混聯(lián)式混合動(dòng)力公交車控制策略的優(yōu)化問題1問題的背景混合動(dòng)力

1、混聯(lián)式混合動(dòng)力公交車控制策略的優(yōu)化問題1 問題的背景混合動(dòng)力汽車（ Hybrid-Electric Vehicle,縮寫 HEV）是將電動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動(dòng)力，輔助動(dòng)力單元實(shí)際上是一臺(tái)小型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)電機(jī)組。 混合動(dòng)力汽車結(jié)合了傳統(tǒng)的燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，即可以有效地減少汽車尾氣的排放和降低油耗，又能大大地增加行程量。目前最常用的 HEV 采用混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng) （例如豐田的普銳斯），其原理圖如圖 1。圖 1 混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車原理圖下面以豐田普銳斯為例說明混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車的四種工作模式：1.1 起步和倒車模式圖 2：純電動(dòng)模式。一般來說，當(dāng)時(shí)速在 0

2、到 20km/h 以內(nèi)一般只使用電動(dòng)機(jī)，只要電池有充足的電能。這時(shí)，內(nèi)燃機(jī)不啟動(dòng)，這樣就避免了內(nèi)燃機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的低功效。所以起步與倒車用電力驅(qū)動(dòng)。1.2 急加速和上坡模式圖 3：加速和上坡在急加速和上波時(shí)內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)， 同時(shí)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)同向旋轉(zhuǎn)， （三輪同時(shí)同向旋轉(zhuǎn)）這樣就能獲得極大的扭矩。 因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)功率一般比較弱， 而且始終是以優(yōu)化功效（耗油最少、功率最大）的工作模式運(yùn)行。然而加上電動(dòng)機(jī)的輔助，最大輸出功率將足以滿足加速和上波的使用需要。1.3 高速行駛模式圖 4：高速勻速行駛在高速行駛時(shí)，只用內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力， 發(fā)電機(jī)不工作，但在電池電量不足時(shí)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入發(fā)電模式給蓄電池充電， 待電量

3、達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止。 而在高速下坡時(shí)，內(nèi)燃機(jī)可以被關(guān)閉。1.4 剎車模式圖 5：剎車時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。汽車在剎車時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的燃油噴射會(huì)自動(dòng)停止。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)模式，此時(shí)來自車輪的動(dòng)力帶動(dòng)該發(fā)電機(jī)發(fā)電， 并將電能儲(chǔ)備在電池中， 即將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。2 混合動(dòng)力汽車的最優(yōu)控制策略控制策略是混合動(dòng)力汽車的核心所在 , 它根據(jù)駕駛員意圖和行駛的工況 , 協(xié)調(diào)各部件間的能量流動(dòng)進(jìn)行合理的動(dòng)力分配 , 優(yōu)化車載能源 , 提高整車的經(jīng)濟(jì)性 , 適當(dāng)降低尾氣排放 , 并且在不犧牲整車性能的情況下 , 實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。常見的最優(yōu)控制策略包括如下幾種模式。2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)模式這種策略采用發(fā)動(dòng)機(jī)

4、作為主要?jiǎng)恿υ?, 電機(jī)和電池通過提供附加轉(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)矩則由電機(jī)提供。 這樣電動(dòng)機(jī)來負(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)帶來的損失。而且與發(fā)動(dòng)機(jī)相比 , 電動(dòng)機(jī)的控制也更為靈敏 , 也更容易實(shí)現(xiàn)。豐田普銳斯的控制策略即為發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)模式， 該控制策略為各種模式設(shè)定臨界啟動(dòng)條件， 包括蓄電池臨界電量、 車輛行駛臨界速度和發(fā)動(dòng)機(jī)臨界輸出功率等。系統(tǒng)采集蓄電池實(shí)際電量、 車速和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際功率， 根據(jù)設(shè)定的臨界工作點(diǎn)值，判斷該狀態(tài)

5、處于哪種工作模式為最佳， 并發(fā)出切換指令， 從而實(shí)現(xiàn)工作模式的自動(dòng)切換。2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式這種策略從靜態(tài)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性出發(fā)，經(jīng)過動(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)及整車的控制。在這種策略下 , 讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬有特性圖中最佳的油耗線上。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； 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后 , 離合器可以脫開 ( 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)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流需求超出電動(dòng)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)。發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式實(shí)際是恒定工作

6、點(diǎn)的推廣，其本質(zhì)仍然是優(yōu)化各個(gè)控制門限值。2.3 瞬時(shí)優(yōu)化模式在發(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)力車的在特定工況下，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)。2.4 全局優(yōu)化模式由優(yōu)化理論可知 , 瞬時(shí)最小值之和并不等于全局總和的最小值, 因此瞬時(shí)優(yōu)化模式并不能實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的控制策略。全局優(yōu)化模式實(shí)現(xiàn)了， 才是真正意義上的全局最優(yōu)化。3 混聯(lián)式混合動(dòng)力公交車控制策略全局優(yōu)化問題針對(duì)具有固定線路的混合動(dòng)力公交車，現(xiàn)在需要設(shè)計(jì)具備全局優(yōu)化模式的控制策略，并需要考慮以下的要求：（1）考慮到發(fā)電機(jī)充放電次數(shù)對(duì)蓄電池的壽命有影響，因而應(yīng)盡量減少蓄電池的充放電次數(shù)；（2）盡量避免蓄電池充電量過高和過低缺電；（3）因?yàn)槊看螁?dòng)內(nèi)燃機(jī)都需要使用電力驅(qū)動(dòng)，為了減少不必要的電能消耗，要盡量減少內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)；（4）蓄電池的工作效率也不是 100%的，每次充放電都會(huì)有一定能量的損失，要適當(dāng)考慮這部分損失；（5）因?yàn)楣卉嚲€路相對(duì)固定，但具體路況又存在一定的隨機(jī)性因素（如交通流量過大、 擁堵等）的影響，但是可以通過預(yù)測技術(shù)對(duì)未來的路況進(jìn)行一定概率的預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果可以進(jìn)