混合動力汽車動力系統和策略研究發展現狀

唐建鵬 秦高林 段俊法

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

混合動力汽車動力系統和策略研究發展現狀

唐建鵬 秦高林 段俊法

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

動力系統的組成和能量流控制策略是混合動力系統研究的重要內容，決定了能量傳輸的效率、可靠性及整車成本。通過調研文獻，本文討論動力系統組成型式的特點及發展，并對混合動力系統能量流控制的策略進行分析和比較，指出當前混合動力動力系統組成方式及控制策略發展面臨的主要問題，以及動力系統組成和控制策略的優化及發展方向。

混合動力汽車；動力系統；結構型式

能源緊缺和環境污染已經成為當今世界面臨的兩大問題，世界各國政府和學者已經提出眾多的方法以解決由汽車行業造成的能源危機和環境污染問題。汽車應用產生的燃油消耗和排放污染加劇了能源和環境問題，發展新能源汽車對于應對能源和環境問題具有重要意義［1］。

新能源汽車主要包括純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力汽車等。其中純電動汽車和燃料電池電動汽車最為清潔，無污染，但電池和燃料電池技術復雜、使用壽命短、制造成本高、能量密度低，很難在短時間內得到普遍應用［2，3］。

混合動力汽車兼具傳統汽車和純電動汽車的優點，具有較強動力性和低污染的特點，并且整車成本遠低于純電動汽車，被認為是實現當前節能減排目標最具發展前景的技術。動力系統的匹配形式及能量管理控制策略決定了混合動力汽車的節能、環保性能的優劣，因而得到了研究者的廣泛關注。

1 動力系統的發展現狀

在混合動力汽車的發展歷程中出現過多種不同的動力系統耦合方式，按照能量流的傳輸路徑，通常可分為串聯式、并聯式、混聯式和復合式4種類型［4］。

串聯式混合動力系統通常由發動機驅動發電機產生電能，電能經功率轉換器后通過電動機驅動車輪，多余的電能可以存儲到電池組中。這種系統的能量轉換次數較多，效率較低，是一種較為低級的混合動力方式。代表車型有雪佛蘭沃藍達、寶馬i3增程版、傳祺GA5增程版。

并聯式混合動力系統包括兩套獨立的驅動系統，電機和發動機可以單獨驅動，也可以同時驅動車輪。通常動力輸出以發動機為主，所以相對于串聯式混合動力汽車，并聯式對于電機的要求比較低。該系統的能量轉換次數較少，需要通過復雜的控制策略保證能量流動和高效率，控制策略相對比較復雜，代表車型有本田飛度hybrid、本田CR-Z、本田insight。

混聯式混合動力系統比串聯式增加了發動機到傳動裝置的機械動力傳遞路線；比并聯式增加了將動能直接轉化為電能的傳輸路線，兼具串聯式和并聯式的優點，可以使發動機、發電機和電動機等部件進行更優化的配合，如此也造成其成本高、控制策略復雜，代表車型有豐田PRIUS、凱美瑞·尊瑞等。

復合式混合動力系統的電機既可以作為電動機又可以作為發電機，實現了功率流的雙向流動，且前軸和后軸可以單獨驅動，前后輪之間不需要機械傳動環節，因而效率更高。這種雙向流動的功率流可以對4個車輪均進行制動回收，大大提高了車輛的燃油利用率和燃油經濟性，當然也就有成本高、控制策略復雜的缺點。

串聯式系統技術難度較低，但能量效率很低，主流的混合動力在汽車上很少采用。并聯式系統的能量效率較高，但電池的充電不足，純電池驅動的行駛里程較短，往往需要外界電源充電，逐漸發展為插電式混合動力系統，當前應用較多。混聯式和復合式系統能夠采用靈活的策略，在絕大多數工況能獲得最優的能量效率，并保證行駛里程，因而是最有前途的混合動力系統。豐田的PRIUS采用這種系統油耗可低至3.1L/100km，但這種系統控制策略非常復雜，國內廠商還處于較低的研究和應用水平。這兩種系統的策略研究也是當前及今后一段時間主要的研究方向。

