混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略

1、混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略及其研究方向目錄1.混合動(dòng)力汽車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略3.混合動(dòng)力汽車(chē)的研究方向1.混合動(dòng)力汽車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)方式的不同，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。近年，又新出現(xiàn)了電動(dòng)輪式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。1.1串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng) 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力組成由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)3大主要部件組成。發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能向電池充電，來(lái)延長(zhǎng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。另外電池還可以單獨(dú)向電動(dòng)機(jī)提供電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，使混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)在零污染狀態(tài)下行駛。串聯(lián)式混合動(dòng)

2、力系統(tǒng)1.2并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng) 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)兩大部件總成組成，它們可分開(kāi)工作也可以協(xié)調(diào)工作，結(jié)構(gòu)具有明顯的多樣性，可以根據(jù)使用要求選用。兩大動(dòng)力總成的功率可以互相疊加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)功率約為電動(dòng)汽車(chē)所需最大驅(qū)動(dòng)功率的0.51倍，因此，可以采用小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，使得整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的裝配尺寸、質(zhì)量都較小，造價(jià)也更低，行程也可以比串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)一些，其特點(diǎn)更加趨近于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。由于并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，且不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有不同的工作效率區(qū)間，這就使得汽車(chē)在不同的行駛工況下，具有不同工作模式。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)1.3混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)

3、混聯(lián)式系統(tǒng)最能體現(xiàn)HEV系統(tǒng)的最優(yōu)化思想，同時(shí)也是最復(fù)雜、研究難度最大的結(jié)構(gòu)。低速和啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)由電池供電并輸出動(dòng)力；發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，視電池狀態(tài)和動(dòng)力需求，發(fā)電機(jī)承擔(dān)發(fā)電或調(diào)速的作用；制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均能進(jìn)行制動(dòng)能量回收，向電池充電。上述幾種電動(dòng)車(chē)原理，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)基本都維持了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)傳統(tǒng)的傳動(dòng)方案，特別是從主減速器、差速器、半軸到車(chē)輪基本沒(méi)有改變。最近出現(xiàn)了一種更為先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)，取代了這一傳統(tǒng)的傳動(dòng)方案，這就是電動(dòng)輪式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)1.4電動(dòng)輪式動(dòng)力系統(tǒng) 電動(dòng)輪式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)最大特點(diǎn)就是用電子差速器代替了傳統(tǒng)汽車(chē)的差速器和半軸，將電動(dòng)機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)輪

4、上，從而使電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、傳動(dòng)高效。電動(dòng)輪式動(dòng)力系統(tǒng)2.混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略 在混合動(dòng)力汽車(chē)各部件的配置確定下來(lái)之后，如何優(yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)低油耗、低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在滿(mǎn)足汽車(chē)的動(dòng)力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下，針對(duì)各部件的特性及汽車(chē)的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)之間的合理而有效分配、使整車(chē)系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車(chē)最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能。2.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略 由于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)行駛工況沒(méi)有直接聯(lián)系，因此控制策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作。此外，為了優(yōu)化控制策略，還必

5、須考慮合并在一起的電池、電傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的總體效率。以下介紹串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的兩種基本的控制模式。 2.1.1恒溫器控制模式2.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)跟蹤器控制模式 上述兩種控制模式可以結(jié)合起來(lái)使用，其目的是充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的高效率區(qū)，使其達(dá)到整體效率最高。發(fā)動(dòng)機(jī)在荷電狀態(tài)值較低或負(fù)載功率較大時(shí)均會(huì)起動(dòng)；當(dāng)負(fù)載功率較小且荷電狀態(tài)值高于預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被關(guān)閉；在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)和開(kāi)之間設(shè)定了一定范圍的狀態(tài)保持區(qū)域，這樣可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁起停。發(fā)動(dòng)機(jī)一旦起動(dòng)便在相對(duì)經(jīng)濟(jì)的區(qū)域內(nèi)對(duì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率進(jìn)行跟蹤，當(dāng)負(fù)載功率大于或小于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域所能輸出的功率時(shí)，電池組可以通過(guò)充放電對(duì)該功率差進(jìn)行緩

6、沖和補(bǔ)償，采用該控制策略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(dòng)機(jī)的頻繁起動(dòng)，降低了油耗，提高了排放性能。2.2并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)控制策略 目前用于并聯(lián)的策略一般有并聯(lián)電輔助驅(qū)動(dòng)式控制策略、并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略(實(shí)時(shí)控制策略)和模糊邏輯控制策略三種,下面分別加以介紹.221 并聯(lián)電輔助驅(qū)動(dòng)式控制策略 在電輔助驅(qū)動(dòng)控制策略中,利用電動(dòng)機(jī)提供額外功率,并要保持電池的荷電狀態(tài)處于允許的工作范圍。具體的控制策略如下: a.當(dāng)車(chē)速低于某一最小車(chē)速時(shí),電動(dòng)機(jī)提供全部的驅(qū)動(dòng)力; b.當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求高于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大值時(shí),電動(dòng)機(jī)提供額外的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩; c.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在給定的車(chē)速上效率很低時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī),由電

