基于串聯(lián)式混合動力的控制策略研究

1、北京建筑大學(xué)基于串聯(lián)式混合動力的控制策略研究摘要： 混合動力汽車的控制策略及結(jié)構(gòu)決定了整車的行駛性能。根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)變化情況,對混合動力汽車的結(jié)構(gòu)型式進行了分類,并對并聯(lián)型和串聯(lián)型混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢進行了分析,指出混合動力汽車的控制策略不十分完善,需要進一步優(yōu)化?？刂撇呗圆粌H僅要實現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟性,同時還要兼顧發(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、電機、蓄電池和傳動系統(tǒng)實現(xiàn)最佳匹配,兼顧了上述各方面要求的優(yōu)化控制策略的研究是今后的一個研究重點。還指出,采用小功率電機、小

2、排量發(fā)動機配以自動無級變速器的并聯(lián)型混合動力汽車,是獲得較高的燃油經(jīng)濟性、較小的排放、平穩(wěn)的駕駛性能、較低的制造成本及質(zhì)量的一種比較理想的系統(tǒng)型式。關(guān)鍵詞:混合動力汽車;結(jié)構(gòu);控制策略第一章 緒論1.1 引言隨著科技的飛速發(fā)展，混合動力汽車已經(jīng)在汽車市場占據(jù)了一席之地，而且在提倡低碳環(huán)保的今天，也越來越被廣大的消費者所推崇，如同現(xiàn)今大部分的汽車一樣，混合動力汽車也經(jīng)歷了漫長的演變過程，尤其是在科技迅猛發(fā)展今天，人類對原油的需求與日俱增，油價也在不停地調(diào)高，低碳環(huán)保和綠色出行已經(jīng)成為當今這個時代必須的，也是不得不面對的一個事實，近幾十年內(nèi)，隨著全球氣候的逐步惡化，城市空氣污染和石油資源的消耗過度

3、，環(huán)保與節(jié)能已經(jīng)成為這個世界所面對的重中之重，世界各國在這期間也在不斷的改進自己國家的汽車技術(shù)來適應(yīng)消耗量如此之大的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，全球汽車的工業(yè)的飛速發(fā)展，使得汽車的產(chǎn)量，銷售量和保有量在逐年的增長，因此，為保證汽車工業(yè)能夠維持長期的穩(wěn)定的發(fā)展，現(xiàn)在的人們必須尋求代用燃料或者減少燃油的消耗量，從這個方面出發(fā)，世界各國的汽車制造商都在大力的開發(fā)節(jié)能汽車或者新能源汽車?，F(xiàn)在，發(fā)展節(jié)能型，環(huán)保型汽車已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)向標和汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，研發(fā)和推出一系列有商業(yè)應(yīng)用價值的環(huán)保，節(jié)能HEV會在以后相當長的時間內(nèi)成為世界汽車工業(yè)的趨勢和主流方向。根據(jù)國際機電委員會下屬的電力機動車技

4、術(shù)委員會的提案，混合動力汽車是指有兩種或兩種以上的儲能器，能源和轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動能源，并且其中至少有一種能夠提供電能的車輛被稱作混合動力汽車。根據(jù)這個通用規(guī)定，混合動力汽車有多種形式：汽油機和蓄電池混合，柴油機和蓄電池混合，蓄電池和燃料電池混合，蓄電池和超大容量電容器混合，蓄電池和飛輪混合，蓄電池和蓄電池混合等等，但是該定義未被所有人所接受一般意義上的混合動力汽車就是指既有內(nèi)燃機又有電動機驅(qū)動的車輛，本文中所指的混合動力汽車就是指一般意義上的混合動力汽車，這種系統(tǒng)較好的利用了蓄電池比功率大和燃油比能量高的特點，并采用這種系統(tǒng)可以較好的利用現(xiàn)在已有的各類汽車基礎(chǔ)設(shè)施，入燃油供給系統(tǒng)，生產(chǎn)車輛平臺，易

