混合動力汽車的控制策略

胡紅霞

北汽福田汽車股份有限公司 北京市 102206

近年來，隨著現(xiàn)代交通系統(tǒng)的不斷完善，汽車已經(jīng)成為人們出行的首選。電動汽車作為一種承載清潔能源、環(huán)境友好、自然消耗率低的新興汽車，已經(jīng)吸引了許多企業(yè)。如今，混合動力汽車的發(fā)展如此之快，以至于許多汽車制造商將其視為公司發(fā)展的一個新的戰(zhàn)略位置。混合動力電動汽車具有豐富的產(chǎn)品類型，根據(jù)其運(yùn)作原理和結(jié)構(gòu)的不同，一般有串聯(lián)、并聯(lián)以及混合型。本文主要分析了混合動力車的分類和控制策略。

1 混合動力汽車的分類

混合動力汽車是指汽車上同時裝備有電力驅(qū)動系統(tǒng)和輔助動力單元的車輛。混合動力電動汽車結(jié)合了原動機(jī)、電動機(jī)和能源存儲設(shè)備，將這些結(jié)構(gòu)靈巧地組合在一起，在互不干擾的前提下發(fā)揮出動力混合的優(yōu)勢，讓汽車能夠優(yōu)先選擇最佳的頻率，與此同時還能減少氣體污染，具有最實(shí)用的低排放和低油耗汽車的發(fā)展意義。目前，全世界都在致力于開發(fā)不同結(jié)構(gòu)形式的混合動力汽車。下面我們分析混合動力車內(nèi)部驅(qū)動結(jié)構(gòu)的三種基本類型。

1.1 串聯(lián)系統(tǒng)

這類結(jié)構(gòu)中的電力驅(qū)動系統(tǒng)和輔助動力單元是由原動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的。驅(qū)動的一系列裝置是遞進(jìn)作業(yè)的關(guān)系，發(fā)電機(jī)先進(jìn)行發(fā)電，然后電能流經(jīng)控制器使電機(jī)運(yùn)作起來，汽車即可啟動。串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電池可以控制機(jī)器的功率，對其工作狀態(tài)加以平衡，讓輸入輸出的功率處在合理的范圍內(nèi)，保障機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行。比如發(fā)電機(jī)發(fā)電量超出了預(yù)期，那么多余電量就能被電池吸收，變相給電池充電；發(fā)電機(jī)不足時，電池則會釋放電能，補(bǔ)足發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，讓機(jī)器能夠正常運(yùn)行，確保了系統(tǒng)的平衡。輔助動力設(shè)備與系統(tǒng)電機(jī)之間沒有機(jī)械連接，這樣可以大大提高汽車結(jié)構(gòu)擺放的組合類型，根據(jù)個人需要能靈活地做出調(diào)整；但控制系統(tǒng)也相應(yīng)的沒有較好的能量傳輸，需要進(jìn)行多次的能量轉(zhuǎn)換，缺乏效率，汽車的最遠(yuǎn)單程行駛距離也會受到影響。

1.2 并聯(lián)系統(tǒng)

這類系統(tǒng)中，汽車驅(qū)動裝置運(yùn)行不再是遞進(jìn)關(guān)系，而是具備共同作業(yè)的能力，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)可以同時啟動，這兩者都能互相輔助，并且具有獨(dú)立驅(qū)動汽車的功能。較之串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，發(fā)動機(jī)能夠直接讓汽車運(yùn)行起來，不需要再層層遞進(jìn)，浪費(fèi)能量傳輸，起到了節(jié)能的功效。正因并聯(lián)系統(tǒng)有此特點(diǎn)，所以從經(jīng)濟(jì)價值的角度考慮，選擇幾率會高一些。平行傳動系統(tǒng)非常適合城際公路和高速公路，使得汽車能夠穩(wěn)定地行駛。因?yàn)橐娌⑿序?qū)動系統(tǒng)的狀況是影響汽車的駕駛條件，它是不適合汽車的駕駛條件的情況發(fā)生了很大變化。與串聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，傳動機(jī)制更加復(fù)雜，因?yàn)樾枰淖兯傺b置和動力復(fù)合設(shè)備。與串聯(lián)式比較，并聯(lián)式可以使得汽車的行駛里程更長，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，要求相對更高，成本也就更高。

1.3 混聯(lián)系統(tǒng)

