混合動力汽車控制策略

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

2、力系統(tǒng)1.2并聯(lián)式動力系統(tǒng) 并聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機(jī)、電動/發(fā)電機(jī)兩大部件總成組成，它們可分開工作也可以協(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。兩大動力總成的功率可以互相疊加，發(fā)動機(jī)功率和電動/發(fā)電機(jī)功率約為電動汽車所需最大驅(qū)動功率的0.51倍，因此，可以采用小功率的發(fā)動機(jī)與電動/發(fā)電機(jī)，使得整個動力系統(tǒng)的裝配尺寸、質(zhì)量都較小，造價也更低，行程也可以比串聯(lián)式混合動力電動汽車長一些，其特點(diǎn)更加趨近于內(nèi)燃機(jī)汽車。由于并聯(lián)混合動力汽車有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，且不同的驅(qū)動系統(tǒng)有不同的工作效率區(qū)間，這就使得汽車在不同的行駛工況下，具有不同工作模式。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)1.3混聯(lián)式動力系統(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，同時也是最復(fù)雜、研究難度最大的結(jié)構(gòu)。低速和啟動時發(fā)動機(jī)關(guān)閉，電動機(jī)由電池供電并輸出動力；發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，視電池狀態(tài)和動力需求，發(fā)電機(jī)承擔(dān)發(fā)電或調(diào)速的作用；制動時電動機(jī)和發(fā)電機(jī)均能進(jìn)行制動能量回收，向電池充電。上述幾種電動車原理，其動力傳動系統(tǒng)基本都維持了內(nèi)燃機(jī)汽車傳統(tǒng)的傳動方案，特別是從主減速器、差速器、半軸到車輪基本沒有改變。最近出現(xiàn)了一種更為先進(jìn)的電動汽車，取代了這一傳統(tǒng)的傳動方案，這就是電動輪式混合動力電動汽車混聯(lián)式動力系統(tǒng)1.4電動輪式動力系統(tǒng) 電動輪式混合動力電動汽車最大特點(diǎn)就是用電子差速器代替了傳統(tǒng)汽車的差速器和半軸，將電動機(jī)直接安裝在驅(qū)動輪

4、上，從而使電動輪驅(qū)動型式結(jié)構(gòu)簡潔、傳動高效。電動輪式動力系統(tǒng)2.混合動力汽車的控制策略 在混合動力汽車各部件的配置確定下來之后，如何優(yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)混合動力汽車低油耗、低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在滿足汽車的動力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下，針對各部件的特性及汽車的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)動機(jī)、電機(jī)之間的合理而有效分配、使整車系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能。2.1串聯(lián)式混合動力汽車的控制策略 由于串聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機(jī)與汽車行駛工況沒有直接聯(lián)系，因此控制策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動機(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、電傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的總體效率。以下介紹串聯(lián)式混合動力汽車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)動機(jī)跟蹤器控制模式 上述兩種控制模式可以結(jié)合起來使用，其目的是充分利用發(fā)動機(jī)和電池的高效率區(qū)，使其達(dá)到整體效率最高。發(fā)動機(jī)在荷電狀態(tài)值較低或負(fù)載功率較大時均會起動；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，發(fā)動機(jī)被關(guān)閉；在發(fā)動機(jī)關(guān)和開之間設(shè)定了一定范圍的狀態(tài)保持區(qū)域，這樣可以避免發(fā)動機(jī)的頻繁起停。發(fā)動機(jī)一旦起動便在相對經(jīng)濟(jì)的區(qū)域內(nèi)對電動機(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)動機(jī)經(jīng)濟(jì)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(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)動機(jī)的頻繁起動，降低了油耗，提高了排放性能。2.2并聯(lián)式混合動力電動汽車控制策略 目前用于并聯(lián)的策略一般有并聯(lián)電輔助驅(qū)動式控制策略、并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略(實(shí)時控制策略)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)動式控制策略 在電輔助驅(qū)動控制策略中,利用電動機(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)車速低于某一最小車速時,電動機(jī)提供全部的驅(qū)動力; b.當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求高于發(fā)動機(jī)的最大值時,電動機(jī)提供額外的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩; c.當(dāng)發(fā)動機(jī)在給定的車速上效率很低時,發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī),由電

7、動機(jī)提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩; d.當(dāng)電池SOC過低時,發(fā)動機(jī)提供額外扭矩帶動電機(jī)工作對電池充電。 e.回收制動能量,為蓄電池充電; 2.2.2 并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略(實(shí)時控制策略) 這種控制策略兼顧了燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動機(jī)廢氣排放兩方面的性能,在每一個時間段內(nèi)都對發(fā)動機(jī)和電動機(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)車速低于某一最小車速時,由電機(jī)提供全部驅(qū)動力; b.當(dāng)車速大于最小車速,并且行駛需要扭矩小于電機(jī)的最大扭矩時,根據(jù)發(fā)動機(jī)的燃油消耗率和當(dāng)前電池的SOC值來決定動力源; 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)動機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時,由發(fā)動機(jī)獨(dú)自提供全部驅(qū)動力。發(fā)動機(jī)是

