混合動力汽車控制策略研究

1、混合動力汽車控制策略研究研究生姓名：姜翠娜摘要：混合動力汽車在環(huán)保和節(jié)能方面具有明顯優(yōu)勢，目前已成為各國汽車發(fā)展及研究的焦點(diǎn)。本文介紹了串聯(lián)式、混聯(lián)式、并聯(lián)式以及電動輪式4種不同形式的混合動力汽車的布置結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，并對4種不同形式的控制系統(tǒng)的控制策略作了優(yōu)缺點(diǎn)分析及相關(guān)介紹。關(guān)鍵詞：混合動力汽車；控制策略；結(jié)構(gòu)0 前言目前，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)是困擾世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大問題，混合動力汽車（Hybrid Electronic Vehicle,簡稱HEV）因其低油耗、低排放等特點(diǎn)成為各大汽車公司競爭和研究機(jī)構(gòu)研究的焦點(diǎn)1-7。在國外，混合動力汽車開發(fā)比較成功的是日本的本田和豐田8-9。早在

2、1995年，豐田公司就成功地開飯了實(shí)用型混合動力轎車普銳斯10，于1997年率先推出世界上首款混合動力汽車普銳斯，并在2年后出口北美地區(qū)和歐洲，普銳斯憑借著其高的燃油經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)的動力性以及低排放成為混合動力汽車的典范。2009年，福特開發(fā)出首款可插式混合動力車，豐田推出新一代普銳斯,通用退出了世界上排量最大的混合動力車2009款凱德拉克凱雷德。福特推出的全球首款混合動力多功能越野車（SUV）Escape，它類似于豐田“PRIUS”的THS技術(shù)，配以ECVT11-12。福特的Prodigy混合動力汽車采用ISG形式13。近年來，美國、日本以及德國等先后發(fā)布了關(guān)于推動包括混合動力汽車在內(nèi)的新能源汽

3、車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家計(jì)劃。在國內(nèi)，“電動汽車技術(shù)研究”是國家科委“八五”科技相關(guān)項(xiàng)目?！熬盼濉蹦┢谖覈萍疾恳褜㈦妱悠嚵袨椤笆濉眹?63重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。目前，一汽、奇瑞、比亞迪等汽車制造廠家進(jìn)行了混合動力轎車的開發(fā)14。而且，我國混合動力汽車研發(fā)采用了和國際同領(lǐng)域權(quán)威單位不懂的技術(shù)路線，開發(fā)了獨(dú)具特色的能量混合型和功率混合型良好總?cè)剂想姵鼗旌蟿恿ο到y(tǒng)，燃料經(jīng)濟(jì)性高于國外同類樣車特別是純?nèi)剂想姵仳?qū)動模式樣車，轎車和客車兩種車型節(jié)氫效果均十分顯著15。從總的看來，我國混合動力汽車處于剛剛起步的階段，與國外相比，還很不成熟，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需要大量的工作。1 混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式混合動力汽車將發(fā)

4、動機(jī)、電動機(jī)、蓄電池按照某種方式組合在一起，可分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式，近來，又出現(xiàn)了電動輪式混合動力汽車。1.1 串聯(lián)式混合動力汽車串聯(lián)式混合動力汽車（Series Hybrid Electric Vehicle, SHEV）其動力總成由發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)以及驅(qū)動電機(jī)組成，發(fā)動機(jī)僅僅用來發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能供給電動機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動汽車行駛。動力流程如圖1-1所示，發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)直接相連，發(fā)動機(jī)通過發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能向電池充電或者驅(qū)動電動機(jī)，從而來延長汽車的行駛里程。另外，電池能夠單獨(dú)的向電動機(jī)提供能量來驅(qū)動汽車的行駛，從而使汽車在零污染下行駛16。圖1-1 串聯(lián)式混合動力汽車動力流程圖1.2