7、動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩; d.當(dāng)電池SOC過(guò)低時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外扭矩帶動(dòng)電機(jī)工作對(duì)電池充電。 e.回收制動(dòng)能量,為蓄電池充電; 2.2.2 并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略(實(shí)時(shí)控制策略) 這種控制策略兼顧了燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放兩方面的性能,在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配進(jìn)行優(yōu)化控制。主要特點(diǎn)如下: a.當(dāng)車(chē)速低于某一最小車(chē)速時(shí),由電機(jī)提供全部驅(qū)動(dòng)力; b.當(dāng)車(chē)速大于最小車(chē)速,并且行駛需要扭矩小于電機(jī)的最大扭矩時(shí),根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和當(dāng)前電池的SOC值來(lái)決定動(dòng)力源; c.當(dāng)行駛需要扭矩大于電機(jī)的最大扭矩,并且小于發(fā)動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí),由發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)自提供全部驅(qū)動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)是

8、否驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電池充電,取決于電池的SOC以及此時(shí)電池和電機(jī)的效率; d.當(dāng)行駛需要扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí),由電機(jī)提供扭矩助力; e.減速時(shí)回收制動(dòng)能量。 2.2.3 模糊邏輯控制策略 模糊邏輯控制策略的出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池的工作效率來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最高。模糊邏輯控制策略目標(biāo)與實(shí)時(shí)控制策略類(lèi)似,但是與實(shí)時(shí)控制策略相比,模糊邏輯控制策略具有魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。模糊控制規(guī)則的主要意圖是: a.所需功率近似為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)功率時(shí),電機(jī)基本不工作。 b.所需功率大于最優(yōu)功率一定值時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)位于最優(yōu)工作點(diǎn)附近,余下的部分功率由電機(jī)提供,同時(shí)使電

9、機(jī)運(yùn)行效率也在較高范圍內(nèi)。 c.SOC超出限定值時(shí),采取相應(yīng)措施,使其回到正常范圍。2.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)最能體現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的最優(yōu)化思想，同時(shí)也是最復(fù)雜、型式最多樣和研究難度最大的結(jié)構(gòu)?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合了串、并聯(lián)混合式動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在能量流的控制上有更大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)油耗和排放的最佳優(yōu)化目標(biāo)。2.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)控制策略 這種策略采用發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ矗姍C(jī)和電池通過(guò)提供附加轉(zhuǎn)矩的形式進(jìn)行功率調(diào)峰，使系統(tǒng)獲得足夠的瞬時(shí)功率。由于采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以不隨車(chē)速變化，這樣使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)的工作點(diǎn)，提供恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，而剩余的轉(zhuǎn)矩則由電

10、機(jī)提供。這樣電動(dòng)機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)部分，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶來(lái)的損失。而且與發(fā)動(dòng)機(jī)相比，電機(jī)的控制更為靈敏，也更容易實(shí)現(xiàn)。2.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線控制策略 這種策略從靜態(tài)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性出發(fā)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)校正后，跟蹤由驅(qū)動(dòng)條件決定的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)的控制。在這種策略下，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬(wàn)有特性圖中最佳油耗線上。發(fā)動(dòng)機(jī)在高于某個(gè)轉(zhuǎn)矩或功率限值后才會(huì)打開(kāi)；發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，離合器可以脫開(kāi)（避免損失）或接合（工況變化復(fù)雜時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)更為容易），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)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流需求超出電機(jī)或電池的允許限制時(shí)，才調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。2.3.3瞬時(shí)優(yōu)化控制策

11、略 在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式思想的基礎(chǔ)上，對(duì)混合動(dòng)力車(chē)在特定工況點(diǎn)下整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)（如效率損失、名義油耗）進(jìn)行優(yōu)化，便可得到瞬時(shí)最優(yōu)工作點(diǎn)，然后基于系統(tǒng)的瞬時(shí)最優(yōu)工作點(diǎn)，對(duì)各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)再分配。通常的瞬時(shí)優(yōu)化策略采用名義油耗和功率損失作為控制目標(biāo)。2.3.4全局優(yōu)化控制策略瞬時(shí)優(yōu)化控制策略 在每一步長(zhǎng)內(nèi)可能是最優(yōu)的，但無(wú)法保證在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)是最優(yōu)的。全局優(yōu)化控制策略實(shí)現(xiàn)了真正意義上的最優(yōu)化，但實(shí)現(xiàn)這種控制策略的算法往往都比較復(fù)雜，計(jì)算量也很大，在實(shí)際車(chē)輛的實(shí)時(shí)控制中很難得到應(yīng)用。通常的作法是把應(yīng)用全局優(yōu)化算法得到的控制策略作為參考，再與其它的控制策略，如發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式等