5、于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。1.2國內(nèi)外混合動力汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內(nèi)外混合動力汽車的研究現(xiàn)狀混合動力汽車自1900年由電動車衍生而來以后，相比于電動汽車和發(fā)動機汽車而言，混合動力汽車不僅有更好環(huán)境性和更高的能源利用率，還比電動汽車有更高的舒適性，更低的成本，更強的操控性，最重要的是他解決了純電動車所無法達到的行駛距離的問題，混合動力汽車可以像發(fā)動機汽車一樣行駛足夠長的距離再加油，目前，主流的油電混合汽車主要分為3種：(1)串聯(lián)混合。發(fā)動機可以按照與車輛速度、功率無關(guān)的最佳工況進行運作，效率很高(比傳統(tǒng)燃油車高30)，排放水平也可以控制到更高水平。(2)并聯(lián)混合。車輛制動時電機作發(fā)電機使用，

6、回收制動能量并儲存到蓄電池，供車輛起動、加速等工況功率補充。主要優(yōu)勢在于容易實現(xiàn)，即使電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時仍可以繼續(xù)運行。(3)串并聯(lián)混。集成了并聯(lián)與串聯(lián)的優(yōu)點，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造水平要求高，成本較高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜?；旌蟿恿ζ囋诟鱾€國家也有不同的發(fā)展狀況：德國Ma g n e t -M o t o r 公司仿照內(nèi)燃-電動機車原理, 開發(fā)了一種柴油-電動汽車推進動力系統(tǒng), 正在慕尼黑進行作為公共汽車替代動力的試驗。這種柴油-電動系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是磁動力儲存裝置(M D S) , 它用一個玻璃纖維做成的飛輪儲存能量。在該飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)裝有一個電動機/ 發(fā)電機, 用以吸收和放出能量, 這

7、就是所謂復(fù)式電子永磁馬達(ME P ) 先進技術(shù)。該馬達的轉(zhuǎn)子是一個鋼筒, 外圍裝有高級永久磁鐵, 定子裝有許多相同尺寸的電磁鐵。這種電動機/ 發(fā)電機可產(chǎn)生比傳統(tǒng)電動機高2.5倍的扭矩, 發(fā)出較大的功率, . 既可作電動機也可作發(fā)電機用。同為德國奧迪汽車公司工程部提出一種饒有趣味的電動/ 汽油混合動力小轎車驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在奧迪1 0 系列試驗車上。原車采用一臺五缸2 . 3 l o o k W 的汽油機作動力, 通過一個5 檔手動變速器進行前輪驅(qū)動?；旌蟿恿π】蛙嚺c其不同之處在于后部, 它用一個直流馬達驅(qū)動后輪, 其電源為鎳鎬電池。本田汽車公司在日本和美國密執(zhí)安的研究發(fā)展部門把開發(fā)汽油一

8、電動混合動力小客車放在優(yōu)先地位并正在制定開發(fā)計劃細節(jié), 預(yù)計在1991年第三季度能夠確定最終產(chǎn)品方案,1996年將其混合動力車輛投放市場。本田公司的混合動力汽車, 采用本田恒速發(fā)電機并裝備有超級排放控制系統(tǒng)。這是一種專門設(shè)計用于電動車輛的混合動力全新模式。在商用領(lǐng)域, 該公司能提供純電動型車輛, 而混合動力汽車則提供給個人消費者市場作為代步工具。日本日野汽車公司將很快開始生產(chǎn)柴油-電動混合動力客車。日野公司開發(fā)的這種混合動力實際上就是一臺普通柴油機和一個可逆變的電動機/ 發(fā)電機組合系統(tǒng), 稱作混合逆變控制馬達和減速系統(tǒng)(HIMR) 該客車可利用制動能產(chǎn)生電力。當客車制動時, 電馬達起發(fā)電機的作

9、用( 即所謂可再生制動) , 把慣性動能轉(zhuǎn)變成電能存人蓄電池; 當車輛處于高負荷而需要額外動力時, 可用貯存的電能驅(qū)動電動機來增大車輛的扭矩。據(jù)說, 日野混合動力客車可減少柴油機炭煙顆粒排放量70%和NOx排放量30%。1.2.2 混合動力電動汽車的發(fā)展趨勢當今很多國內(nèi)外著名的汽車品牌已經(jīng)研發(fā)出了各具特色的底盤技術(shù)，意在保護環(huán)境的情況下又能最大化的利用資源，VOLVO卡車公司還對新能源商用車底盤進行了廣泛深刻的研究其FE系列卡車底盤采用并聯(lián)混臺動力技術(shù)即柴油發(fā)動機和電動機可以同時或者單獨工作：電動機有三個功能：驅(qū)動車輛、車輛制動時作為發(fā)電機使用和作為柴油發(fā)動機的起動機。當車輛從靜止開始運動時，