5、并聯(lián)式混合動力汽車并聯(lián)式混合動力汽車(Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV)由發(fā)動機(jī)、電動機(jī)/發(fā)動機(jī)等組成，其動力流程如圖1-2所示，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)與驅(qū)動橋直接相連接，汽車可以由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動或者各自單獨(dú)驅(qū)動。當(dāng)汽車所需要的驅(qū)動功超過了發(fā)動機(jī)所能提供的功率時，電動機(jī)會提供額外的驅(qū)動功率；當(dāng)發(fā)動機(jī)提供的功率超過了汽車所需要的驅(qū)動功率時，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電并向電池充電，以保證汽車的行駛里程。并聯(lián)式混合動力汽車其發(fā)動機(jī)保持與驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械連接，與串聯(lián)式相比較，其燃油經(jīng)濟(jì)性、能量利用率較高；電動機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)，整車成本大大減少；并聯(lián)式混合動力汽車也可

6、以實(shí)現(xiàn)零排放。但是由于并聯(lián)式是由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)并聯(lián)驅(qū)動的，因此需要較為復(fù)雜的控制策略17-19。圖1-2并聯(lián)式混合動力汽車動力流程圖1.3 混聯(lián)式混合動力汽車混聯(lián)式混合動力汽車(Split Hybrid Electric Vehicle,PSHEV)發(fā)揮了并聯(lián)式和串聯(lián)式混合動力汽車各自的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)動機(jī)發(fā)出的能量一部分傳給驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電則輸送給電動機(jī)或者電池，而電動機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩則傳送給驅(qū)動橋?；炻?lián)式混合動力汽車與前兩種相比較，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性，行駛里程較長；而且采用小功率的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)，減少了電池的數(shù)量；混聯(lián)式具有并聯(lián)式和串聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，因此其適

7、用于各種汽車運(yùn)行工況，其燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性都能得到保證；但是其控制系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)含量高，整車價(jià)格高；由于其較為復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整車布置較難，其控制策略復(fù)雜20。1.4 電動輪式混合動力汽車電動輪是采用電子差速器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械差速器，來協(xié)調(diào)電動輪之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，特點(diǎn)是傳動系統(tǒng)簡化，傳動效率高；車輛的越野性能較高，適合大轉(zhuǎn)矩傳遞21-22等。電動輪式混合動力汽車其結(jié)構(gòu)原理如圖1-4所示。圖1-4 電動輪式混合動力汽車2 混合動力汽車的控制策略控制策略是混合動力汽車的核心技術(shù)，也是汽車能量管理系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)混合動力汽車低油耗、低排放等目標(biāo)的關(guān)鍵所在23?？刂撇呗圆粌H要滿足汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時

8、還要考慮發(fā)動機(jī)的排放、蓄電池容量等方面的要求?？刂撇呗允菍?shí)現(xiàn)能量在發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)之間能有效而合理的分配，進(jìn)而獲得較高的整車系統(tǒng)效率、最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、較低的排放以及較好的駕駛性能24-25。2.1 串聯(lián)式混合動力汽車的控制策略串聯(lián)式混合動力汽車控制策略的目標(biāo)是使發(fā)動機(jī)工作在最佳的排放區(qū)和效率區(qū)，主要的控制策略有：恒溫器控制模式、發(fā)動機(jī)跟蹤器控制模式以及基于規(guī)則性策略26。2.1.1 恒溫器控制模式恒溫器控制策略，即允許發(fā)電機(jī)組在電池的SOC高于SOC上限之前輸出設(shè)定的恒定功率。然后關(guān)閉發(fā)動機(jī)，汽車為零排放純電動行駛。當(dāng)SOC低于SOC下限時，發(fā)動機(jī)再次啟動，發(fā)電機(jī)組輸出恒定功率27。該模式下，

9、蓄電池組要滿足瞬時功率的要求，由于蓄電池組的過度循環(huán)會造成損失，對蓄電池不利28。2.1.2 發(fā)動機(jī)跟隨器控制模式發(fā)動機(jī)跟隨器控制策略，即發(fā)動機(jī)的功率跟隨車輪功率的變化，采用該策略避免了蓄電池組的工作循環(huán)，減少了蓄電池組的損失。但是發(fā)動機(jī)必須工作在從低到高的整個負(fù)荷區(qū)內(nèi)，并且發(fā)動機(jī)的功率處于動態(tài)波動，從而降低了發(fā)動機(jī)的效率及排放性能，該策略對發(fā)動機(jī)不利29。2.2 并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略并聯(lián)式混合動力汽車與串聯(lián)式混合動力汽車相比較，其結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，目前的控制策略基本上是基于轉(zhuǎn)矩或功率的控制，主要分為以下4類：全局最優(yōu)控制策略、模糊控制策略、瞬時優(yōu)化控制策略以及邏輯門限控制策略。2.2.

