并聯混合動力汽車控制策略比較研究

王虎++++高曉珍

摘 要：根據不同控制方法的仿真控制效果和運行效率，分析了它們的優缺點，提出模糊控制方法具有適應性強、運行效率高、實時性好和魯棒性強等優點，可作為并聯混合動力汽車優先選擇的控制策略。

關鍵詞：混合動力汽車結構；控制策略；結果

一、并聯混合動力汽車結構

并聯混合動力汽車的結構與傳統汽車差異不大，主要是動力系統，傳統汽車的能量流動是單方面的油箱流入發動機，再通過傳動設備驅動車輪。而并聯式混合動力汽車的能量流動則有兩方面，一是由油箱流入發動機，二是由蓄電池流入電動機，再通過并排的傳動裝置，一起驅動車輪運轉。由于，動力系統具有差異，所以控制策略上也會有所差別。

二、不同控制策略比較

并聯混合動力汽車采用的控制方法有基線控制、模糊控制、實時最優控制等。為比較各控制方法的性能，模擬計算用到的汽車基本參數如下：汽油機功率41kW/6000rpm，電機峰值功率75 kW/4000rpm， m = 1350 kg， 12V26Ah-VRLA電池，車輪半徑r = 0.28 m，滾動阻力系數f = 0.008，迎風面積A = 2 m2，風阻系數Cd= 0.335，扭矩耦合比ic= 1.73。

（一）基線控制策略（ BCS）

基線控制實際是一種固定的門限值控制方法，即根據不同工況來決定發動機和電機的運行狀態，并將發動機和電動機的運行參數控制在有限區域內，以實現不同的控制目標。在基線控制中，電機在以下幾種情況下工作：

1、當汽車速度小于最小設定車速時，關閉發動機，電動機提供全部的驅動力矩；

2、在發動機工作區，如果汽車需求的驅動力矩大于發動機能夠提供的最大驅動力矩，此時，電動機提供驅動力矩不足部分來滿足汽車動力性要求；

3、在給定發動機轉速時，如果發動機工作在低效區，關閉發動機，由電動機提供汽車所需的驅動力矩；

4、當電池組的荷電狀態state of charge（SOC）低于下限值時，發動機將提供額外扭矩來驅動發電機為電池組充電，以維持電池組要求的SOC狀態。

（二）實時適應控制策略（ RTCS）

發動機的轉速和扭矩工作范圍較寬，其燃油經濟區域與最低排放區不同，并且排放物NOX、HC和顆粒PM最低值的發動機工作區域也各不相同。為了獲得理想的整車性能，必須折中處理燃油經濟性和排放之間的關系。當汽車工況發生變化時，按照傳統的固定閾值控制方法，要找到滿足性能要求的最佳工作點比較困難。實時適應控制就是根據發動機的經濟性和排放運行特點，利用最優控制原理，折中考慮燃油經濟性和各排放物的特點，建立相應的目標函數，并使目標函數值最小來實現燃油消耗和各排放物都較少的目標。

（三）模糊控制策略（ FCS）

模糊控制實際上是基于知識庫的一種智能控制方式，控制效果與專家經驗和知識的提煉準確程度有很大關系。由于混合動力汽車動力傳動系統具有較強非線性和時變的特點，用線性系統控制方法難于實現理想的控制效果。而模糊控制具有無需建模和對時變系統適應能力強的特點，因此，在汽車系統控制中得到廣泛應用。

三、仿真結果比較

為評價各控制方法的相對性能，下面給出了不同駕駛循環下燃油經濟性和排放的仿真結果。所選的測試工況是汽車獲得歐美經濟性和排放認證的標準駕駛循環：

· FTP（ Federal Test Procedure）循環

· HWFET （Highway Fuel Economy Test） 循環

· NEDC （New European Driving Cycle）循環

（一）工作點區域及基本性能比較

三種控制策略都能根據汽車實際工況要求很好地分配發動機和電機之間的功率（或扭矩），滿足汽車的動力性和經濟性。在三種策略控制下，模糊控制使發動機的負荷率最高，最靠近最低油耗曲線，基線控制次之，實時最優控制最低。在FTP循環下，它們的循環百公里油耗和0～100km/h加速時間。盡管實時適應控制使發動機負荷率僅有20%，但它按全局最優原則進行控制，不僅保證了排放最低，而且使整車燃油消耗也最少，循環百公里油耗僅有3.1L/100km。由于發動機的低速小負荷油耗高和效率低的特點，在實際應用中希望發動機的負荷率盡量高一些，最好靠近最低燃油消耗曲線，并且使發動機轉速位于經濟轉速區。

（二）各控制方法運算效率比較

多目標優化控制消耗的時間比模糊控制和基線控制長得多，這正是限制它在混合動力汽車控制中實際應用原因。模糊控制所用的時間只比基線控制多一點，卻有基線控制沒有的控制效果和靈活性，這些優點促使它在控制領域的廣泛應用。

（三）模糊控制與基線控制結果比較

模糊控制和實時最優控制的結果與基線控制結果的比值基本一致，某些數值差異較大是由于各控制策略本身對不同指標折中考慮程度不同所致；但模糊控制與實時最優控制相比，各項性能指標均比實時最優控制的高，這也說明模糊控制在優化控制方面相對粗略。

（四）排放性能比較

基線控制策略相對粗放，發動機工作區域較寬，轉速范圍波動較大，三種主要排放物排放量相對最高；模糊控制工作時將發動機的工作點控制在經濟油耗區或高效區，發動機工作點波動相對較小，各種排放物排放量相對較小；實時適應控制將各排放目標作為控制系統的優化參數，通過最小化目標函數得到的控制命令兼顧汽車動力性、經濟性和排放，使其在三種策略中控制效果最佳，實現系統的最優控制。

參考文獻：

[1]熊安勝.并聯混合動力汽車控制策略[J].湖南農機，2014（5）：100-100.endprint