混合動力汽車控制策略的分析

1、混合動力汽車控制策略的分析摘要：混合動力汽車的動力系統(tǒng)基本可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種，對并聯(lián)型和串聯(lián)型混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀進行分析?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使得能量流動的控制和能量消耗的優(yōu)化具有更大的靈活性和可能性，并對混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的幾種控制方案進行了分析。指出混合動力汽車的控制策略不十分完善，需要進一優(yōu)化?？刂撇呗圆粌H僅要實現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟性，而且還要兼顧發(fā)動機排放、蓄電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性及整車成本等多方面要求，并針對混合動力汽車各部件的特性和汽車的運行工況，使發(fā)動機、電動機、蓄電池和傳動系統(tǒng)實現(xiàn)最佳匹配。關(guān)鍵詞：混合動力汽車結(jié)構(gòu)控制

2、策略1、 混合動力汽車的研究背景混合動力汽車是兼顧了電動汽車和傳統(tǒng)汽車優(yōu)點的新一代汽車結(jié)構(gòu)型式，因其具有低油耗低排放的潛力，其動力性接近于傳統(tǒng)汽車，而生產(chǎn)成本低于純電動汽車，因此，最近幾年來對混合動力汽車的研究開發(fā)成為世界上各大汽車公司、研究機構(gòu)和大學的一個熱點。以相信，在電動汽車的儲能部件電池沒有根本性突破以前，使用混合動力電動汽車是解決排污和能源問題最具現(xiàn)實意義的途徑之一?；旌蟿恿﹄妱悠嚺c傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車和電動汽車不同，它一般至少有兩種車載能量源，其中一種為具有高功率密度的能量源。利用兩種能量源的特性互補，實現(xiàn)整車系統(tǒng)性能的改善和提高。要實現(xiàn)兩者之間相互協(xié)調(diào)工作，這就需要有良好的控制策略

3、?？刂撇呗允腔旌蟿恿ζ嚨撵`魂，它根據(jù)汽車行駛過程中對動力系統(tǒng)的能量要求，動態(tài)分配發(fā)動機和電動機系統(tǒng)的輸出功率。采用不同的控制策略是為了達到最優(yōu)的設計目標，其主要目標為：最佳的燃油經(jīng)濟性、最低的排放、最低的系統(tǒng)成本、最佳的驅(qū)動性能。當前開發(fā)研制的混合動力汽車可以分為三類：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動力電動汽車。在各部件的選型確定以后，采用合適的控制策略是實現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟性，降低排放的關(guān)鍵。目前提出的混合動力汽車控制策略還不成熟，實用性不強，只有基于工程經(jīng)驗進行設計的邏輯門限控制策略在實際商品化混合動力汽車中得到了應用。開發(fā)一種成熟實用的控制策略仍然是目前亟待解決的難題。隨著對混合動力系統(tǒng)控制策

4、略研究的深入，諸如自適應控制、模糊邏輯控制等方法也有運用。自適應控制策略，實際上是一種實時控制策略，它同時考慮了發(fā)動機的燃油消耗和排放。由于實時控制策略能夠保證在任一時刻都是由效率最優(yōu)的部件工作，因此其燃油經(jīng)濟性要優(yōu)于模糊邏輯控制策略。但是實時控制策略過分依賴于各個部件的性能特性的精確性，由于受電池老化、發(fā)動機動態(tài)特性等的影響，在實際車輛的實時控制中很難得到應用。模糊邏輯控制策略由于其魯棒性好的特點，適用于車輛控制這樣一個復雜的系統(tǒng)，對混合動力電動汽車的控制有明顯的優(yōu)越性。在國內(nèi)，由于混合動力電動汽車的起步較晚，對混合動力控制策略的研究遠沒有達到成熟的程度，大都處于理論研究階段。在應用方面可以

