淺析行駛自適應的PHEV能量在線實時優化控制

王偉光

摘 要：隨著科技和經濟的發展，全國私家車汽車保有量正不斷增加，與此同時石油消耗量也在不斷增加，新能源汽車開發迫在眉睫。插電式混合動力電動汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）作為傳統汽車向純電動汽車轉型的過渡產品，逐漸被人們所關注。本文通過分析PHEV汽車的各部件結構關系及其工作原理，建立了模型，清晰的表述了汽車發動機、電動汽車的電動發電機和電動汽車電池組之間的功率流的轉換關系，并建立了汽車在行駛工況自適應的能量在線實時優化控制仿真模型，為PHEV的能量優化提供理論基礎。

關鍵詞：PHEV;能量控制;工況預測

中圖分類號： TP393 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-141-4

0 ?引言

PHEV有兩種動力源，分別是發動機和電動機，兩種動力可以同時為車輛提供驅動力，也可以分別獨立為車輛提供驅動力，因此在不影響駕駛性能和安全性能的前提下，如何根據車輛功率需求科學的分配兩種動力源的功率分配是決定整車的燃油經濟性的決定性因素，也是PHEV的核心。

1 ?PHEV的分類

PHEV是在HEV的基礎上進行[項目：山東省高等學?？萍加媱濏椖浚ň幪枺篔16LB66）;項目名稱：插電式并聯混合動力汽車能量控制策略研究]改進，增大了電池的容量并增加了一套為車載電池充電的外界充電裝置。根據PHEV的動力系統的結構，可以將PHEV分為串聯式驅動模式、并聯式驅動模式和混聯式驅動模式三種。

1.1 串聯式的驅動模式

串聯式結構的動力系統的主要零部件有汽車發動機、發電機、電動機、鋰電池組和外接充電器。[1]由汽車發動機消耗燃油產生機械能，帶動發電機發電，發電機所發出的電能供給電動機驅動車輛或存儲到動力電池組中，車輛所需動力全部由電動機提供。其連接方式如圖1所示。

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圖1 ?串聯式結構

串聯式結構具有運行效率高，結構簡單，開發成本低等優點，但對發動機、發電機和電動機的額定功率和最大功率有較大的要求，需要較大的安裝空間，且發動機的能量需要轉換兩次，能量損耗較大，能量的利用率較低。該結構適用于多行駛在道路復雜的城市工況的大型公交車和客車。

1.2 并聯式的驅動模式

并聯式結構的主要零部件有汽車發動機、蓄電池組、電動機和外接充電器。并聯式結構車輛的驅動動力可以由發動機和電動機同時提供，也可以由汽車發動機或電動機單獨提供。其結構如圖2所示。當處于爬坡工況時，需要較大的驅動力，需要的功率也較大，主要由汽車發動機提供驅動力，電動機提供輔助動力;當處于平坦工況或低速行駛時，需要驅動力較小，需求功率也較小，這時可以關閉發動機而僅由電動機來驅動車輛，減少發動機工作時間。通過變換驅動方式來使發動機保持高效工作，提高燃油利用率，降低燃油浪費。

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圖2 ?并聯式結構

并聯式結構具有較高的可靠性，當一個動力源出現故障時可以切換到另外一個動力源來驅動車輛，并且對電池容量及電動機功率要求較低，可以降低開發成本。其缺點是其結構與串聯式相比較為復雜，整車布置難度較高，當行駛在工況變化較多較快的路段時，無法保證發動機高效運行。該結構適用于在高速公路上行駛，發動機工作穩定的小型車。

1.3 混聯式驅動模式

混聯式結構既有串聯式驅動系統的優點也具有并聯式驅動系統的優點。其結構如圖3所示。該結構既可以根據不同的工況需求自由切換串聯模式或并聯模式。此外，該結構在發動機、發電機、電動機和電池的布局上要求較低，可以保證各動力系統處于最佳工作狀態，可以明顯降低燃油消耗和二氧化碳的排放，達到節能減排的目的。混聯式結構零部件較多，動力系統非常復雜，對能量控制策略的要求較高。

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圖3 混聯式結構

2 ?PHEV的關鍵技術和關鍵零部件

PHEV結合了將傳統汽油汽車的發動機技術、純電動汽車的電池、發電機技術、電動汽車電池充電技術、電池管理系統、電驅動系統等，通過電動機來降低燃油消耗，達到經濟燃油的目的。

整車能量控制是根據整車行駛時的能量需求，優化匹配各部件參數來控制發動機和電動機的動力輸出的控制策略，也是PHEV的重點研究對象。

3 ?PHEV新結構與工作原理

混聯式結構包含了并聯式、串聯式的優點并已經應用于市場，豐田普銳斯混合動力電動汽車應用了混聯式結構。[2]PHEV混聯式結構系統是采用行星齒輪作為動力耦合器，實現發動機、兩個電動發電機的連接，動力系統連接方式如圖4所示。主要參數如表1所示。

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圖4 ?豐田普銳斯混合動力電動汽車結構圖

從圖4中可以看出，不同工作模式切換是通過兩個離合器來實現。當發動機離合器分離軸承分離，電動機離合器壓盤結合，電動發電機作為電動機時直接驅動車輪，提供動力輸出;當發動機離合器壓盤結合，電動機離合器分離軸承分離，發動機以消耗汽油來轉化為機械能，一部分可通過行星齒輪的傳遞驅動車輪，提供動力輸出，另一部分機械能帶動發電機發電為鋰電池提供電能充電。[3]

