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1、混合动力汽车控制策略摘要：混合动力汽车的动力系统基本可分为串联式、并联式和混联式3种，对并联型和串联型混合动力汽车控制策略研究现状进行分析。混联式混合动力系统结合了串联式和并联式两种结构的优点，使得能量流动的控制和能量消耗的优化具有更大的灵活性和可能性，并对混联式结构的几种控制方案进行了分析。指出混合动力汽车的控制策略不十分完善，需要进一优化。控制策略不仅仅要实现整车最佳的燃油经济性，而且还要兼顾发动机排放、蓄电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性及整车成本等多方面要求，并针对混合动力汽车各部件的特性和汽车的运行工况，使发动机、电动机、蓄电池和传动系统实现最佳匹配。关键词：混合动力汽车 结构 控制策
2、略 优化1. 混合动力汽车的研究背景 在20世纪的最后十几年，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。专家们估计，短时间内燃料电池技术难有重大突破，电动汽车暂时还无法完全取代燃油发动机汽车。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，因其具有低油耗、低排放的潜力，动力性接近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，最近几年来其研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。可以相信，在电动汽车的储能部件电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意
3、义的途径之一。混合动力电动汽车与传统的内燃机汽车和电动汽车不同，它一般至少有两种车载能量源，其中一种为具有高功率密度的能量源。利用两种能量源的特性互补，实现整车系统性能的改善和提高。要实现两者之间相互协调工作，这就需要有良好的控制策略。控制策略是混合动力汽车的灵魂，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量要求，动态分配发动机和电动机系统的输出功率。采用不同的控制策略是为了达到最优的设计目标，其主要目标为：最佳的燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本、最佳的驱动性能。 当前开发研制的混合动力汽车可以分为三类：串联式、并联式、混联式混合动力电动汽车。在各部件的选型确定以后，采用合适的控制策略是实现最佳
4、燃油经济性，降低排放的关键。目前提出的混合动力汽车控制策略还不成熟，实用性不强，只有基于工程经验进行设计的逻辑门限控制策略在实际商品化混合动力汽车中得到了应用。开发一种成熟实用的控制策略仍然是目前亟待解决的难题。随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控制等方法也有运用。自适应控制策略，实际上是一种实时控制策略，它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放。由于实时控制策略能够保证在任一时刻都是由效率最优的部件工作，因此其燃油经济性要优于模糊逻辑控制策略。但是实时控制策略过分依赖于各个部件的性能特性的精确性，由于受电池老化、发动机动态特性等的影响，在实际车辆的实时控制中很难得到应用
5、。模糊逻辑控制策略由于其鲁棒性好的特点，适用于车辆控制这样一个复杂的系统，对混合动力电动汽车的控制有明显的优越性。在国内，由于混合动力电动汽车的起步较晚，对混合动力控制策略的研究远没有达到成熟的程度，大都处于理论研究阶段。在应用方面可以说才刚刚起步，尚未实现产品化和产业化，与国外有关混合动力汽车控制方面的技术水平有相当大的差距。因此，我国应大力提高混合动力汽车关键技术的自主研发能力，尤其是对车辆的性能有较大影响的控制策略的自主研发能力，以提高我国混合动力汽车的产品化进程。 在20世纪的最后十几年，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽
6、车，成为各大汽车公司的当务之急。专家们估计，短时间内燃料电池技术难有重大突破，电动汽车暂时还无法完全取代燃油发动机汽车。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，因其具有低油耗、低排放的潜力，动力性接近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，最近几年来其研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。可以相信，在电动汽车的储能部件电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。混合动力电动汽车与传统的内燃机汽车和电动汽车不同，它一般至少有两种车载能量源，其中一种为具有高功率密度的能量源。利用两种能量源的特性互补，实现整车
7、系统性能的改善和提高。要实现两者之间相互协调工作，这就需要有良好的控制策略。控制策略是混合动力汽车的灵魂，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量要求，动态分配发动机和电动机系统的输出功率。采用不同的控制策略是为了达到最优的设计目标，其主要目标为：最佳的燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本、最佳的驱动性能。 当前开发研制的混合动力汽车可以分为三类：串联式、并联式、混联式混合动力电动汽车。在各部件的选型确定以后，采用合适的控制策略是实现最佳燃油经济性，降低排放的关键。目前提出的混合动力汽车控制策略还不成熟，实用性不强，只有基于工程经验进行设计的逻辑门限控制策略在实际商品化混合动力汽车中得到了应用。
8、开发一种成熟实用的控制策略仍然是目前亟待解决的难题。随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控制等方法也有运用。自适应控制策略，实际上是一种实时控制策略，它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放。由于实时控制策略能够保证在任一时刻都是由效率最优的部件工作，因此其燃油经济性要优于模糊逻辑控制策略。但是实时控制策略过分依赖于各个部件的性能特性的精确性，由于受电池老化、发动机动态特性等的影响，在实际车辆的实时控制中很难得到应用。模糊逻辑控制策略由于其鲁棒性好的特点，适用于车辆控制这样一个复杂的系统，对混合动力电动汽车的控制有明显的优越性。在国内，由于混合动力电动汽车的起步较晚，对混合
