混合動力汽車功率分配控制方法研究

牛晶，林程

（1.天水師范學院，甘肅 天水 741000；2.北京理工大學，北京 100081）

?

混合動力汽車功率分配控制方法研究

牛晶1，林程2

（1.天水師范學院，甘肅 天水 741000；2.北京理工大學，北京 100081）

摘 要：以串聯式，并聯式、混聯式3種類型的混合動力汽車為研究對象，根據其驅動系統不同的結構特點，從整車功率流分析入手，詳細研究了混合動力汽車的功率分配控制方法。最后從燃油經濟性、排放、整車驅動性能和駕駛員意圖等方面的要求出發指出了未來混合動力汽車整車控制策略的發展方向。

關鍵詞：功率分配；控制方法；工作模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.037

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-109-04

前言

當今社會能源危機和環境惡化問題突顯，汽車工業迎來了新能源汽車時代。傳統意義上，新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車3類。而混合動力汽車作為其中最有競爭優勢的車型已經取得了一些重要技術領域的突破。混合動力汽車有兩個主要動力源，即發動機和牽引電機，其特點是發動機能最大限度地工作在高效狀態，同時發揮了電力驅動系統的最大效率。所以，如何協調配合混合動力汽車驅動系統中的各個動力源就很關鍵，即混合動力汽車的整車控制策略是其開發的難點和重點。

目前，在整車控制策略方面，主要包含兩個層面的內容，一是能量管理控制策略，研究的是穩態情況下的功率分配問題；二是轉矩協調控制方法，研究的是車輛模式切換時的瞬時動態控制，其控制對象是混合動力汽車的各動力部件。混合動力汽車的整車控制策略正在由單一走向多元，由瞬態向過程發展。

因此，本文從功率流分析入手，重點研究的是整車控制策略中第一個層面功率分配控制的問題。針對串聯式、并聯式和混聯式3種不同結構類型的混合動力汽車，詳細研究了其功率的分配控制方法，并結合可行性，就整車控制策略的發展方向提出了自己的觀點。

1、混合動力汽車功率分配控制目標

不同結構的混合動力汽車基本上是由發動機、發電機、整流器、動力電池組、牽引電機、機械傳動裝置等組成，這些部件之間有的是通過機械連接在一起，而有的是通過電纜連接，所以在整個系統中會同時存在兩種能量，即機械能和電能。一般情況下，混合動力汽車的工作模式是多樣的，包括純電驅動模式，純發動機驅動模式、混合驅動模式、發動機驅動和動力電池組充電模式、再生制動模式等。根據車輛的不同行駛工況，由整車控制策略決定車輛的工作模式。因此，在混合動力汽車系統中能量的流動方向是多樣并且隨時變化，即瞬態情況下存在不同功率流在不同元件之間流入或流出的情況。

目前，不同類型的混合動力汽車，對其功率流控制的目標是各有側重的，其中最主要的目標有以下幾個：（1）最佳的燃油經濟性；（2）最低的尾氣排放；（3）動力電池SOC的動態波動最小；（4）最佳的驅動性能；（5）充分滿足駕駛員的意圖；（6）最低的開發設計成本。

為實現最佳的燃油經濟性，主要需要調整發動機的工作區域。目前大多數車輛采用兩種方法：一是依據發動機萬有特性曲線，使發動機盡可能工作在最小燃油消耗曲線附近；二是同時調整發動機和牽引電機的工作區域，使二者都在最高效率附近。尾氣排放的控制主要受限于發動機的工作情況，一般發動機在最高效率附近排放也是最優的。動力電池長時間頻繁地充放電會影響其壽命，因此為了達到整車最優性能，期望動力電池的SOC波動最小。為了達到最佳的驅動性能，功率分配同時要考慮穩態和瞬態的問題[1]。此外，整車控制策略的制定還需要充分考慮駕駛員的駕駛意圖，不能凌駕于其上。