10、電動機提供動力：柴油發(fā)動機則隨著車速的增加而被自動激活開始替代電動機驅(qū)動車輛。當車輛在遇到信號燈或其他原因則停下時柴油發(fā)動機則在停下之前熄火電動機則起到發(fā)動機制動的作用并將動能轉(zhuǎn)化成電能給電池完電。在爬坡時電動機和柴油發(fā)動機可以同時工作，提供較大的動力。在傳統(tǒng)卡車上太多數(shù)外圍設(shè)備如伺服泵、空氣壓縮機和取力器等均由發(fā)動機驅(qū)動；然而在混合動力卡車上電動供應(yīng)很充足因此，可以使用輕小的電動機來實現(xiàn)這些功能。這樣，可以極大程度提高相關(guān)部件布置的自由性而在組成汽車底盤的制動系這一部分中，電動汽車和混合動力汽車上具有再生制動能力的電機, 在回收制動能量時起制動作用, 它引人了新型的制動器。作為一種新的制動器

11、型式, 勢必引起制動器型式的變革。電制動系統(tǒng)制動器是基于傳統(tǒng)的制動器, 也分為盤式電制動器和鼓式電制動器, 鼓式電制動器由于制動熱衰減性大等缺點, 將來汽車上會以盤式電制動器為主。電子制動首先應(yīng)用到飛機上, 目前處于向汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研究和改進階段, 隨著技術(shù)進步, 各種問題會逐步得到解決, 電制動系統(tǒng)最終會取代傳統(tǒng)的以液壓為主的制動控制系統(tǒng)以及電液復(fù)合制動系統(tǒng)。電制動或者線控制動是未來制動系統(tǒng)發(fā)展的方向。電制動器和電制動控制單元、制動力模擬器是其重要組成部分, 反饋制動力給制動踏板產(chǎn)生制動感覺。從結(jié)構(gòu)上,電制動具有其它傳統(tǒng)制動無法比擬的優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單, 系統(tǒng)質(zhì)量較傳統(tǒng)制動系統(tǒng)降低很多,

12、從而減少了整車質(zhì)量（2）制動響應(yīng)時間短, 提高制動性能, 縮短制動距離（3）系統(tǒng)中不存在制動液, 維護容易、簡單, 采用電線連接, 系統(tǒng)的耐久性能良好（4）系統(tǒng)總成的制造、裝配、調(diào)試、標定更快,易于采用模塊化結(jié)構(gòu)（5）已經(jīng)開發(fā)出具有容錯功能的適用于汽車的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,可以應(yīng)用到電制動系統(tǒng)中第二章 串聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點分析混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)從能源輸入，原動機到機械能的傳遞，其組成方式多種多樣，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計也各不相同。可以根據(jù)動力傳遞布置，混合動力汽車的用途，混合度大小以及是否依賴電網(wǎng)充電等來進行分類，一般情況下，我們都采用第一種分類方式對混合動力電動汽車進行分類加以分析，根據(jù)動力傳

13、遞布置即根據(jù)其部件的種類，數(shù)量和連接關(guān)系可以將HEV的動力系統(tǒng)分為三種基本結(jié)構(gòu)類型：串聯(lián)式，并聯(lián)式和混聯(lián)式三種，各自驅(qū)動結(jié)構(gòu)如下。2.1 串聯(lián)式混合動力汽車（SHEV）圖2.1為串聯(lián)式混合動力汽車的典型結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，其電能通過帶您冬季控制系統(tǒng)直接輸送到電動機，由電動機產(chǎn)生電磁力矩驅(qū)動汽車。在發(fā)動機和驅(qū)動橋之間通過電傳動實現(xiàn)動力傳遞，因此更像是電傳動汽車。由于斷開了發(fā)動機與后續(xù)驅(qū)動系統(tǒng)的機械連接，發(fā)動機與外界負載沒有直接聯(lián)系，可以在一個特定工況區(qū)域內(nèi)相對穩(wěn)定地運行。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是混合動力電動汽車中最簡單的一種，發(fā)動機輸出的機械能首先通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部

