5)发动机工作点集中在最佳油耗区;
(6)可取消发动机怠速工况。

2.1.2电能分配机构形式
串联混合动力汽车电能分配机构有3种形式,如图2所示。

不同的结构采用不同的控制策略。

图二采用不同控制策略时的能量流动形式
图2(a)的结构采用恒温器式控制策略,发电机工作在最佳效率工况点,只为电池充电;图2(b)的结构采用功率跟随型控制策略,电池只在纯电动模式和制动回馈时起作用,平时均由发电机输出电流供电动机使用;图2(c)的结构,发电机输出电流可以同时流向电池和电动机,此时电池能够起到能量缓冲器的作用,弥补发电机与电动机之间的功率差异,使控制策略的实现更加灵活。

在获得更高系统效率的同时也能维持发动机始终工作在经济且排放较低的区域,当电动机制动回馈时,给电池充电可实现能量的回收。

如要采用“功率跟随+恒温器控制策略”则要求使用该种结构。

2.1.3 控制策略
主控制器是连接驾驶员和动力系统之间的桥梁,其控制策略的选择将影响整个动力系统的能量转换效率以及动力电池的使用寿命。

目前较常见的2种控制策
略是“恒温器”控制模式和“功率跟随”控制模式。

（1）恒温器控制策略
恒温器控制策略允许发动机在电池的荷电状态(SOC)高于SOCmax之前按设定的高效区域恒功率运转,此时发动机关闭,汽车为零排放、纯电动行驶;当SOC 降到低于SOCmin值时,发动机再次启动并输出恒功率,这与温室的温度控制相似。

这种模式下的电能流动形式如图2(a)所示,驱动电机所需的能量只能从动力电池获得,这样动力电池就必须满足所有瞬时功率的需要,其放电电流的波动会很大,经常出现大电流放电的情况,对电池放电效率和使用寿命均有不利影响;其次,虽然APU可以在最优效率点工作,由于多了能量转换的环节,电池充放电的效率损失也许会大于APU优化后的收益。

该策略对APU有利而对动力电池不利。

（2）功率跟随型控制策略
功率跟随型控制策略要求发动机的输出功率跟踪路面的负载要求,这样发动机总保持运转,仅当纯电动模式运行时才停机,由电池提供电能,这种模式下的电能流动形式如图2(b)所示。

使用这种策略,减少了动力电池充放电循环,与充放电有关的功率损失也就相应减少。

然而,由于必须满足续驶里程内的所有功率要求且要做出快速响应,所以导致发动机频繁起停,影响了发动机的效率和排放特性。

这种控制策略对动力电池有利而对APU不利。

（3）“功率跟随+恒温器”控制策略
此外,可采用“功率跟随+恒温器”的综合控制方式。

发动机在SOC较低或负载功率较大时均会起动,当负载功率较小且SOC高于预设的上限值SOCmax时,发动机被关闭,在发动机关和开之间设定了一定范围的状态保持区域,这样可以避免发动机的频繁起停。

发动机一旦起动便在相对经济的区域内对电动机的负载功率进行跟踪,当负载功率大于或小于发动机经济区域所能输出的功率时,电池组可以通过充放电对该功率差进行缓冲和补偿,图2(c)所示的能源分配机构保证了这种控制策略的顺利实现。

经过仿真试验对比得出:不同的串联混合动力的控制策略对燃油经济性的影响有差别,功率跟随型比恒温器模式控制策略在改善燃油经济性方面要提高8.3%;而采用“功率跟随+恒温器”的综合控制方式这种的控制策略下,可以减少电能的循环损耗,避免电池大电流放电和发动机的频繁起动,降低了油耗,提高了排放性能。

这种将恒温器和功率跟随两种控制策略结合起来使用,既减少了蓄电池的过度循环和大电流充放电,又避免了发动机的频繁起停,使其达到整体效率最高。

同时,电动机具有调速范围宽、起动力矩大、过载能力强等优点,但整车动力性稍显不足[1]。

2.2并联式混合汽车
2.2.1 定义
在效率上,并联式结构通常较串联式更优越。

因此,虽然控制上较串联式复杂,一些混合汽车还是选择并联式。

而并联式结构也有多种型式,主要有单轴式和双轴式2种。

以双能源(发动机和电机)并联式混合动力汽车为研究对象,其驱动结构如图3所示。

图三并联驱动结构控制策略
2.2.2控制策略
混合动力汽车的控制策略最常用的有逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络模糊控制4种[2]。

动态自适应控制的出发点是在任一时刻,使能量流动过程中的能量损失最小。

但是实时控制策略过分依赖于各个部件的性能特性的精确性,受电池老化、发动机动态特性等的影响,在实际应用中很难达到这一目标。

实时控制策略可以用于评价其它的控制策略的潜力。

模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。

神经网络模糊控制器是由神经网络和模糊控制共同组成的混合系统,通过神经网络实现的模糊控制,将神经网络与模糊控制相结合,利用人工神经网络的自学习能力对模糊控制规则进行记忆,通过训练来学习给定的经验并将控制规则隐含在整个网络之中。