綜上，設計最佳的混合動力汽車功率分配控制方法時需將上文所述的（1）（3）（4）（5）最為控制目標和約束條件。

2、串聯式混合動力汽車

典型的串聯式混合動力汽車結構組成如圖1所示。其中，發動機和機械傳動裝置之間沒有直接的機械連接關系，可以為發動機工作在最佳排放區和效率區提供可能。一般這種汽車上配備的發動機功率較大，足以滿足加速和電池充電的需求。

圖1　串聯式混合動力汽車結構

2.1 串聯式混合動力汽車功率流分析過程

結合車輛的運行工況，對其工作模式和功率流分析如下：

（1）起步/正常行駛/加速工況：發動機通過發電機和動力電池組一起輸出電能并驅動牽引電機，再通過機械傳動裝置驅動車輪；

（2）低負荷工況：發動機輸出的多余能量通過發電機給動力電池組充電，直到電池SOC達到限值標準；

（3）減速/制動工況：牽引電機工作在發電機模式，將驅動輪的機械能轉換為電能，為動力電池組充電；

（4）停車充電工況：停車時，發動機通過發電機給動力電池充電，牽引電機不工作。

2.2 串聯式混合動力汽車功率分配控制方法

根據上述串聯式混合動力汽車的四種不同工作模式，較實用的功率分配控制方法有ON-OFF控制方法和功率（負載）跟隨式控制方法，兩種方法各有側重。

（1）ON-OFF控制方法：其特征是發動機開機后始終工作在其效率最高點[2]。該方法的控制邏輯是：當電池SOC下降到下限值時，發動機工作在最低排放點或最低油耗點，以恒功率輸出，一方面滿足車輛行駛需求功率，一方面為電池充電；當電池SOC上升到上限值時，發動機停止工作，動力電池組提供車輛行駛的全部功率。如此，在車輛運行過程中，電池始終處在循環使用中，對電池壽命不利。這種方法的優點是發動機燃油經濟性和排放性好。

（2）功率跟隨式控制方法，又稱負載跟隨式控制方法：這種方法主要依據道路工況、整車功率需求和電池SOC共同決定發動機是否工作和輸出多少功率，發動機是全程跟隨的。該方法的控制邏輯是：當整車需求功率小于發動機-發電機組的最佳效率區輸出功率，電池SOC低于下限值時，發動機輸出功率用于車輛行駛和電池充電；當整車需求功率小于發動機-發電機組的最佳效率區輸出功率，電池SOC達到上限值時，發動機輸出功率全部用于車輛行駛；當整車需求功率大于發動機-發電機組的最大輸出功率，電池SOC高于下限值時，發動機輸出功率調整為最大功率，動力電池同時向牽引電機供電，二者同時驅動車輛行駛；當電池SOC超過上限值時，且僅由動力電池提供功率可以滿足車輛行駛時，發動機關閉。這種控制方法發動機的工作區域不穩定，油耗和排放都不可控，對動力電池的壽命卻是有利的。

為了達到文中的控制目標，需將上述這兩種方法結合起來使用。

3、并聯式混合動力汽車

典型的并聯式混合動力汽車結構組成如圖2所示。可見，其結構形式可看作是一個電力驅動系統被附加在了傳統內燃機汽車上，保留了與傳統內燃機汽車相同的發動機和機械傳動裝置。一般采用小功率發動機即可滿足行駛需求。與串聯式相比，省去了熱能-電能-機械能的多次轉化，其效率明顯提高。

