混合動力汽車動力切換控制技術(shù)研究

鮮曉峰

摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消耗將會高速增加，環(huán)境污染會變得更加嚴(yán)重。開發(fā)新的替代能源、提高熱能轉(zhuǎn)換效率和節(jié)約能源被認(rèn)為是解決或緩解環(huán)境污染和保障能源供給的有效辦法。汽車燃油發(fā)動機(jī)是消耗礦石能源和制造環(huán)境污染的大戶，研發(fā)替代燃油發(fā)動機(jī)的新動力勢所必然。替代燃油發(fā)動機(jī)汽車的方案也越來越多，例如氫能源汽車、燃料電池汽車、混合動力汽車等。但目前最有實用性價值并巳有商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)的模式，只有混合動力電動汽車。本文介紹了混合動力汽車動力切換控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車；動力切換

1.混合動力汽車介紹

混合動力汽車故名思議指的是用電池+燃油的綜合能力作為動力，運(yùn)用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)一起配合工作。簡單來說就是將電動與發(fā)動現(xiàn)一起同時安裝在汽車上，并讓兩者可以配合、協(xié)調(diào)工作，以達(dá)到汽車行駛的目的。混合動力汽車同時具有兩種優(yōu)勢，即可保持發(fā)動機(jī)的持續(xù)時間，也可發(fā)揮電動機(jī)無污染的優(yōu)勢。最重要的一點(diǎn)就是混合動力的技術(shù)可以把能量進(jìn)行回收利用，讓能量的利用率提升到百分之九十五以上。和同等動力配置的傳統(tǒng)汽車比較，混合動力汽車在不減少動力性的基礎(chǔ)上，可提升燃油的經(jīng)濟(jì)性，并在一定程度上減少CO2和污染物的排放。

當(dāng)前全球所研制的混合動力車有多種形勢，一般可分成四種形式：串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)合、混聯(lián)式。串聯(lián)方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)連接，汽車主要是以純電進(jìn)行驅(qū)動。每種形式的特點(diǎn)是不一樣的。隨著混合動力汽車的快速發(fā)展，汽車的控制策略也變得越來越復(fù)雜，但大體可歸納為四類：邏輯門限值控制策略、模糊邏輯控制策略、自適應(yīng)控制策略和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。

2.混合動力總成分類

合動力總成按照驅(qū)動系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，可分為串聯(lián)式（兩種）、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

2.1串聯(lián)式動力由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)的方式組成SHEV的動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車。小負(fù)荷時由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。當(dāng)車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機(jī)-電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能；當(dāng)電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組缺電時則由發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組向電池組充電。

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。

2.2并聯(lián)式系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨(dú)驅(qū)動。當(dāng)汽車加速爬坡時，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)能夠同時向傳動機(jī)構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機(jī)維持該速度。電動機(jī)既可以作電動機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動-發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)可以直接通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應(yīng)用。

2.3混聯(lián)式系統(tǒng)包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)為輔助動力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為輔助動力源，電機(jī)為主動力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

3. 混合動力切換控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 混合動力汽車動力切換系統(tǒng)與車輛動力學(xué)建模

將混合動力電動汽車的發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等設(shè)備在不同的工作情況下，建立各自的動力學(xué)模型，通過轉(zhuǎn)矩模型觀測器對汽車內(nèi) 部的主要運(yùn)行設(shè)施進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控，得到相應(yīng)的動態(tài)數(shù)據(jù)變化模型，通過對發(fā)電機(jī)和電 動機(jī)的動力特性進(jìn)行專業(yè)分析，研究混合動力 電動汽車的動力切換協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的各個供 能裝置與耗能裝置之間的關(guān)系。

3.2 基于模型預(yù)測的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制

通過對混合動力汽車的駕駛狀態(tài)、動 力的切換穩(wěn)定時間和駕駛工作狀況進(jìn)行分析，得出這些因素對動力切換協(xié)調(diào)系統(tǒng)的影響，將汽車在正常運(yùn)行過程中的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償確保動力供應(yīng)穩(wěn)定的問題進(jìn)行解決，確保混合動力電動汽車的動力切換處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 混合動力系統(tǒng)動力切換動態(tài)協(xié)調(diào)控制的試驗研究

在混合動力系統(tǒng)動力切換動態(tài)協(xié)調(diào)控制的試驗研究過程中，通過進(jìn)行仿真模擬研究得到 一定的經(jīng)驗，但這種研究方式得到的數(shù)據(jù)與混合動力汽車實際使用過程中的數(shù)據(jù)之間依 然存在一定的差距，這對科研研究項目的調(diào)整提出了一定的要求。通過搭建硬件設(shè)施盡可能 的貼近混合動力汽車正式投入使用時的數(shù)據(jù)，通過驗證和修改典型狀態(tài)下混合動力系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)，研究出相關(guān)的混合動力系統(tǒng)動力協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

3.4混合動力電動汽車動力切換時的瞬態(tài)穩(wěn)定性

在進(jìn)行混合動力汽車動力切換時的瞬態(tài)穩(wěn)定性實驗時，應(yīng)考慮到混合動力汽車在正常行駛過程中的動力系統(tǒng)運(yùn)行模式和動力系統(tǒng)在運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)。在汽車正常行駛過 程中準(zhǔn)備進(jìn)行動力系統(tǒng)切換時，考慮相關(guān)數(shù)據(jù)的瞬態(tài)穩(wěn)定性問題，通過建立一個將汽車進(jìn)行動力切換數(shù)據(jù)實時記錄的動態(tài)分析模型，將汽車在各種動力切換模式工作之間的臨界值找到。掌握混合動力汽車動力系統(tǒng)的動力切換協(xié)調(diào)控制技術(shù)的過程，需要通過軟件仿真試驗對混合動力系統(tǒng)動力切換協(xié)調(diào)控制的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的對比分析，在科研項目研究后期時，要通過硬件設(shè)施對混合動力系統(tǒng)動力切換協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的試驗，從實驗中所需的零件到對整個混合動力電動汽車的試驗都要進(jìn) 行分析處理，當(dāng)經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可以 使混合動力汽車在正常路況行駛，通過施加真實的道路負(fù)載，對混合動力汽車的動力切換協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實況運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時 監(jiān)控，確保混合動力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。將混合動力汽車在進(jìn)行動力切換時的瞬態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行有效的控制，保障混合動力汽車在進(jìn)行動力切換時不會出現(xiàn)故障，確保汽車在正常行駛過程中的絕對安全。

結(jié)語

內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)結(jié)合。啟動時電動機(jī)提供額外的扭矩，協(xié)助加速；剎車或下坡時，電動機(jī)能把部分動能反過來轉(zhuǎn)換成電能，存儲到電池中。在啟動停止頻繁的市內(nèi)交通里，這樣就能節(jié)省能源。而且，在電動機(jī)的支持下，內(nèi)燃機(jī)可以盡可能多的以省油的模式以最優(yōu)化的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。為了節(jié)能和環(huán)保，替代純內(nèi)燃動力的新一代動力系統(tǒng)，與遙不可及的燃料電池車相比，混合動力是非常現(xiàn)實的選擇。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）