5、說才剛剛起步，尚未實現(xiàn)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化，與國外有關(guān)混合動力汽車控制方面的技術(shù)水平有相當大的差距。因此，我國應大力提高混合動力汽車關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力，尤其是對車輛的性能有較大影響的控制策略的自主研發(fā)能力，以提高我國混合動力汽車的產(chǎn)品化進程。2. 混合動力汽車的種類、特點及控制策略分析混合動力電動汽車(HEV)是在一輛汽車上同時配備電力驅(qū)動系統(tǒng)和輔助動力單元(Auxiliarypowerunit，APU)的汽車，其中APU是燃燒某種燃料的原動機或由原動機驅(qū)動的發(fā)電機組，目前HEV所采用的原動機一般為柴油機、汽油機或燃汽輪機?；旌蟿恿﹄妱悠噷⒃瓌訖C、電動機、能量儲存裝置(蓄電池)組合在一起，它們

6、之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。目前世界各國研究開發(fā)的混合動力電動汽車有不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其驅(qū)動系統(tǒng)的配置和組合方式不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種組合方式。2.1串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)2.1.1定義串聯(lián)式系統(tǒng)由發(fā)動機、發(fā)電機、儲能裝置、電機控制器和車輛傳動系組成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖一 串聯(lián)式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由圖1可知,串聯(lián)式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是由發(fā)動機到發(fā)電機,然后由發(fā)電機把電能傳遞給電機控制器,或是儲能裝備(動力電池組或超級電容組),電機控制器再把電能傳遞給驅(qū)動電機,再由驅(qū)動電機機械連接傳動系進行工

7、作。該系統(tǒng)包括以下特點:(1) 驅(qū)動電機是整車唯一驅(qū)動動力源;(2) 不需變速機構(gòu),可實現(xiàn)無極變速;(3) 不需要離合器;(4) 發(fā)動機與整車傳動系完全機械解耦;(5) 發(fā)動機工作點集中在最佳油耗區(qū);(6) 可取消發(fā)動機怠速工況。2.1.2電能分配機構(gòu)形式串聯(lián)混合動力汽車電能分配機構(gòu)有3種形式,如圖2所示。不同的結(jié)構(gòu)采用不同的控制策略。圖二 采用不同控制策略時的能量流動形式圖2(a)的結(jié)構(gòu)采用恒溫器式控制策略,發(fā)電機工作在最佳效率工況點,只為電池充電;圖2(b)的結(jié)構(gòu)采用功率跟隨型控制策略,電池只在純電動模式和制動回饋時起作用,平時均由發(fā)電機輸出電流供電動機使用;圖2(c)的結(jié)構(gòu),發(fā)電機輸出電

8、流可以同時流向電池和電動機,此時電池能夠起到能量緩沖器的作用,彌補發(fā)電機與電動機之間的功率差異,使控制策略的實現(xiàn)更加靈活。在獲得更高系統(tǒng)效率的同時也能維持發(fā)動機始終工作在經(jīng)濟且排放較低的區(qū)域,當電動機制動回饋時,給電池充電可實現(xiàn)能量的回收。如要采用“功率跟隨+恒溫器控制策略”則要求使用該種結(jié)構(gòu)?？刂撇呗灾骺刂破魇沁B接駕駛員和動力系統(tǒng)之間的橋梁,其控制策略的選擇將影響整個動力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率以及動力電池的使用壽命。目前較常見的2種控制策略是“恒溫器”控制模式和“功率跟隨”控制模式。 （1）恒溫器控制策略恒溫器控制策略允許發(fā)動機在電池的荷電狀態(tài)(SOC)高于SOCmax之前按設定的高效區(qū)域恒功率