12、相結(jié)合，在保證可靠性和實(shí)際可能性的前提下進(jìn)行優(yōu)化控制。2.4電動(dòng)輪式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略 現(xiàn)在借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)直接控制各電動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)電子差速的控制策略，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)獨(dú)特方向。電動(dòng)輪式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的核心控制技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)電子差速的控制策略，電子差速器工作原理如下：當(dāng)汽車(chē)直線行駛時(shí)，左右兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速相等，通過(guò)車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速后將信號(hào)送入中央處理器，中央處理器比較左右兩輪的轉(zhuǎn)速后，通知電機(jī)控制器，使之左右兩輪速度一致，并且還要保證左右兩輪滾過(guò)相同的距離。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)給定的轉(zhuǎn)角、路面道路工況和車(chē)輪轉(zhuǎn)速情況，中央控制器及時(shí)計(jì)算，將兩輪所需的轉(zhuǎn)速信號(hào)送給電機(jī)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)

13、對(duì)兩輪的差速控制。3.混合動(dòng)力汽車(chē)的研究方向 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的良好前景已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注,對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,在理論和應(yīng)用上都取得了一定成績(jī)。但是,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是門(mén)新技術(shù),還不夠成熟,要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有許多工作要做。尤其是國(guó)內(nèi),對(duì)該課題的研究,目前還基本處于實(shí)驗(yàn)研究階段。因此,對(duì)這方面的研究工作有著十分重要的意義。3.1串聯(lián)式 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制策略也不復(fù)雜,開(kāi)發(fā)難度小。但是,由于系統(tǒng)負(fù)載能力完全取決于電動(dòng)機(jī),為了保證汽車(chē)正常啟動(dòng)和爬坡、加速性能,電動(dòng)機(jī)尺寸就會(huì)較大。從國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)車(chē)數(shù)據(jù)來(lái)看,大部分串聯(lián)式電動(dòng)車(chē)排放有所降低,油耗基本和傳統(tǒng)燃油車(chē)相當(dāng),爬坡

14、、加速性能較差,一般只能用在短途輕載場(chǎng)所。如何控制發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻工作在高效率區(qū)以及如何提高車(chē)輛爬坡、加速性能是串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。3.2 并聯(lián)式 并聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)適合多種工況,既能做到城市中心零排放,又能在郊外以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)方式工作。與串聯(lián)式相比,由于發(fā)動(dòng)機(jī)直接對(duì)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng),沒(méi)有過(guò)多的功率損失,所以效率更高;電動(dòng)機(jī)起動(dòng)避免了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的缺點(diǎn),在各工況下系統(tǒng)控制策略始終控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū),降低了汽車(chē)油耗和排放;并聯(lián)控制策略采取的是電力維持方式,SOC被控制在一個(gè)高效、安全的范圍內(nèi)并且波動(dòng)較小,故電池使用壽命更長(zhǎng),系統(tǒng)有更好的經(jīng)濟(jì)性。但是,由于整車(chē)包含了兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

15、,整車(chē)質(zhì)量有所增加。而且,雖然目前并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)控制策略有多種,但是都還處于實(shí)驗(yàn)室階段,并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略(即實(shí)時(shí)控制策略)和模糊控制策略在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上逐漸展示了自身強(qiáng)大的生命力,但還極其不成熟。如何提高動(dòng)力復(fù)合裝置效率,降低整車(chē)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)控制是并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)急待解決的幾個(gè)問(wèn)題。3.3混聯(lián)式 混聯(lián)式雖然理論上易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的燃油消耗和低排放,但是具體開(kāi)發(fā)起來(lái)難以把握。一方面,因?yàn)榛炻?lián)式對(duì)動(dòng)力復(fù)合裝置要求更高,目前行星輪動(dòng)力復(fù)合裝置的機(jī)械構(gòu)架只能按固定比例來(lái)分配動(dòng)力,難以滿(mǎn)足系統(tǒng)更為復(fù)雜的動(dòng)力復(fù)合要求。另一方面,為了滿(mǎn)足混聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)在各種工況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)低排放和低油耗的目的,控制策略就必須設(shè)計(jì)得龐大而復(fù)雜,而當(dāng)前用于混聯(lián)式的控制策略總體相對(duì)貧乏,所以開(kāi)發(fā)難度大,開(kāi)發(fā)成本高。開(kāi)發(fā)高性能動(dòng)力復(fù)合裝置、優(yōu)化控制策略和降低成本,是混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)下一步開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。3.4電動(dòng)輪式 該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機(jī)械連接改為電氣連接,從而省略了傳統(tǒng)汽車(chē)所需的一整套機(jī)械部件,整車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、傳動(dòng)高