14、分用來給蓄電池充電，另一部分經(jīng)由電動機和傳動裝置驅(qū)動車輪。和燃油車比較，它是一種發(fā)動機輔助型的電動車，主要是為了增加車輛的行駛里程，偶遇在發(fā)動機和發(fā)電機之間的機械連接裝置中沒有離合器，因而它有一定的靈活性。盡管其傳動結(jié)構(gòu)簡單，但它需要三個驅(qū)動裝置：發(fā)動機、發(fā)電機和電動機。如果串聯(lián)式混合動力汽車設(shè)計師考慮爬長坡，未提供最大功率，三個驅(qū)動裝置的尺寸就會較大，如果用作短途運行，如當通勤車用或只是用于購物，相應(yīng)的內(nèi)燃機-發(fā)電機裝置應(yīng)采用低功率的。2.2 并聯(lián)式混合動力汽車（PHEV）圖2.2為并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)的混合動力電動汽車與串聯(lián)式混合動力電供汽車不同的是采用發(fā)動機和電動機兩套

15、相互獨立的驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動車輪，沒有串聯(lián)式SHEV動力傳動系中的發(fā)電機，因此更像傳統(tǒng)汽車的動力傳動系。發(fā)動機和電動機通常通過不同的的離合器來驅(qū)動車輪，可以采用發(fā)動機單獨驅(qū)動，電力單獨驅(qū)動或者發(fā)動機和發(fā)電及混合驅(qū)動三種工作模式驅(qū)動。從概念上講，它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低排放和燃油消耗。當發(fā)動機提供的功率大于驅(qū)動車輛所需的功率或者再生制動時，電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將多余的能量充入電池。這種結(jié)構(gòu)的混合動力汽車只需兩個驅(qū)動裝置，即發(fā)電機和電動機。而且，在蓄電池放完電之前，如果要得到相同的性能，并聯(lián)式比串聯(lián)式混合動力電動汽車的發(fā)動機和電動機的體積要小。即使在長途行駛時，發(fā)動機的功率可以達到最大

16、而電動機的功率只需發(fā)出50%即可。2.3 混聯(lián)式混合動力汽車（PSHEV）圖2.3為混聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種結(jié)構(gòu)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)特點，有發(fā)動機、電動機/發(fā)電機和驅(qū)動電機三個動力總成組成。與串聯(lián)式相比，它增加了機械動力的傳遞路線，與并聯(lián)式相比，它增加了電力的傳輸路線?；炻?lián)式結(jié)構(gòu)能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的組合。同時具有串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，從而在結(jié)構(gòu)上能夠保證在更復(fù)雜的工況下是系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實現(xiàn)低排放和低油耗目標。但是其系統(tǒng)過于復(fù)雜，部件性能要求高，造價高，從而導(dǎo)致了其可靠性難以保證，實際加工困難，市場化舉步維艱。不過，隨著控制技術(shù)和制造技術(shù)的

17、發(fā)展，一些現(xiàn)代混合動力電動汽車更傾向于選擇這種結(jié)構(gòu)。第三章 三種混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的性能特點及對比不同形式的混合動力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點。下面就對其各自的優(yōu)缺點進行詳細的介紹。3.1 串聯(lián)式（SHEV）驅(qū)動系統(tǒng)的性能特點3.1.1 SHEV的優(yōu)點（1）SHEV只有驅(qū)動電動機的電力驅(qū)動系統(tǒng)，其特點更加趨近于EV。從總體結(jié)構(gòu)上來看，比較簡單易于控制，三大動力總成之間沒有機械聯(lián)系，在電動汽車上布置起來，有較大的自由度，可以獨立地布置。（2）SHEV的發(fā)動機-發(fā)電機組中的發(fā)動機工作狀態(tài)不受汽車行駛工況的影響，能夠保持在穩(wěn)定、高效、低污染的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，因此，在發(fā)動機具有良好的經(jīng)濟性和較低的排放指標

18、。（3）SHEV以動力電池組為基本能源來驅(qū)動，使SHEV在城市中，實現(xiàn)“零污染”狀態(tài)的行駛。發(fā)動機-發(fā)電機組所發(fā)出的電能向動力電池組充電，用于補充動力電池組的電能，或直接供應(yīng)驅(qū)動電動機，大大地延長SHEV續(xù)駛歷程。（4）可以采取電動機集中驅(qū)動系統(tǒng)或輪驅(qū)動系統(tǒng)。3.1.2 SHEV的不足（1）驅(qū)動電動機的功率必須能夠克服汽車在行駛過程中的最大阻力，驅(qū)動電動機的功率要求較大，外形尺寸較大，質(zhì)量也較重。由于不是經(jīng)常在滿負荷狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，因此效率較低，由于外形尺寸大，質(zhì)量也較大，在中小型車上的布置有一定困難，但較適合在大型客車上采用。（2）發(fā)電機將機械能量轉(zhuǎn)變成電能、電動機將定能轉(zhuǎn)變成機械能、電池的充電