圖2　并聯式混合動力汽車結構

3.1 并聯式混合動力汽車功率流分析過程

結合車輛的運行工況，對其工作模式和功率流分析如下：

（1）起步/低負荷工況：一般情況下發動機關閉，動力電池組通過電動機提供車輛行駛需求功率；

（2）正常行駛：車輛的驅動功率僅源于發動機；

（3）高負荷工況：驅動功率由發動機和動力電池共同提供，并通過動力合成器輸出；

（4）減速/制動工況：發動機關閉，牽引電機工作在發電機模式，將驅動輪的機械能轉換為電能，為動力電池組充電。

3.2 并聯式混合動力汽車功率分配控制方法

在人們的不斷研究中，出現了很多并聯式混合動力汽車功率分配的控制方法，諸如全局最優控制法、瞬時優化管理策略、動態自適應控制法、邏輯模糊控制法和神經網絡控制法等。全局最優控制法，可求得控制變量的全局最優解，但是需要已知行駛工況，因此能應用于實車控制。瞬時優化管理策略，在工況未知的情況下可實現每個時刻的燃油消耗量最小，但需要大量的浮點運算，實現較為困難[3]。基于模糊邏輯的能量管理策略，具有魯棒性強，實時性好的優點，增加了模糊決策因素，符合人的思維邏輯，應用在混合動力汽車中比較合適[4]。實際商品化應用的只有依據工程經驗設計的邏輯門限能量管理策略，該策略雖然能夠保證發動機的效率，卻不能兼顧整車的燃油經濟性和排放性[5]。可見，要實現文中所述的控制目標，對于并聯式還有一定難度。以下僅提出基于工況識別的邏輯門限值控制方法。

（1）起步/低負荷工況：電池SOC大于下限值時，純電動驅動工況，發動機關閉；電池SOC低于下限值時，發動機啟動工作，并恒定工作在某一轉矩，在驅動車輛行駛的同時，驅動電機給動力電池充電直到SOC又達到平均值；

（2）正常工況：中等中速負荷，是汽車行駛的主要工況，車輛行駛的全部功率源于發動機，當電池SOC低于下限值時，發動機一方面帶動發電機給動力電池組充電，另一方面驅動車輛行駛；當電池SOC不低于平均值時，電動機關閉，發動機單獨驅動車輛行駛；

（3）高負荷工況：在這種情況下，為了能讓汽車獲得良好的動力性能，發動機和電機必須聯合協調工作。當電池SOC低于下限值時，發動機和電動機同時工作，發動機提供的功率一方面驅動車輛行駛，一方面給電池充電；當電池SOC高于下限值時，發動機和電動機同時工作，但是電池不充電僅放電；

（4）減速制動工況：根據電池SOC和整車制動轉矩需求，電機再生制動系統和機械制動系統可單獨或同時工作。

4、混聯式混合動力汽車

典型的混聯式混合動力汽車結構組成如圖3所示。這種結構是同時綜合了并聯式和串聯式的優缺點。發動機輸出的功率一部分通過動力合成器分配給傳動裝置，驅動汽車行駛，另一部分功率則分配給發電機發電。發電機輸出的電能輸送給電動機或動力電池組。電動機從動力電池組或發電機獲取電能，產生驅動力，通過動力合成器傳遞給驅動橋。

圖3　混聯式混合動力汽車結構

4.1 混聯式混合動力汽車功率流分析過程

基于混聯式的結構特點，其主要有兩種工作狀態：一是發動機主動型；二是電力主動型。在車輛的不同運行工況，由整車控制策略決定在何種狀態工作。

Ⅰ、發動機主動型工作模式

起動工況：發動機關閉，動力電池提供電能給電動機，驅動車輛行駛；

加速工況：發動機和電動機同時工作，共同分擔車輛行駛需求功率；

勻速工況：電動機關閉，發動機提供車輛行駛動力；減速/制動工況：電動機工作在發電機模式，向動力電池組充電。

Ⅱ、電力主動型工作模式

電力主動型與發動機主動型的區別在勻速和加速工況，其他模式功率流分析一致，以下僅描述勻速和加速的情況。

勻速工況：發動機帶動發電機發電，發電機給電動機提供電能，驅動車輛行駛；

加速工況：發動機帶動發電機發電，發電機和動力電池組同時給電動機提供電能，共同驅動車輛行駛。

4.2 混聯式混合動力汽車功率分配控制方法

（1）發動機恒定工作點控制法：以發動機作為主要動力源控制發動機工作在效率最高點，以恒轉矩輸出；依靠電池和發電機通過提供電能得到附加轉矩，進行發動機功率調峰，既避免了發動機持續工作在大負荷工況，又可以使動力驅動系統獲得足夠的瞬時功率[6]。

