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]。