2 混合動力汽車控制策略

混合動力系統的控制核心在于保證發動機和電池驅動兩種系統的耦合，保證動力源和傳動系統總體的最優能量效率。當前，最常見的控制策略主要有基于規則的控制策略和基于最優的控制策略。

2.1 基于規則的能量管理控制策略

2.1.1 基于確定規則的能量管理控制策略。基于確定規則的能量管理控制策略包括恒溫器控制策略、功率跟蹤策略、發動機最佳工作點策略等。其中恒溫器控制策略、功率跟蹤策略是應用較多的兩種策略。

在恒溫器控制策略中，發動機一旦運轉，便一直處于其高效工作點上，而電池組通過控制發動機的開啟和關閉以保持SOC處于其預設的上下界限之間。雖然恒溫器控制策略能保證發動機—電機系統處于高效狀態，但混合動力汽車的整體系統效率較低。此外，要求電動機和電池組具有較強的性能表現以滿足不同運行工況對能量的需求。所以，恒溫器控制策略主要用于串聯式混合動力汽車［5］。功率跟蹤策略以發動機為主要能量提供源，發動機盡可能工作在其最佳工作曲線上，而電機提供額外的能量并保持電池的SOC狀態。相較于恒溫器控制策略，功率跟蹤策略提高了整體系統的效率，并提高電池組和其他電氣設備的使用壽命。功率跟蹤策略也主要用于串聯式混合動力汽車，但也在少數并聯式和混聯式混合動力汽車中得到應用［6］。為了克服恒溫器控制策略和功率跟蹤策略的缺點，進一步提高串聯式混合動力汽車的燃油經濟性，提出結合恒溫器控制策略和功率跟隨控制策略的混合恒溫器控制策略［7］。

對于基于確定規則的能量管理策略，由于其規則是確定的，其缺乏對不同工況的適應性且易受不確定性因素的影響。

2.1.2 基于模糊規則的能量管理控制策略。模糊規則控制策略是對確定規則控制策略的一種延伸。這種策略是把人們的常識和推斷進行收集整合，并提供可控系統的定性描述。這就解除了確定規則控制策略對控制系統中精確數學模型的依賴。早在1998年，作為模糊規則控制策略的先驅，Baumann［8］、Sul［9］等提出了應用于并聯式混合動力汽車的基于模糊規則的轉矩控制策略。之后基于模糊規則的能量管理控制策略也被應用于串聯和混聯式混合動力汽車［10］。

由于模糊規則是根據人們的經驗推斷出來的，這就決定了它并不能保證良好的控制性能。為了更好地提高燃油經濟性和排放性能，將比例因子法、遺傳算法、粒子群優化法和蜂群算法用以優化模糊規則。然而，上述優化程序是建立在特定的行駛循環基礎上的。為了進一步提高基于模糊規則的能量管理控制策略的魯棒性和適應性，自適應神經模糊推理系統被應用于控制策略以提高其駕駛循環改變引起的魯棒效應。

2.2 基于最優的能量管理控制策略

2.2.1 全局優化控制策略。基于全局最優的能量管理控制策略是以給定循環工況下的燃油經濟性或者排放性能達到最優為目標。這種技術依賴于駕駛循環的先驗知識；此外，其運算量要比基于規則的控制策略的運算量大。盡管其預見性差，計算復雜，但基于全局最優的控制策略仍然是研究最多的能量管理控制策略。解決上述問題常見的方法有兩種：第一，把能量管理問題轉化為動態非線性約束優化問題，又稱最佳控制問題，可以通過動態優化方法進行解決；第二，優化基于規則的控制策略參數，則能量管理問題便成為參數優化問題，也被稱為靜態優化問題，可以通過靜態優化方法得到解決。