顧名思義，這類系統(tǒng)是將上述串并聯(lián)的形式結(jié)合在一起的驅(qū)動系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的一部分動力傳遞到驅(qū)動橋上，另一部分動力用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能傳遞給電機(jī)或電池，電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力通過功率復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動橋。混聯(lián)系統(tǒng)工作時，根據(jù)汽車行駛時的速度變化，會對內(nèi)部驅(qū)動方式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最大化節(jié)省燃油效率。比如當(dāng)汽車行駛速度較低時，控制串聯(lián)系統(tǒng)工作；汽車行駛速度較快時，控制并聯(lián)系統(tǒng)工作。可以看出混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)更加符合新時代發(fā)展的需要，讓汽車能夠最大化的發(fā)揮出性能，但相對來說具有更高的工藝要求，無論是制作還是維護(hù)都需要專業(yè)的技術(shù)。混聯(lián)系統(tǒng)還有一個關(guān)鍵優(yōu)勢，它能夠讓發(fā)動機(jī)始終處于最佳的作業(yè)狀態(tài)，并且可以自動關(guān)機(jī)，這樣可以讓汽車隨時實(shí)現(xiàn)低排放、超低油耗，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。

2 混合動力汽車的控制策略

上述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行簡述之后，如何進(jìn)行控制策略的優(yōu)化，是我們著重討論的話題。出于汽車行駛時節(jié)能減排的目的，在保證汽車正常駕駛功能和前提下，將成本控制在合理范圍。具體制定控制策略時，還要根據(jù)每個地區(qū)的特征和車輛運(yùn)行狀態(tài)，對汽車內(nèi)部串并聯(lián)以及混聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，讓發(fā)電機(jī)和電動機(jī)處在最節(jié)能和最效率的工作狀態(tài)。

控制策略在實(shí)際工作中一般分為兩種：直接法，直接將優(yōu)化目標(biāo)表示為系統(tǒng)狀態(tài)變量、控制變量等的函數(shù)；間接法，即最小損失法，通過計算各部件在當(dāng)前驅(qū)動條件下的效率，可以確認(rèn)其所在的工作系統(tǒng)的整體能量損耗。損耗最小的狀態(tài)變量是當(dāng)前驅(qū)動條件下應(yīng)選擇的狀態(tài)變量，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電池放電電流等。驅(qū)動條件通常用傳動軸的扭矩和轉(zhuǎn)速來表示。

2.1 串聯(lián)式混合動力車的控制策略

內(nèi)部串聯(lián)的控制系統(tǒng)，只牽扯到能量的損耗，與汽車的行駛路況無關(guān)，所以控制策略的主要思想是控制發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)效率區(qū)和排放區(qū)。相應(yīng)的，為了確保優(yōu)化策略能發(fā)揮出應(yīng)有的功能，我們要結(jié)合發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的啟動、電池的傳輸功率等多個因素，務(wù)必提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體的效率。串聯(lián)式混合動力汽車具有以下基本控制模式。

2.1.1 恒溫器控制模式

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）下降到設(shè)定的低閾值時，發(fā)動機(jī)啟動并在最低油耗或排放點(diǎn)輸出恒功率。部分電源用于滿足車輪驅(qū)動電源的要求，另一部分用于給電池充電。當(dāng)電池組的荷電狀態(tài)上升到設(shè)定的高閾值時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)驅(qū)動車輪。此類控制方式，對電池具有較高的要求，各類瞬時功率電池都要能瞬間達(dá)到。但長期作業(yè)時，電池的這類循環(huán)充放電會不可避免地對其造成損耗，進(jìn)而影響車輛的行駛效率。

2.1.2 功率跟蹤式控制模式

采用這類模式進(jìn)行控制，要根據(jù)電池的荷電狀態(tài)確定發(fā)動機(jī)的開關(guān)狀態(tài)和輸出功率的大小，目的是滿足設(shè)備的功率需求。當(dāng)發(fā)動機(jī)的功率需求小于輸出功率時，將發(fā)動機(jī)的輸出功率調(diào)節(jié)到最小值。當(dāng)荷電狀態(tài)高于下限值時，整車總需求負(fù)荷不超過電池容量，但超過發(fā)動機(jī)的最大功率，則需要將發(fā)動機(jī)輸出功率調(diào)整到最大。發(fā)動機(jī)的功率緊跟車輪功率的變化，這與傳統(tǒng)的汽車操作類似。通過這種控制策略，電池的工作周期將會消失，與充放電相關(guān)的電池組損耗將會減少到最小。但發(fā)動機(jī)必須在整個負(fù)荷區(qū)域內(nèi)從低到高運(yùn)行，發(fā)動機(jī)功率變化快、動態(tài)大，會影響發(fā)動機(jī)的效率和排放性能。解決的辦法是采用自動無級變速傳動（CVT）無級變速器，控制發(fā)動機(jī)沿最小油耗曲線運(yùn)行，這樣同時減少了HC和CO的排放量。