（2）發動機最優工作曲線控制法：發動機開始啟動是在發動機功率或轉矩超過規定限值時，發動機工作點的調整是在發電機電流需求超出動力電池的接受能力，或者當電機驅動電流超出電機或蓄電池的允許限值時。這種方法主要控制發動機工作在萬有特性曲線的最佳油耗線上。

（3）瞬時優化控制法：這種方法是在發動機最優工作曲線控制思想的基礎上，對整個動力系統的某一優化指標進行優化，其針對的是混合動力汽車的特定工況點，通過優化可以得到瞬時最優工作點，再通過對各個狀態變量進行動態再分配，便可得到瞬時最優工作點，通常以整車油耗或總功率作為優化目標。在這種方法中，發動機工作點不僅要根據油耗曲線（或功率曲線）來設定，還要考慮電池的SOC。

（4）全局優化控制法：應用全局優化算法得到的各控制變量，用以控制系統工作。這種方法比較復雜，計算量大，很難在車輛的實時控制中應用。

綜上所述，工程上具有實際意義的多是發動機恒定工作點法和最優工作曲線法。

5、結論

（1）綜合應用ON-OFF法和功率跟隨法可以很好地控制串聯式的油耗、排放和電池的壽命；

（2）并聯式較多應用邏輯門限值控制法，汽車效率高，但是油耗和排放不可控；

（3）混聯式由于其結構的復雜性，控制難度大，目前具有工程實踐意義的只有發動機恒定工作點法和最優工作曲線法。這兩種方法只能達到最佳的油耗或效率，其他變量不可控。

參考文獻

[1] 歐陽易時,金達鋒,羅禹貢.并聯混合動力汽車功率分配最優控制及其動態規劃性能指標的研究[J].汽車工程,2006,28(2):117.

[2] 孫逢春.電動汽車動力驅動系統現狀及發展[J].汽車工程,2000, 18(6):220-222.

[3] ANTONIA S, LINNO G.Control of hybrid electric vehicles [J].IEEE Control Systems Magazine,2007,26(4):61-70.

[4] SCHOUTEN N J, SALMAN M A, KHEIR N A.Energy manage -ment strategies for parallel hybrid vehicles using fuzzy logic [J].Control Engineering Practice,2003, 11(2):171-177.

[5] LANGARI W J.Intelligent energy management agent for a parallel hybrid vehicle[J].IEEE Transactions on Vehicle Technology, 2005, 54(3):925-934.

[6] 李相哲,蘇芳,林道勇.電動汽車動力電源系統[M].北京:化學工業出版社,2011:9.

The Power Distribution Control Method Research for the Hybrid Electric Vehicles

Niu Jing1, Lin Cheng2
( 1.Tianshui Normal University, Gansu Tianshui 741000；2.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081 )

Abstract:Study on the series, parallel, hybrid-type three types hybrid electric vehicles, according to their different structural characteristics, stating from the vehicle power flow analysis, a detailed study of the power distribution control method for a hybrid vehicle is finished.The development strategy of the hybrid electric vehicle controls in the future is indicted according to the fuel economy, emissions, drivability, driver intensions and other requirements.

Keywords:Power Distribution; Control Method; working modes

基金項目：國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目2006AA11A192

作者簡介：牛晶，講師，碩士學歷，就職于天水師范學院。研究方向為電驅動系統，車輛動力學。

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-109-04