而最简单、最实用的控制策略是逻辑门限值控制,国外的样车和产品车型大都采用这种控制方法。

采用其他3种复杂的控制方法需要采集和运算的数据量非常大,且效果改善不是很大[2]。

因此,下面简单介绍逻辑门控制策略。

逻辑门限值控制策略是以整车油耗和排放最佳为控制目标,提出同时限制电池和发动机工作区间的控制策略,通过设定门限值,将发动机控制在高效率区运行,提供要求的转矩;电机作为载荷调节装置,当需要大力矩输出时电机参加驱动,当
需要小力矩输出时电机吸收发动机转矩进行发电,并将电池的荷电状态SOC维持在合理的范围内。

其相应的基本策略是:当电池的SOC值在正常的工作范围时,汽车采用电机起步;当汽车车速低于所设定的车速时,由电机单独驱动车轮;当车速高于设定的车速时,电机停止驱动而由发动机驱动车轮;当负荷比较大时(如汽车急加速、爬大坡或以较高车速爬坡时),发动机和电机联合驱动车轮。

基于逻辑门限值的控制策略,一汽自主开发出CA6100SH8混合动力客车[3]。

该控制策略下的整车工作模式,可分为停机模式、电机启动发动机模式、换挡模式、驱动和制动模式以及跛行回家模式等5类。

通过离线仿真分析和实车试验验证了上述各种工作模式和功率分配的可行性。

对于同一种并联形式的混合动力汽车来说,采用不同的控制策略可以得到不同的燃油消耗、排放和电池的状态。

设计混合动力汽车的目标是在保证汽车性能的条件下降低汽车的燃油消耗和排放,同时还兼顾电池的寿命问题。

基于这些目标,仿真过程中既涉及到蓄电池的选择,又要考虑发动机的燃油消耗、排放以及电池的寿命。

而提高混合动力汽车效率可通过改善能源布置和提高制动时的能量回收来达到。

2.3 混联式混合汽车
2.3.1 定义
混联式混合动力汽车动力系统的布置方案是串联式布置和并联式布置的综合[4]。

发动机输出功率一部分通过机械传动输送给驱动桥;另一部分则驱动发电机输出电能,由控制器控制输送给电动机或者电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。

混联式驱动系统能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在复杂工况下使系统在最优状态工作,更容易实现排放和优化的控制目标。

图4所示为切换式混联混合动力汽车系统布置方式,通过离合器的接合与分离可以实现串联分支与并联分支间的相互切换。

离合器分离,发动机和电动机与驱动轮的机械连接,系统以串联模式运行;离合器接合,系统以并联模式运行。

图四混联式系统结构示意图
2.3.2 工作模式及其控制策略分析
（1）起步工况
一般情况下,控制器根据油门踏板状态,启动驱动电机,电池组给驱动电机供电,以纯电动模式起动车辆;当需求功率高于设定值时,利用控制器起动发动机(当控制器给出发动机起动信号,电池给发电机提供能量,控制器起动发电机,用发电机反拖发动机起动。

),此可避免发动机怠速时高油耗、高排放的缺点。

（2）正常行驶工况
①串联模式行驶
当汽车在城市里行驶时,由于车辆低负载和要求低排放,车辆以串联模式运行。

考虑到当发动机在低速低转矩或高速低转矩区域工作时,电池在低(荷电状态)和高SOC时工作效率都较低,因此一般采用逻辑门限制控制法。

串联模式中,发动机工作在最佳的工作区,为驱动电机提供能量,电池在这个过程中主要对能量起削峰填谷的作用,其基本控制策略如下:
a.SOCmin<SOC<SOCmax,若Me>Mv,则Me=Mv+Mc,若Me<Mv,则
Me+Md=Mv
b.SOC<SOCmin,则Me=Mv+Mc
c.SOC<SOCmax起动纯电动模式,关闭发动机。

d.SOC<SOC1,则发动机起动。

式中,Me为发动机工作力矩;Mv为整车需求驱动力矩;Mc为给电池充电的力矩;Md为电池放电提供给电机的驱动力矩;SOC1为当SOC低于此值时发动机启动;SOCmin为当SOC低于此值时给电池充电;SOCmin<SOC1<SOCmax。