19、和放電都有能量損失，因此發(fā)動機輸出的能量利用率較低，這是其固有弱點。（3）發(fā)動機-發(fā)電機組與動力電池之間的匹配要求嚴格，應(yīng)能自動啟動或關(guān)閉發(fā)動機-發(fā)電機組，以避免動力電池組過度放電，這就需要更大的電池容量。3.2 并聯(lián)式（PHEV）驅(qū)動系統(tǒng)的性能特點3.2.1 PHEV的優(yōu)點（1）基本驅(qū)動模式是發(fā)動機驅(qū)動模式，由于發(fā)動機的機械能可直接輸出到汽車驅(qū)動橋，沒有機械能-電能-機械能的轉(zhuǎn)換過程，與串聯(lián)式相比，能量綜合效率較高。（2）由于在車輛需要最大輸出功率時，驅(qū)動電動機可以向汽車提供額外的輔助動力，因此發(fā)動機功率可以選擇的較小，使汽車的燃油經(jīng)濟性提高。（3）具有發(fā)動機和驅(qū)動電動機兩個動力總成，其中每

20、個動力總成的功率設(shè)計為車輛驅(qū)動功率的50%-100%，因此，質(zhì)量和體積要小得多。3.2.2 PHEV的不足（1）由于基本驅(qū)動模式使發(fā)動機驅(qū)動，故需要配備與內(nèi)燃機汽車相同的傳動系統(tǒng)，在總布置上基本與內(nèi)燃機汽車相同，動力性能接近內(nèi)燃機汽車，發(fā)動機有害氣體的排放高于串聯(lián)式。（2）.發(fā)動機驅(qū)動模式需要裝置離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動器等轉(zhuǎn)動總成，另外還有驅(qū)動電動機、動力電池組，以及動力組合器等裝置，因此使動力系統(tǒng)機構(gòu)復(fù)雜，布置和控制也更加困難。（3）發(fā)動機和車輛驅(qū)動輪間有直接的機械連接，發(fā)動機運行工況不可避免地受到汽車具體行駛工況的影響，要維持發(fā)動機在最佳工作區(qū)工作，則控制系統(tǒng)和控制策略較復(fù)雜。3.3

21、 混聯(lián)式（PSHEV）驅(qū)動系統(tǒng)的性能特點3.3.1 PSHEV的優(yōu)點（1）發(fā)動機的工作不受汽車行駛狀況的影響，總能在最高效率下工作或自動關(guān)閉，是汽車在任何時候都可實現(xiàn)低排放及超低油耗，達到環(huán)保和節(jié)能的效果。（2）車輛的最大輸出功率相當于三個動力裝置共同組成混合動力驅(qū)動汽車時發(fā)動機和電動機的最大輸出功率之和，因此發(fā)動機排量可減少，電動機功率可降低，其體積減少，而加速性能很好。（3）配有專用電動機/發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)，所以對電池的依賴較少。3.3.2 PSHEV的不足控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，部件性能要求高，造價高，從而導(dǎo)致了其可靠性難以保證，設(shè)計加工困難。3.4 三種混合動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)對比通過對上述不同結(jié)構(gòu)形

22、式的動力系統(tǒng)進行對比，可以得出：SHEV有利于降低排放，但現(xiàn)有技術(shù)條件下降低油耗作用不明顯；PSHEV可以使油耗和排放都得到顯著降低，目前的開發(fā)重點是高效率、易控制的動力復(fù)合裝置，PSHEV在理論上容易實現(xiàn)最低的燃油經(jīng)濟性和低排放，但由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，開發(fā)難度較大，所以成本高。從上述對三種結(jié)構(gòu)的混合動力電動汽車的介紹，分析可以看出，這三種類型的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點。各自的技術(shù)特點決定其適應(yīng)于不同的工況。3.5 串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的確定不同形式的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上各有優(yōu)缺點。各自的技術(shù)特點決定了并聯(lián)式混合動力汽車更適合于路況簡單的城市間公路及高速行駛的車輛；而