表1 ?PHEV主要參數

[部件＼&內容＼&參數＼&整車＼&類型＼&SUV＼&發動機＼&類型

峰值功率＼&汽油發動機5.8L

250kW 5400r/min＼&電動機＼&類型

峰值功率＼&交流永磁同步電機

70kW 41000r/min＼&發動機＼&類型

峰值功率＼&交流永磁同步電機

70kW 41000r/min＼&電池組＼&類型

額定容量

額定電壓

重量＼&鋰離子電池

10kW

240V

85kg＼&]

4 ?PHEV驅動能量優化控制

PHEV的驅動方式為電池電動機或發動機單獨驅動車輛，或兩者同時驅動車輛對驅動能量進行控制的優化結果決定了PHEV能量利用率。目前對于能量控制全局優化的方法都是在已知路況的前提下，對能量控制進行離線優化，對在線實時優化控制還缺少有效的優化方法。本文從能量流動的角度，對再生制動能量和驅動能量的分配方式進行優化，并釆用DP算法對驅動能量進行全局離線優化，以電池電動機和發動機功率最優解來保證車輛駕駛性能，使燃油經濟性達到最佳。

5 ?DP控制策略研究

DP理論的優化原理是對復雜的問題進行分組，將復雜的變量拆分，將復雜的多變量的關系轉化為簡單的單變量問題，本文利用DP理論對PHEV驅動能量優化控制進行拆分簡化，分解多階段的過程，分段求解即可得到問題的全局極大或極小值。通過正序和逆序兩種尋優方式進行尋優，當已知初始狀態時，用逆序的方式逆向求解;當終止狀態給定時，用正序的方式正向求解。

本文以PHEV混聯式結構汽車在行駛過程中電池的充放電為研究對象，利用DP理論進行優化。鋰電池的充放電參數為已知的初始條件，因此需采用逆序的尋優方式。[4]具體優化過程如下： 首先根據時間順序將整個工況過程劃分為n段，每階段都由發動機或電動機單獨或共同提供，從終點（第n段）從后向前尋優，至向始點（第1段）尋找全局的極小或極大值。以第k段為例，根據該段發動機和電動機提供的驅動能量值作為變量dk，得到該段的能量消耗值k。再對所有階段的能量消耗求解，其中最優的k值即為車輛行駛中的最優解。如圖5所示。

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圖5 ?DP尋優流程

6 ?目標函數的構造

將已知整個工況的時間段t，離散化成n個時間點，即

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式中N表示自然數。

在每一時間段k（0≤k≤n）讓發動機的輸出功率△P從0趨向與Pr，電動機的輸出功率則由Pr趨向0。所有時間段內每一時刻的輸出總功率組成一個燃油消耗矩陣，對每一時刻的燃油消耗率mf（k）構成整個過程的燃油消耗，即

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PHEV的目標是以最小的燃油消耗為車輛提供足夠的驅動力，即

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PHEV能量優化控制的函數具有離散性，屬于非線性函數。根據函數找出矩陣中的最小值即為燃油消耗最少的時刻所對應的輸出功率，得到最優解。燃油消耗率矩陣與電池剩余容量的關系如圖6所示。

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圖6 ?DP優化過程

7 ?PHEV能量在線實時控制策略

車輛能量控制隨工況的變化而變化，且受工況影響很大。目前大多優化是根據已知工況的離線信息來優化能量控制，對于實時動態控制還沒有較好的控制策略。本文都通過DP理論來優化在線實時控制策略。

7.1 PHEV能量實時優化控制流程圖

基于DP的PHEV能量實時優化控制流程，如圖7表示。圖中調用子融合網絡得到發動機和電池的輸出功率部分調用基于DP優化結果訓練得到的融合網絡。

7.2 PHEV能量在線實時控制的仿真實驗

以豐田普銳斯混合動力電動汽為研究對象，對高、中、低速擋3種工況，運用DP算法進行優化。[5]對PHEV能量在線實時控制進行實車驗證，汽車發動機參數如表1。優化結果如表2、表3、表4。

8 ?結論

本文分析了PHEV結構及工作原理，對PHEV的關鍵技術能量控制策略和關鍵零部件發動機、電動機的功率優化控制進行了介紹，基于DP理論提出了在線實時能量控制優化的仿真模型，通過模型對不同工況下PHEV能量在線控制優化進行驗證，為商用PHEV的能量在線實時優化控制提供了新的方法。在石油消耗量日益增加的情況下，PHEV的能量控制優化，是提高燃油經濟性的重要途徑，是汽車相關科研的主要努力方向。

參 考 文 獻

[1] 鄧堅，江慧，全書海.電動車電池管理系統軟件設計與SOC預測研究[J].儀表技術，2010（12）.

[2] 馮連勇，王建良，趙林.預測天然氣產量的多循環模型的構建及應用[J].天然氣工業，2010（07）.

[3] 岳仁超，王艷.電池管理系統的設計[J].低壓電器，

2010（11）.

[4] 趙廣俊，呂建剛，宋彬，劉云.履帶車輛液壓儲能式制動能量再生系統建模與仿真分析[J].機電工程，2010（03）.

[5] 林海軍，滕召勝，遲海，吳陽平，唐立軍.基于多傳感器相關性的汽車衡智能容錯方法[J].儀器儀表學報，2009（11）.