9、運轉(zhuǎn),此時發(fā)動機關(guān)閉,汽車為零排放、純電動行駛;當SOC降到低于SOCmin值時,發(fā)動機再次啟動并輸出恒功率,這與溫室的溫度控制相似。這種模式下的電能流動形式如圖2(a)所示,驅(qū)動電機所需的能量只能從動力電池獲得,這樣動力電池就必須滿足所有瞬時功率的需要,其放電電流的波動會很大,經(jīng)常出現(xiàn)大電流放電的情況,對電池放電效率和使用壽命均有不利影響;其次,雖然APU可以在最優(yōu)效率點工作,由于多了能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié),電池充放電的效率損失也許會大于APU優(yōu)化后的收益。該策略對APU有利而對動力電池不利。 （2）功率跟隨型控制策略功率跟隨型控制策略要求發(fā)動機的輸出功率跟蹤路面的負載要求,這樣發(fā)動機總保持運轉(zhuǎn),僅

10、當純電動模式運行時才停機,由電池提供電能,這種模式下的電能流動形式如圖2(b)所示。使用這種策略,減少了動力電池充放電循環(huán),與充放電有關(guān)的功率損失也就相應減少。然而,由于必須滿足續(xù)駛里程內(nèi)的所有功率要求且要做出快速響應,所以導致發(fā)動機頻繁起停,影響了發(fā)動機的效率和排放特性。這種控制策略對動力電池有利而對APU不利。 （3）“功率跟隨+恒溫器”控制策略此外,可采用“功率跟隨+恒溫器”的綜合控制方式。發(fā)動機在SOC較低或負載功率較大時均會起動,當負載功率較小且SOC高于預設的上限值SOCmax時,發(fā)動機被關(guān)閉,在發(fā)動機關(guān)和開之間設定了一定范圍的狀態(tài)保持區(qū)域,這樣可以避免發(fā)動機的頻繁起停。發(fā)動機一旦

11、起動便在相對經(jīng)濟的區(qū)域內(nèi)對電動機的負載功率進行跟蹤,當負載功率大于或小于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域所能輸出的功率時,電池組可以通過充放電對該功率差進行緩沖和補償,圖2(c)所示的能源分配機構(gòu)保證了這種控制策略的順利實現(xiàn)。經(jīng)過仿真試驗對比得出:不同的串聯(lián)混合動力的控制策略對燃油經(jīng)濟性的影響有差別,功率跟隨型比恒溫器模式控制策略在改善燃油經(jīng)濟性方面要提高8.3%;而采用“功率跟隨+恒溫器”的綜合控制方式這種的控制策略下,可以減少電能的循環(huán)損耗,避免電池大電流放電和發(fā)動機的頻繁起動,降低了油耗,提高了排放性能。這種將恒溫器和功率跟隨兩種控制策略結(jié)合起來使用,既減少了蓄電池的過度循環(huán)和大電流充放電,又避免了發(fā)動機

12、的頻繁起停,使其達到整體效率最高。同時,電動機具有調(diào)速范圍寬、起動力矩大、過載能力強等優(yōu)點,但整車動力性稍顯不足1。2.2并聯(lián)式混合汽車2.2.1 定義在效率上,并聯(lián)式結(jié)構(gòu)通常較串聯(lián)式更優(yōu)越。因此,雖然控制上較串聯(lián)式復雜,一些混合汽車還是選擇并聯(lián)式。而并聯(lián)式結(jié)構(gòu)也有多種型式,主要有單軸式和雙軸式2種。以雙能源(發(fā)動機和電機)并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象,其驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖三 并聯(lián)驅(qū)動結(jié)構(gòu)控制策略2.2.2控制策略混合動力汽車的控制策略最常用的有邏輯門限值控制、動態(tài)自適應控制、邏輯模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡模糊控制4種2。動態(tài)自適應控制的出發(fā)點是在任一時刻,使能量流動過程中的能量損失最小。但是實時