10、1 瞬時優(yōu)化控制策略該策略是在發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線模式的基礎(chǔ)上，對車輛在特定工況下整個動力系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到瞬時最優(yōu)工作點(diǎn)30-31，然后基于系統(tǒng)的瞬時最優(yōu)工作點(diǎn)，對各個狀態(tài)變量進(jìn)行動態(tài)再分配。瞬時優(yōu)化控制需要考慮以下幾個方面：1、 發(fā)動機(jī)、電池以及電機(jī)的瞬時效率2、 結(jié)合車輛的實(shí)際行駛工況3、 用戶定義的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)4、 任一給定速度下，發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)，由控制器根據(jù)控制目標(biāo)尋求發(fā)動機(jī)-電機(jī)最佳能量組合來決定發(fā)動機(jī)的最優(yōu)工作點(diǎn)。 該控制策略不受具體行駛工況的限制，能夠在任一能量流動過程中使能量損失達(dá)到最小，但是該策略需要的大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，比較難實(shí)現(xiàn)，且無法保證整個工況下車輛

11、的整體性能最優(yōu)。2.2.2 全局最優(yōu)控制策略全局最優(yōu)控制策略是基于最優(yōu)控制理論和最優(yōu)化方法，以整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性作為目標(biāo)而開發(fā)出來的能量分配策略，他與瞬時優(yōu)化控制策略相比，全局最優(yōu)控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，全局最優(yōu)控制理論一般采用模擬退火和動態(tài)規(guī)劃32等優(yōu)化算法。其中動態(tài)規(guī)劃算法更能順利的得到全局最優(yōu)解33。該策略可以求得控制變量的最優(yōu)解，但是計(jì)算量大，且依賴與已知的行駛工況，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)車控制。2.2.3 邏輯門限控制策略邏輯門限控制34-37主要是根據(jù)車輛的不同行駛工況決定發(fā)電機(jī)以及發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，該策略通過設(shè)置電池的荷電狀態(tài)（SOC）的上下限、加速信號以及發(fā)動機(jī)的功率或轉(zhuǎn)矩等門限參

12、數(shù)，來控制發(fā)動機(jī)和電機(jī)的工作區(qū)域，使車輛工作在高效率區(qū)域，提高車輛的整體性能。該策略簡單，應(yīng)用廣，實(shí)用性強(qiáng)，但是各種門限參數(shù)主要是通過經(jīng)驗(yàn)獲得的，而且這些參數(shù)不適應(yīng)車輛在行駛過程中的動態(tài)變化。2.2.4模糊控制策略模糊控制策略的出發(fā)點(diǎn)是綜合考慮蓄電池和發(fā)動機(jī)的工作效率使動力系統(tǒng)的整效率達(dá)到最大38。其原理是對電機(jī)、發(fā)動機(jī)和電池同時進(jìn)行優(yōu)化，是發(fā)動機(jī)盡可能工作在最優(yōu)曲線上。該策略是通過對輸入輸出參數(shù)分別進(jìn)行模糊化和反模糊化處理，避免了傳統(tǒng)控制方法中查表和插值計(jì)算，具有較好的控制精度和較快的計(jì)算速度39-42。圖2-1為模糊邏輯控制器工作原理圖。SOC狀態(tài)、請求轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速為模糊輸入的三個變

13、量(三個變量的取值均為01)。圖2-1 模糊邏輯控制器該控制策略魯棒性好，實(shí)用性強(qiáng)，但是計(jì)算量大，控制系統(tǒng)的設(shè)備較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。2.3 混聯(lián)式混合動力汽車控制策略串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車的系統(tǒng)均有優(yōu)缺點(diǎn)，混聯(lián)式混合動力汽車是串聯(lián)式和并聯(lián)式的結(jié)合，具有兩種結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)，在控制能量方面更加的靈活，具有良好的排放性和燃油經(jīng)濟(jì)性，但是其結(jié)構(gòu)比串聯(lián)式和并聯(lián)式都要復(fù)雜，因此其控制策略也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，其控制策略可以分為以下幾種43-45:2.3.1 發(fā)動機(jī)恒定工作點(diǎn)控制該策略是以發(fā)動機(jī)作為主要的動力源，蓄電池和電動機(jī)作為輔助能量，使車輛獲得足有的瞬時功率。行星齒輪機(jī)構(gòu)成功地解決了讓發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不隨車速的變化這