8、否驅(qū)動電機(jī)對電池充電,取決于電池的SOC以及此時電池和電機(jī)的效率; d.當(dāng)行駛需要扭矩大于發(fā)動機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時,由電機(jī)提供扭矩助力; e.減速時回收制動能量。 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)是通過綜合考慮發(fā)動機(jī)和蓄電池的工作效率來實(shí)現(xiàn)混合動力系統(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)時控制策略類似,但是與實(shí)時控制策略相比,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)動機(jī)最優(yōu)功率時,電機(jī)基本不工作。 b.所需功率大于最優(yōu)功率一定值時,發(fā)動機(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,采取相應(yīng)措施,使其回到正常范圍。2.3混聯(lián)式混合動力汽車的控制策略 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)最能體現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的最優(yōu)化思想，同時也是最復(fù)雜、型式最多樣和研究難度最大的結(jié)構(gòu)?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串、并聯(lián)混合式動力汽車結(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)動機(jī)恒定工作點(diǎn)控制策略 這種策略采用發(fā)動機(jī)作為主要動力源，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)獲得足夠的瞬時功率。由于采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可以不隨車速變化，這樣使發(fā)動機(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。這樣電動機(jī)來負(fù)責(zé)動態(tài)部分，避免了發(fā)動機(jī)動態(tài)調(diào)節(jié)帶來的損失。而且與發(fā)動機(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)對發(fā)動機(jī)及整車的控制。在這種策略下，讓發(fā)動機(jī)工作在萬有特性圖中最佳油耗線上。發(fā)動機(jī)在高于某個轉(zhuǎn)矩或功率限值后才會打開；發(fā)動機(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，發(fā)動機(jī)起動更為容易），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)動電流需求超出電機(jī)或電池的允許限制時，才調(diào)整發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)。2.3.3瞬時優(yōu)化控制策

11、略 在發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線模式思想的基礎(chǔ)上，對混合動力車在特定工況點(diǎn)下整個動力系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)（如效率損失、名義油耗）進(jìn)行優(yōu)化，便可得到瞬時最優(yōu)工作點(diǎn)，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。通常的瞬時優(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)化控制策略瞬時優(yōu)化控制策略 在每一步長內(nèi)可能是最優(yōu)的，但無法保證在整個運(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，計算量也很大，在實(shí)際車輛的實(shí)時控制中很難得到應(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電動輪式混合動力汽車的控制策略 現(xiàn)在借助現(xiàn)代計算機(jī)控制技術(shù)直接控制各電動輪實(shí)現(xiàn)電子差速的控制策略，已經(jīng)成為電動汽車發(fā)展的一個獨(dú)特方向。電動輪式混合動力電動汽車的核心控制技術(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相同的距離。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤給定的轉(zhuǎn)角、路面道路工況和車輪轉(zhuǎn)速情況，中央控制器及時計算，將兩輪所需的轉(zhuǎn)速信號送給電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)

13、對兩輪的差速控制。3.混合動力汽車的研究方向 混合動力電動汽車的良好前景已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注,對混合動力電動車技術(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。但是,混合動力電動汽車是門新技術(shù),還不夠成熟,要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有許多工作要做。尤其是國內(nèi),對該課題的研究,目前還基本處于實(shí)驗(yàn)研究階段。因此,對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)簡單,控制策略也不復(fù)雜,開發(fā)難度小。但是,由于系統(tǒng)負(fù)載能力完全取決于電動機(jī),為了保證汽車正常啟動和爬坡、加速性能,電動機(jī)尺寸就會較大。從國內(nèi)已開發(fā)的試驗(yàn)車數(shù)據(jù)來看,大部分串聯(lián)式電動車排放有所降低,油耗基本和傳統(tǒng)燃油車相當(dāng),爬坡

14、、加速性能較差,一般只能用在短途輕載場所。如何控制發(fā)動機(jī)時刻工作在高效率區(qū)以及如何提高車輛爬坡、加速性能是串聯(lián)式混合動力車值得進(jìn)一步研究的問題。3.2 并聯(lián)式 并聯(lián)式混合動力車適合多種工況,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)汽車方式工作。與串聯(lián)式相比,由于發(fā)動機(jī)直接對驅(qū)動軸驅(qū)動,沒有過多的功率損失,所以效率更高;電動機(jī)起動避免了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)起動的缺點(diǎn),在各工況下系統(tǒng)控制策略始終控制發(fā)動機(jī)工作在高效率區(qū),降低了汽車油耗和排放;并聯(lián)控制策略采取的是電力維持方式,SOC被控制在一個高效、安全的范圍內(nèi)并且波動較小,故電池使用壽命更長,系統(tǒng)有更好的經(jīng)濟(jì)性。但是,由于整車包含了兩套獨(dú)立的驅(qū)動結(jié)構(gòu)

15、,整車質(zhì)量有所增加。而且,雖然目前并聯(lián)式混合動力電動汽車控制策略有多種,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)時控制策略)和模糊控制策略在混合動力電動汽車上逐漸展示了自身強(qiáng)大的生命力,但還極其不成熟。如何提高動力復(fù)合裝置效率,降低整車質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)最優(yōu)控制是并聯(lián)式混合動力電動汽車急待解決的幾個問題。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,但是具體開發(fā)起來難以把握。一方面,因?yàn)榛炻?lián)式對動力復(fù)合裝置要求更高,目前行星輪動力復(fù)合裝置的機(jī)械構(gòu)架只能按固定比例來分配動力,難以滿足系統(tǒng)更為復(fù)雜的動力復(fù)合要求。另一方面,為了滿足混聯(lián)式混合動力車在各種工況下同時實(shí)現(xiàn)低排放和低油耗的目的,控制策略就必須設(shè)計得龐大而復(fù)雜,而當(dāng)前用于混聯(lián)式的控制策略總體相對貧乏,所以開發(fā)難度大,開發(fā)成本高。開發(fā)高性能動力復(fù)合裝置、優(yōu)化控制策略和降低成本,是混聯(lián)式混合動力電動車下一步開發(fā)的重點(diǎn)。3.4電動輪式 該驅(qū)動控制系統(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)汽車所需的一整套機(jī)械部件,整車結(jié)構(gòu)簡潔、傳動高