②并联模式行驶
当车辆需要高速行驶,即有较高的负载要求时,电机单独驱动已经不能使汽车获得良好的动力性能,于是离合器接合,转变为并联模式,其基本控制策略如下:
a.SOC>SOCmin,若Me>Mv,Me=Mv+Mc,则Me<Mv,Me=Mv。

b.SOC>SOCmin,若Me>Mv,Me=Mv+Mc,
则Me<Mv,Me+Md=Mv。

（3）减速工况
当车辆需要减速滑行或者减速制动时,监视器根据制动踏板信号断开离合器,同时向驱动电机发出负力矩信号,使其处于反拖发电状态,向电池组回馈电能。

而电机扭矩大小由电机的最大充电扭矩和电池系统的充电状态来决定。

当制动回收充电力,机械制动系统开始工作,以确矩不能满足要求时保车辆的制动安全性。

当车速低于设定值或者电机转速低于设定值时,此时电机充电效率较低,能量回收系统不启动,直接采用机械制动,其基本控制策略如下：
电扭矩和电池系统的充电状态来决定。

当制动回收充电力,机械制动系统开始
工作,以确矩不能满足要求时保车辆的制动安全性。

当车速低于设定值或者电机转速低于设定值时,此时电机充电效率较低,能量回收系统不启动,直接采用机械制动,其基本控制策略如下:
a.Mb>Mc,若SOC<SOCmax,则Mb=Mc;若SOC≥SOCmax,则电机停止工作Mb=Mm。

b.Mb>Mc,若SOC<SOCmax,则Mb=Mc+Mm;若SOC≥SOCmax,则电机停止工作Mb=Mm。

式中,Mb为整车需求的制动转距;Mm为机械摩擦制动转距。

（4）故障工况
当电机分总成出现故障时,采用纯发动机模式驱动;当发动机出现故障时,采用纯电动模式运行。

3.模型仿真简介
利用美国Argonne国家实验室为响应美国政府的新一代车辆合作计划而开发的电动汽车仿真软件PSAT,根据需要对M函数和Simulink模块进行修改,可建立自己需要的整车仿真模型[4](图6)。

图5 混联式HEV仿真结构模型
从仿真性能及结果可以看出,在基础起步阶段混合动力汽车混联式与串联式和混联式相比,由于都由电机驱动,因此性能相近;在高速行驶时,由于串联式只是依靠电机驱动,动力性不如混联式,且油耗方面混联车也优于串联车。

同时,串联车发电机的发电功率与驱动电机的驱动功率必须相当,才能保证整车的动力性;混联车可以避免这种情况,可选用更小的发电机与驱动电机,但是在机械与功率控制实现方面要复杂得多,实现多个能源的最优匹配难度更大。

4.总结
(1)混合动力汽车(HEV)采用发动机和电机、电池作为混合动力总成,既继承了
电动车辆作为“绿色汽车”的节约能源和超低排放的优点,又弥补了电动车辆续驶里程的不足。

通过优化控制系统,可使发动机、电机和电池保持在最佳经济区运行,并实现再生制动能量回收,提高了整车的能量利用率,同时大幅度减少排放污染。

因此,在电动汽车技术取得重大突破之前,混合动力汽车作为未来的发展方向将成为各国环保节能城市客车的主要选择。

(2)串联式多应用于大型客车;并联式仅限于小型汽车,更适合在高速公路上行驶;混联式驱动系统能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在复杂工况下使系统在最优状态工作,更容易实现排放和优化的控制目标,但由于结构和控制系统复杂、成本高,目前主要应用于轿车上。

(3)就技术层面而言,混合动力汽车仍然具有极大的发展空间。

这包括储能装置、耦合器及电控元件等硬件方面的突破,也包括在控制模型和优化方案等“软件”方面的提升。

（4）国外有关文献表明，综合运用模糊逻辑控制、神经网络等现代控制方法对电池SOC值、车速、发动机功率等参数进行模糊化处理，同时结合神经网络进行寻优，可以大大增加控制的精度，能够取得良好的控制效果。

相比较而言，模糊逻辑控制策略鲁棒性强、实时性好，具有很强的实用性，而且能够克服许多其他控制策略的不足之处。

模糊逻辑比较适合于表达那些模糊或定性的知识，但缺乏自学习和自适应能力。

模糊系统的推理能力强，而神经网络具有很强的学习能力，将模糊逻辑与神经网络有机地结合起来，开发基于神经网络的模糊逻辑控制策略目前正成为热点的研究问题。

参考文献：
[1]李晓英,于秀敏,李君,等.串联混合动力汽车控制策略[J].吉林大学学报,2005,35(2):122-126
[2]第一汽车集团公司技术中心混合动力客车项目组.2005《解放牌混合动力城市客车的研究开发》课题验收报告[R].
第一汽车集团公司技术中心,2005:3-5
[3]赵子亮,李骏,刘明辉,等.CA6100SH8并联混合动力客车工作模式与功率分配研究[J].汽车工程,2007,29(8):
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[4]张华,周荣.混联式混合动力汽车控制策略开发与仿真研究[J].设计・计算・研究,2007(8):27-29。