2.2 并聯(lián)式混合動力車的控制策略

采用這類結(jié)構(gòu)的車輛，其內(nèi)部一般配備有兩套獨(dú)立的傳動裝置來驅(qū)動車輛運(yùn)動。它有三種不同的工作模式：發(fā)動機(jī)可以讓汽車啟動，電動機(jī)也可以直接讓汽車啟動，兩個電機(jī)聯(lián)合進(jìn)行汽車驅(qū)動。并聯(lián)混合動力電動汽車作為一種電力作為輔助動力燃料的汽車，當(dāng)電源提供的功率大于正常運(yùn)行所需的能源和汽車的制動，發(fā)電機(jī)發(fā)電，引擎提供的剩余能量存儲到電池。當(dāng)車輛處于加速或爬坡狀態(tài)時，需要較大的驅(qū)動力。發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同工作，以保證車輛所需的驅(qū)動力。當(dāng)車輛處于低速工況，如城市工況時，由于發(fā)動機(jī)無法在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域內(nèi)工作，發(fā)動機(jī)提供了車輛的驅(qū)動力。并行混合動力汽車的控制策略包括邏輯門控制策略、瞬時優(yōu)化策略、全局優(yōu)化策略和智能算法。本文主要介紹了瞬時控制策略和全局最優(yōu)控制策略。

2.2.1 瞬時控制策略

通過實(shí)時計算瞬時油耗率和排放的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)在不同功率分布組合和不同的工作分，電動機(jī)的等效燃油消耗和實(shí)際發(fā)動機(jī)的燃油消耗統(tǒng)稱為名義的燃料消耗，以及最優(yōu)混合動力系統(tǒng)的工作模式和工作點(diǎn)確定在保證最低的前提下名義燃料消耗。具體如下，在某一時刻將能量轉(zhuǎn)化成為發(fā)動機(jī)汽車消費(fèi)的能量消耗的燃料和排放，以及制動能量的恢復(fù)和時間消耗的燃料和發(fā)動機(jī)排放和燃料消耗模型和排放模型，計算出最小值和最小條件最優(yōu)工作點(diǎn)。

2.2.2 全局優(yōu)化控制策略

利用最優(yōu)控制理論和最優(yōu)方法，提出了混合動力分配控制策略。建立了以車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放為目標(biāo)，以系統(tǒng)狀態(tài)量為約束條件的全局優(yōu)化模型，即動態(tài)最優(yōu)控制，并利用相關(guān)優(yōu)化方法計算出最優(yōu)混合分配策略。

2.3 混聯(lián)式混合動力車的控制策略

混聯(lián)式的控制策略有發(fā)動機(jī)恒工作點(diǎn)策略和發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線策略。

2.3.1 發(fā)動機(jī)恒工作點(diǎn)策略

控制策略是指車輛采用行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化對車輪速度，使發(fā)動機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，提供恒轉(zhuǎn)矩，所提供的剩余轉(zhuǎn)矩電機(jī)，由電機(jī)提供加速或爬坡時，避免動態(tài)調(diào)整損壞引擎和電動機(jī)控制更敏感、快速、困難。

2.3.2 發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線策略

使發(fā)動機(jī)工作在通用特性油耗線上，從靜態(tài)通用特性曲線出發(fā)，根據(jù)跟蹤條件確定最優(yōu)工作曲線。當(dāng)需要的功率或轉(zhuǎn)矩高于某一設(shè)定值時，發(fā)動機(jī)開始工作。當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流超過電池可接受的電流，或當(dāng)驅(qū)動電流超過電機(jī)或電池可接受的容量時，離合器分離或嚙合來調(diào)整發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，我們了解了當(dāng)前的混合動力汽車的控制策略，知道了其利弊。混合動力的控制策略不僅要達(dá)到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能和動力性能，還要適應(yīng)不同的工況和駕駛方式，同時考慮電池壽命、各部件的可靠性和整車的成本。今天的混合動力汽車變得越來越流行，人們更青睞于它的優(yōu)越性，而能量優(yōu)化控制算法的發(fā)展將進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)和混合動力汽車的動力性能，以便進(jìn)一步促進(jìn)混合動力汽車的發(fā)展。