23、混聯(lián)式結(jié)構(gòu)由于其系統(tǒng)過于復(fù)雜，部件性能要求高，造價也高，在研究，開發(fā)和應(yīng)用中都受到很大的限制；串聯(lián)式混合動力汽車特別適合于在市內(nèi)低速運行，頻繁的加速，減速，停車的復(fù)雜工況，在這種工況下串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)揮了其發(fā)動機工作條件穩(wěn)定，制動能量回收效果好，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢。本文選擇串聯(lián)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其主要原因表現(xiàn)在以下方面：（1）串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中發(fā)動機的工作狀況不受路況的影響，不會隨著車速的變化而產(chǎn)生波動，發(fā)動機能穩(wěn)定工作在某一較小的區(qū)間，經(jīng)濟性，排放性能較好，適應(yīng)于城市交通。 （2）串聯(lián)式方案實現(xiàn)了車載能源的多樣化選擇，能滿足車輛特殊的使用要求，比如零排放行駛，再生制動能量回收等，這使它更適合于在

24、排放要求極為嚴格的中心市區(qū)內(nèi)運行。（3）串聯(lián)式方案具有排放低，布置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便等優(yōu)勢尤其適用于市內(nèi)常見的頻繁起步加速工況和低速運行工況。 （4）采用串聯(lián)方案后，電動機功率比采用并聯(lián)式要大，更有利于較多的回饋制動能量。 （5）串聯(lián)式方案只有電動機直接驅(qū)動車輪這一驅(qū)動形式，電動機在低速時絕佳的扭矩特性使得以串聯(lián)式布置的混合動力汽車具有很好的加速性能。 （6）串聯(lián)式方案中的發(fā)動機能在最佳工作區(qū)域穩(wěn)定運行的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在低速，加速等運行工況，而在高，中速行駛時，由于其電傳動效率較低，抵消了發(fā)動機油耗低的優(yōu)點，因此，串聯(lián)式混合動力汽車更適合用于市區(qū)內(nèi)低速運行。因為在繁華的市區(qū)中，汽車的起步和

25、低速時可以關(guān)閉發(fā)動機，只利用蓄電池組進行功率輸出，使汽車達到零排放的要求。所以在低速且走/停轉(zhuǎn)換次數(shù)多的短途運輸車上宜采取串聯(lián)式結(jié)構(gòu)?；谏鲜鰧旌蟿恿ο到y(tǒng)的分析，可知混合動力汽車是一個組成部件多，驅(qū)動布置形式多樣的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有的機械加工能力，大中城市汽車排放污染嚴重的問題和我國國情，并結(jié)合短途運輸車的發(fā)展需要，我認為應(yīng)該選擇串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式是較為可行的方案。第四章 串聯(lián)式混合動力汽車總成控制策略控制策略是混合動力汽車的核心，是混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)揮最佳性能的關(guān)鍵，它根據(jù)汽車行駛過程中對動力系統(tǒng)的能量需求，動態(tài)分配發(fā)動機與電機系統(tǒng)的輸出功率，使發(fā)動機盡量工作在最優(yōu)工作區(qū)，當車輛的需求功率

26、較小時，發(fā)動機必須將多余的能量輸入蓄電池儲存起來；在車輛的需求功率較大時，再將蓄電池的電能釋放出來。在目前的技術(shù)條件下，蓄電池的充放電效率都不高，特別是頻繁的充放電過程造成了很多不必要的能量的損失。所以合理的控制策略特別重要，其不但可以優(yōu)化能量流動，而且能夠在很大程度上改善 SHEV的動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性以及續(xù)駛里程。SHEV控制策略按性質(zhì)可分為被動型和主動型兩大類，被動型能量管理策略是在保證蓄電池和發(fā)動機各自工作于其最佳工作區(qū)域的條件下被動地滿足車輛功率需求的一種控制模式，這種控制模式以提高能量流動效率為主要目的。而主動型能量管理策略在注重提高汽車系統(tǒng)內(nèi)部能量流動效率的同時，可根據(jù)行車