13、控制策略過分依賴于各個部件的性能特性的精確性,受電池老化、發(fā)動機動態(tài)特性等的影響,在實際應用中很難達到這一目標。實時控制策略可以用于評價其它的控制策略的潛力。模糊邏輯控制策略的出發(fā)點是通過綜合考慮發(fā)動機和蓄電池的工作效率來實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的整體效率達到最高。神經(jīng)網(wǎng)絡模糊控制器是由神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制共同組成的混合系統(tǒng),通過神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)的模糊控制,將神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制相結(jié)合,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力對模糊控制規(guī)則進行記憶,通過訓練來學習給定的經(jīng)驗并將控制規(guī)則隱含在整個網(wǎng)絡之中。而最簡單、最實用的控制策略是邏輯門限值控制,國外的樣車和產(chǎn)品車型大都采用這種控制方法。采用其他3種復雜的控制方法需要采

14、集和運算的數(shù)據(jù)量非常大,且效果改善不是很大2。因此,下面簡單介紹邏輯門控制策略。邏輯門限值控制策略是以整車油耗和排放最佳為控制目標,提出同時限制電池和發(fā)動機工作區(qū)間的控制策略,通過設定門限值,將發(fā)動機控制在高效率區(qū)運行,提供要求的轉(zhuǎn)矩;電機作為載荷調(diào)節(jié)裝置,當需要大力矩輸出時電機參加驅(qū)動,當需要小力矩輸出時電機吸收發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進行發(fā)電,并將電池的荷電狀態(tài)SOC維持在合理的范圍內(nèi)。其相應的基本策略是:當電池的SOC值在正常的工作范圍時,汽車采用電機起步;當汽車車速低于所設定的車速時,由電機單獨驅(qū)動車輪;當車速高于設定的車速時,電機停止驅(qū)動而由發(fā)動機驅(qū)動車輪;當負荷比較大時(如汽車急加速、爬大坡或以

15、較高車速爬坡時),發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動車輪?；谶壿嬮T限值的控制策略,一汽自主開發(fā)出CA6100SH8混合動力客車3。該控制策略下的整車工作模式,可分為停機模式、電機啟動發(fā)動機模式、換擋模式、驅(qū)動和制動模式以及跛行回家模式等5類。通過離線仿真分析和實車試驗驗證了上述各種工作模式和功率分配的可行性。對于同一種并聯(lián)形式的混合動力汽車來說,采用不同的控制策略可以得到不同的燃油消耗、排放和電池的狀態(tài)。設計混合動力汽車的目標是在保證汽車性能的條件下降低汽車的燃油消耗和排放,同時還兼顧電池的壽命問題?；谶@些目標,仿真過程中既涉及到蓄電池的選擇,又要考慮發(fā)動機的燃油消耗、排放以及電池的壽命。而提高混合動力

16、汽車效率可通過改善能源布置和提高制動時的能量回收來達到。2.3混聯(lián)式混合汽車2.3.1 定義混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)的布置方案是串聯(lián)式布置和并聯(lián)式布置的綜合4。發(fā)動機輸出功率一部分通過機械傳動輸送給驅(qū)動橋;另一部分則驅(qū)動發(fā)電機輸出電能,由控制器控制輸送給電動機或者電池,電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力復合裝置傳送給驅(qū)動橋?；炻?lián)式驅(qū)動系統(tǒng)能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配,從而在結(jié)構(gòu)上保證了在復雜工況下使系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)工作,更容易實現(xiàn)排放和優(yōu)化的控制目標。圖4所示為切換式混聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)布置方式,通過離合器的接合與分離可以實現(xiàn)串聯(lián)分支與并聯(lián)分支間的相互切換。離合器分離,發(fā)動機

17、和電動機與驅(qū)動輪的機械連接,系統(tǒng)以串聯(lián)模式運行;離合器接合,系統(tǒng)以并聯(lián)模式運行。圖四 混聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖工作模式及其控制策略分析（1）起步工況一般情況下,控制器根據(jù)油門踏板狀態(tài),啟動驅(qū)動電機,電池組給驅(qū)動電機供電,以純電動模式起動車輛;當需求功率高于設定值時,利用控制器起動發(fā)動機(當控制器給出發(fā)動機起動信號,電池給發(fā)電機提供能量,控制器起動發(fā)電機,用發(fā)電機反拖發(fā)動機起動。),此可避免發(fā)動機怠速時高油耗、高排放的缺點。（2） 正常行駛工況串聯(lián)模式行駛當汽車在城市里行駛時,由于車輛低負載和要求低排放,車輛以串聯(lián)模式運行?？紤]到當發(fā)動機在低速低轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域工作時,電池在低(荷電狀態(tài))和高S