9、动力控制策略的研究远没有达到成熟的程度，大都处于理论研究阶段。在应用方面可以说才刚刚起步，尚未实现产品化和产业化，与国外有关混合动力汽车控制方面的技术水平有相当大的差距。因此，我国应大力提高混合动力汽车关键技术的自主研发能力，尤其是对车辆的性能有较大影响的控制策略的自主研发能力，以提高我国混合动力汽车的产品化进程。2. 混合动力汽车的种类、特点及应用 混合动力电动汽车(HEV)是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(Auxiliary power unit，APU)的汽车，其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机
10、。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置(蓄电池)组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种组合方式。2.1 串联式驱动系统串联式驱动系统结构示意图如图1所示。APU由原动机和发电机组成，通常将这两个部件集成为一体。原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用：当发电机的发电
11、功率大于电动机所需的功率时，控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时，电池则向电动机提供额外的电能。该系统辅助动力设备与电动机无机械连接，整车布置的自由度较大，控制系统也简单，但能量转换次数多，效率不高，续驶里程有限，仍需设置充电站。这种系统使用一个较小的发动机在效率最高的转速范围内工作，能够最大限度地改善燃油经济性和减少排放。图1 串联式驱动系统结构示意图2.2 并联式驱动系统并联式驱动系统结构示意图如图2所示，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。与串联式结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量
12、的利用率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大的情况；相比于串联式结构，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。与串联混合动力传动系统相比，行驶里程更长；系统结构复杂，由于人们对控制单元要求较高，因而成本昂贵。图2 并联式驱动系统结构示意图2.3 混联式驱动系统混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图如图3所示。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电
13、池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。这种结构能较好地综合实现汽车的各项性能需求，但控制技术复杂，结构设计与制造要求高。发动机的工作不受汽车行驶状况的影响，总是在最高效率状态下工作或自动关闭，使汽车任何时候都可实现低排放及超低油耗，达到环保和节能效果。图3 混联式驱动系统结构示意图3. 混合动力汽车控制策略 在混合动力汽车各部件的配置确定下来之后，如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目标的关键所在。在满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及成本等要求的
14、前提下，针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在发动机、电动机之间能有效而合理地分配，使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。控制策略的基本思路通常有两种：一是直接法，即直接将优化目标表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，得到整个系统的能量损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机转矩、转速，电池的放电电流等。驱动条件常用驱动轴的转矩和转速来表示。从这两种基本思路出发，可以得到许多种具体的控制策略。 3.1 串联式混合动力汽车的控制策略 由于串联式
15、混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外，为了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动机和发电机的总体效率。串联型混合动力汽车有以下几种基本的控制模式。 3.1.1 恒温器控制模式 当蓄电池荷电状态(SOC)降到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油耗或排放点按恒功率输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电动机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求，蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来
16、的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利。 3.1.2 功率跟踪式控制模式 这种控制策略根据电池的SOC和负荷确定发动机的开关状态和输出功率的大小，目的是满足设备的功率需求。 当发动机功率需求小于输出功率时，将发动机的输出功率调整为最小值；当SOC高于下界，汽车总的需求负荷未超出电池容量但超过发动机最大功率时，则发动机输出功率调整为最大值。 发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用这种控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，而且发动机的功率快速而动态地变化，这些都会损害发动机的效率和排放性能。解决的办法是采用自动无级变速传动(CVT)无级变速器，控制发动机沿最小油耗曲线运行，这样同时减少了HC和CO的排放量。这两种控制模式相比较，恒温器