27、環(huán)境主動減小車輛功率需求4.1 被動能量管理策略4.1.1 恒溫器型（開關(guān)型）控制策略恒溫器型（Thermostat）控制策略的特征為：發(fā)動機開機后即恒定地工作于效率最高點，為使蓄電池組工作于充放電性能良好的工作區(qū)，預(yù)先設(shè)定了其充電狀態(tài)SOC的最大值SOCmax與最小值SOCmin。當蓄電池SOC SOCmin時，發(fā)動機啟動并進入設(shè)定的工作點（最低油耗或最低排放）工作，輸出功率的一部分滿足車輛驅(qū)動功率需求，另一部分功率向蓄電池充電。而當蓄電池SOC SOCmax時，發(fā)動機關(guān)閉，由蓄電池單獨向電動機供電驅(qū)動車輛。恒溫器型控制策略的優(yōu)點是發(fā)動機的燃燒充分，排放低。缺點是動力蓄電池必須滿足驅(qū)動電動機

28、瞬時功率的需要，其放電電流波動較大，經(jīng)常出現(xiàn)大電流放電的情況，且蓄電池充放電頻繁，對蓄電池使用壽命均有不利影響。其次，雖然輔助動力單元(Auxiliary PowerUnit ，APU)可以在最優(yōu)效率點工作，但由于多了能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，加上發(fā)動機開關(guān)時的動態(tài)損耗，因而有可能抵消由發(fā)動機運行時工作效率最高所帶來的好處，使得系統(tǒng)總體的損失功率變大，能量轉(zhuǎn)換效率趨低。這種能量管理策略對發(fā)動機有利而對動力電池不利。圖 4-1中 1 部分的功能是當 SOC 達到低限 cs_lo_soc 時，發(fā)動機開；2 部分表示的功能是如果發(fā)動機前一狀態(tài)是開的，那么發(fā)動機就保持開的狀態(tài)，直到電池 SOC 達到高的限值 c

29、s_hi_soc。到達最高限后發(fā)動機關(guān)閉。3 部分的功能是使發(fā)動機在控制文件預(yù)先確定的最佳效率下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩處工作。4.1.2 功率跟隨型控制策略功率跟隨型（Power-Follower）控制策略由輔助動力單元APU全程跟蹤車輛功率需求，發(fā)動機總保持運轉(zhuǎn)，這與傳統(tǒng)汽車的行駛相似。功率跟隨型能量管理策略的優(yōu)點是蓄電池容量被減小到最小程度，因而蓄電池重量相對恒溫器型策略來說減輕了許多，從而在很大程度上減小了汽車行駛阻力，此外由于蓄電池充放電次數(shù)減少而使得系統(tǒng)內(nèi)部功率損失相應(yīng)減少。缺點是APU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(yīng)，發(fā)動機必須在從低到高的整個負荷區(qū)范圍內(nèi)運行，這些都損害了發(fā)

30、動機的效率和排放性能(尤其在低負荷區(qū))。因此，該控制策略對蓄電池有利而對發(fā)動機不利。4.2 主動型能量管理策略4.2.1 線路適應(yīng)型控制策略路線適應(yīng)型控制策略基于城市公交車加減速頻繁、路線固定，站點、站距、停車時間均已知的特點，在恒溫器型或功率跟隨器型控制策略的基礎(chǔ)上增加兩個子控制策略：Adviser子控制策略，Adapter子控制策略。Adviser根據(jù)行車路線數(shù)據(jù)幫助駕駛員發(fā)出當前工況下的最佳加速踏板請求；Adapter僅根據(jù)車輛?？空军c信息控制車輛進站前的速度，以使再生制動能量回收增加。路線適應(yīng)性控制策略挖掘了混合動力車在城市公交中使用的潛力，但沒考慮交通干擾、意外停車等因素。路線適應(yīng)型

31、控制策略特別適合城市公交車。4.2.2 動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化控制策略動態(tài)規(guī)劃方法是R.Bellman提出的主要用于求解多級決策問題的方法，并成功地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑查找、線性時不變離散系統(tǒng)的優(yōu)化等問題。其主要針對多階段決策過程的尋優(yōu)問題，是求解最優(yōu)控制問題的有效數(shù)學(xué)方法之一。動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化控制策略以汽車在給定的駕駛循環(huán)工況下最小油耗為優(yōu)化目標，根據(jù)串聯(lián)式HEV的能量流動特點建立適當?shù)臄?shù)學(xué)模型，按照時間順序把整個循環(huán)工況下的功率與效率以一定的時間間隔分成若干個時間片段，然后從最后一段狀態(tài)開始逆向遞推到初始段狀態(tài)為止，最后求出整個循環(huán)工況下發(fā)動機最優(yōu)輸出功率序列。該方法只能用于特定的駕駛循環(huán)，必須預(yù)先精確知