18、OC時工作效率都較低,因此一般采用邏輯門限制控制法。串聯(lián)模式中,發(fā)動機工作在最佳的工作區(qū),為驅(qū)動電機提供能量,電池在這個過程中主要對能量起削峰填谷的作用,其基本控制策略如下:a.SOCminSOCMv,則Me=Mv+Mc,若MeMv,則Me+Md=Mvb.SOCSOCmin,則Me=Mv+Mcc.SOCSOCmax起動純電動模式,關(guān)閉發(fā)動機。d.SOCSOC1,則發(fā)動機起動。式中,Me為發(fā)動機工作力矩;Mv為整車需求驅(qū)動力矩;Mc為給電池充電的力矩;Md為電池放電提供給電機的驅(qū)動力矩;SOC1為當SOC低于此值時發(fā)動機啟動;SOCmin為當SOC低于此值時給電池充電;SOCminSOC1SOC

19、min,若MeMv,Me=Mv+Mc,則MeSOCmin,若MeMv,Me=Mv+Mc,則MeMc,若SOCMc,若SOCSOCmax,則Mb=Mc+Mm;若SOCSOCmax,則電機停止工作Mb=Mm。式中,Mb為整車需求的制動轉(zhuǎn)距;Mm為機械摩擦制動轉(zhuǎn)距。（4）故障工況當電機分總成出現(xiàn)故障時,采用純發(fā)動機模式驅(qū)動;當發(fā)動機出現(xiàn)故障時,采用純電動模式運行。3. 模型仿真簡介利用美國Argonne國家實驗室為響應美國政府的新一代車輛合作計劃而開發(fā)的電動汽車仿真軟件PSAT,根據(jù)需要對M函數(shù)和Simulink模塊進行修改,可建立自己需要的整車仿真模型4(圖6)。圖5 混聯(lián)式HEV仿真結(jié)構(gòu)模型從仿

20、真性能及結(jié)果可以看出,在基礎起步階段混合動力汽車混聯(lián)式與串聯(lián)式和混聯(lián)式相比,由于都由電機驅(qū)動,因此性能相近;在高速行駛時,由于串聯(lián)式只是依靠電機驅(qū)動,動力性不如混聯(lián)式,且油耗方面混聯(lián)車也優(yōu)于串聯(lián)車。同時,串聯(lián)車發(fā)電機的發(fā)電功率與驅(qū)動電機的驅(qū)動功率必須相當,才能保證整車的動力性;混聯(lián)車可以避免這種情況,可選用更小的發(fā)電機與驅(qū)動電機,但是在機械與功率控制實現(xiàn)方面要復雜得多,實現(xiàn)多個能源的最優(yōu)匹配難度更大。4. 總結(jié)(1)混合動力汽車(HEV)采用發(fā)動機和電機、電池作為混合動力總成,既繼承了電動車輛作為“綠色汽車”的節(jié)約能源和超低排放的優(yōu)點,又彌補了電動車輛續(xù)駛里程的不足。通過優(yōu)化控制系統(tǒng),可使發(fā)動機、電機和電池保持在最佳經(jīng)濟區(qū)運行,并實現(xiàn)再生制動能量回收,提高了整車的能量利用率,同時大幅度減少排放污染。因此,在電動汽車技術(shù)取得重大突破之前,混合動力汽車作為未來的發(fā)展方向?qū)⒊蔀楦鲊h(huán)保節(jié)能城市客車的主要選擇。(2)串聯(lián)式多應用于大型客車;并聯(lián)式僅限于小型汽車,更適合在高速公路上行駛;混聯(lián)式驅(qū)動系