對于動態優化方法，動態規劃理論（DP）和龐特里亞金極小值原理（PMP）是研究最為廣泛的兩種數學方法。20世紀50年代，貝爾曼為解決非線性動態系統的優化控制問題提出了動態規劃。動態規劃通過依次將原始優化問題離散化而把動態優化問題分解為一系列子問題，優化控制可以通過逆序求解子問題而得以實現。所以，動態規則（又被稱為確定性動態規劃，DDP）要求完整駕駛循環的先驗知識。由于HEV傳動系統的非線性特性，DDP要求近似的數值解。最常用的近似法有量化和插值。所以，確定性動態規劃的優化以及其計算量與網格密度有直接關系，而且其優化性能與計算量之間要有一定的權衡。盡管對駕駛循環的依賴性和眾所周知的“維數災難”限制了確定性動態規劃在HEV瞬時控制系統中的應用，但從其衍生出的全局最優仍然得到很多研究者的關注。如張炳力等［11］采用離散動態規劃法對并聯式混合動力汽車進行仿真計算。歐陽易時、張平平、趙韓等［12］應用動態規劃算法最優目標函數進行求解。龐特里亞金極小值原理是另一種基于優化控制理論的優化算法，是從古典變分法引申而來的。

2.2.2 瞬時優化控制策略。瞬時優化控制策略使發動機工作在最優工作曲線上，然后對混合動力汽車在某種特定工況下的整體優化目標進行優化。常見的整體優化目標有名義油耗和功率損失等。其中研究較多的瞬時優化策略方法有等效燃油消耗最少法（ECMS）、功率損失最小法等。等效燃油消耗最少法是Paganelli等［13］提出的以名義油耗最優為控制目標的控制方法，這種方法將電動機的電消耗量轉化為等效的發動機燃油消耗量。在某一工況瞬時，以保證系統在該時刻名義燃油消耗最小為目標，確定電動機及發動機的工作點，進而實現對發動機和電動機轉矩的合理控制。由電動機電量的消耗向發動機油耗轉化的當量因子很大程度上決定了控制策略的優劣。當量因子的優化受到駕駛循環、電池組SOC以及電路中電流的流向等諸多因素的影響，因此當量因子的確定成為ECMS算法的關鍵，并得到學者們的廣泛研究。

2.3 能量管理控制策略的發展前景

由于基于規則的控制策略較為容易實現，所以它是最早實現商業應用的能量管理控制策略，但是這種策略并不能給出最優的解決方案。雖然基于最優的能量管理控制策略通過優化控制理論克服了基于規則的控制策略的一些缺點，但是仍未能很好地解決實時控制系統的瞬時優化控制問題。

首先，現存的各種控制策略都受到駕駛循環的影響，工況識別和工況預測是提高HEV控制性能最有前景的解決方案。工況識別和預測算法將會增加控制策略的計算量，并且可能會增加一些不確定因素的干擾。因此，簡單實用高效而又有較強魯棒性的工況識別和預測算法是HEV能量管理控制策略的一個重要研究方向。

其次，目前多數控制策略可行方案中都是以實現燃油經濟性為唯一目標，只有少數策略的研究兼顧了車輛的排放性能和操控性能，然而這些性能指數也只是以權重的方式加入到優化問題中。因此，綜合優化問題也應得到進一步研究。

最后，計算的復雜性和控制策略的優化之間的折中也是受到廣泛關注的問題之一。多數控制策略算法都是以犧牲優化性能為代價的簡化算法。云計算或者不影響現存控制策略優化性能的新的簡化算法也非常值得關注。

3 結論

①串聯式混合動力系統在當前混合動力汽車中較少使用，插電式并聯混合動力系統應用較多，但混聯式和復合式混合動力系統更具發展前景。

②工況識別和預測算法對控制策略的優化更具深遠意義，值得研究者們深入研究。在今后研究提高控制策略燃油經濟性的同時，應兼顧車輛的排放性、操縱性和電池組壽命。

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The Development of Hybrid Electric Vehicle Powertrain and Energy Management Strategy Research

Tang JianpengQin GaolinDuan Junfa
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011）

The composition of powertrain and the energy management strategy are the important contents of hybrid power system,it determines the efficiency of energy transfer,reliability and cost.Through research literature,the characteristics and development of powertrain components were discussed,the control strategy of energy flow control of hybrid system was analyzed and compared,the main problems in the development of hybrid power system and its control strategy were pointed out,and optimization and development direction of powertrain components and control strategies were revealed.

hybrid electric vehicle；powertrain；powertrain

U469.7

A

1003-5168（2017）05-0066-03

2017-04-15

唐建鵬（1990-），男，碩士，研究方向：混合動力汽車。