32、道車輛的需求功率，因而不能用于在線控制，常用于離線優(yōu)化，以幫助總結(jié)和提煉出能用于在線控制的能量管理策略。4.2.3 負荷預(yù)測型控制策略負荷預(yù)測型控制策略基于APU輸出功率要比車輛驅(qū)動功率隨時間變化平穩(wěn)得多這一事實，在恒溫器型或功率跟隨型策略的基礎(chǔ)上添加一個車輛負荷預(yù)測器。預(yù)測器根據(jù)車輛運行工況預(yù)測車輛需要的驅(qū)動功率，通過車輛已耗功率的記錄測算出驅(qū)動功率的一些平均值和它的波動范圍，再利用路面坡度、交通情況等信息，來預(yù)測出車輛下一個時刻的負荷。利用該預(yù)測值、蓄電池的SOC狀態(tài)決定采用哪一種工作模式。負荷預(yù)測型控制策略的最大特征是：提供了一種根據(jù)在線所預(yù)測的驅(qū)動功率參與系統(tǒng)能量管理。達到油耗最低、排

33、放最低的目的，可操作性強。缺點是所預(yù)測的驅(qū)動功率由于是由已耗功率推測得出的，與車輛功率的即時需求值是有差異的。4.3 串聯(lián)式混合動力控制策略的選擇通過上述分析比較可以看出，兩種控制策略各有優(yōu)缺點，恒溫器控制策略中由于發(fā)動機不需要跟蹤路面負荷的瞬態(tài)變化而恒定工作，因此有利于降低 HEV 排放；功率跟隨控制策略中發(fā)動機沿著燃油經(jīng)濟性較好的曲線跟蹤路面功率的需求，因此有利于提高HEV 的燃油經(jīng)濟性。為了實現(xiàn)混合動力城市客運的主要設(shè)計任務(wù)，必須采用合理的控制策略對驅(qū)動系統(tǒng)進行綜合控制。具體來說就是兼顧發(fā)動機和電池的效率，實現(xiàn)整車效率最優(yōu)。也就是說，優(yōu)化的控制策略對驅(qū)動系統(tǒng)各部件的特性高度依賴。本文選擇

34、的控制策略是把上述兩種模式結(jié)合起來，充分利用發(fā)動機和電池的高效率區(qū)，使其達到整體效率最高。發(fā)動機在 SOC 較低或負載功率較大時均會啟動；當負載功率較小且 SOC 高于預(yù)設(shè)的上限值時，發(fā)動機被關(guān)閉；在發(fā)動機關(guān)停之間設(shè)定了一定范圍的狀態(tài)保持區(qū)域，這樣可以避免頻繁關(guān)停。 發(fā)動機一旦起動便在相對經(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額進行緩沖和補償。例如，當汽車加速和爬坡時，為了滿足車輪驅(qū)動功率要求，降低對蓄電池峰值功率要求，延長其工作壽命，可采用發(fā)動機跟隨模式；當汽車車輪功率要求低時，為了避免發(fā)動機低效率工況的發(fā)生，可以采用恒溫器模式，以提高整車系統(tǒng)的效率。通過上面對兩種控制策略的詳細介紹，不難看出恒溫器控制策略也可以在功率跟隨控制策略中實現(xiàn)，在本文設(shè)計的控制策略中，就采用了這樣方法，使得恒溫器控制策略在功率跟隨控制策略中體現(xiàn)出來，把兩種控制策略結(jié)合起來，達到設(shè)計的目的。具體就是把恒溫器式控制策略嵌入到功率跟隨控制策略中，其控制策略框圖如圖 4-3所示。 其總體的原則如下： （1）當電池組的 SOC 值很高，并足以滿足汽車行駛時的路面功率需求時，就由電池組單獨驅(qū)動，發(fā)動機關(guān)閉。 （2）當汽車行駛時的路面功率需求較大，電池的組不能單獨滿足其要求，或者電池組的 SOC 值較低時，發(fā)動機都要開啟