14、個問題，從而使發(fā)動機(jī)工作在最佳的工作點(diǎn)，發(fā)動機(jī)提供恒定的轉(zhuǎn)矩，剩余的轉(zhuǎn)矩由電機(jī)提供，即電機(jī)提供驅(qū)動車輛所需要的動態(tài)部分，避免了發(fā)動機(jī)動態(tài)調(diào)節(jié)的損失。2.3.2 發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線控制發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線控制的核心是在預(yù)先設(shè)定的幾個門限值的基礎(chǔ)上，控制發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)，使其盡量逼近最優(yōu)工作曲線，也可以成為“基于規(guī)則的發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線控制”。該策略是從靜態(tài)條件下的發(fā)動機(jī)萬有特性出發(fā)，經(jīng)過動態(tài)校正后跟蹤由驅(qū)動條件決定的發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線，從而實(shí)現(xiàn)整車控制46。該策略是讓發(fā)動機(jī)工作在萬有特性圖中最佳油耗曲線上。當(dāng)發(fā)動機(jī)的功率或者轉(zhuǎn)矩高于某個設(shè)定的門限值時，才打開。發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，離合器可以脫開或者結(jié)合（工

15、況變化復(fù)雜時，發(fā)動機(jī)啟動更容易）。只有當(dāng)發(fā)電機(jī)電流需求超出電池的接受能力或者當(dāng)電動機(jī)驅(qū)動電流需求超過電動機(jī)或電池的允許限制時，才調(diào)整發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)。2.4 電動輪式混合動力汽車控制策略電動輪式混合動力電動汽車的核心技術(shù)是在于實(shí)現(xiàn)電子差速的控制策略，電子差速器的工作原理：當(dāng)汽車直線行駛時，左右兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速相等，通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器測速后將信號送給中央處理器，中央處理器比較左右兩輪的轉(zhuǎn)速后，通知電機(jī)控制器，使得左右兩側(cè)車輪的速度相等，并且還要保證左右兩輪滾過相同的距離。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，根據(jù)給定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、行駛工況和輪速，中央處理器及時計(jì)算，將所需要的兩輪速信號東給電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)對兩輪的差速控制3

16、總結(jié)與展望3.1 總結(jié)由于環(huán)境污染加劇、資源枯竭以及汽車尾氣的排放加重等，世界各國越來越重視開發(fā)新型環(huán)保型汽車。純電動汽車由于受到電池的限制，目前不能替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輛，而混合動力汽車是當(dāng)前各國汽車行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)47-48。本文分析了串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式以及電動輪式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)和控制策略，并指出了各種結(jié)構(gòu)形式的混合動力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)；介紹了各種結(jié)構(gòu)的控制策略并闡述了當(dāng)前各個結(jié)構(gòu)的控制策略的優(yōu)勢和劣勢。從總體看來，現(xiàn)有的混合動力汽車控制策略有以下幾個特點(diǎn)：1、在制動時才有制動能量回收策略。2、為了保護(hù)蓄電池的壽命，電池的SOC一般保持在0.30.8之間。3、在低速時盡量使用電機(jī)純電動行駛

17、，高速時盡量使用發(fā)動機(jī)工作。4、大功率情況下，使用電機(jī)和發(fā)動機(jī)聯(lián)合工作?？偟膩碚f，我國混合動力汽車控制策略大多處于理論研究階段，與國外相比有很大的差距。開展混合動力汽車的控制策略研究，對于推動我國混合動力汽車的發(fā)展具有重要的意義。3.2 展望經(jīng)過對混合動力汽車控制策略的研究分析，可以從以下幾個方面進(jìn)行研究：1、 繼續(xù)提高混合動力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和動力性。2、 混合動力汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，其成本高，能量流動復(fù)雜，考慮在不增加生產(chǎn)成本的前提下，使控制策略簡單可行。3、 在控制策略中，要提高對蓄電池SOC值的計(jì)算精度。4 參考文獻(xiàn)1 蔣延蓮. 混合動力汽車發(fā)展前景探討J. 江蘇科技信息.

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