并聯(lián)式混合動力汽車控制策略的分析

秦嶺

摘 要 面臨能源短缺和環(huán)保污染的壓力，許多國家把發(fā)展節(jié)能與新能源汽車提升到國家戰(zhàn)略高度。現(xiàn)在人們之所以越來越偏向于購買混合動力汽車，是由于它更加的環(huán)保，排放出的污染物較少而且燃油經(jīng)濟性相對于其它轎車更高。HEV技術(shù)對汽車工業(yè)和汽車消費者來說至關(guān)重要。本文闡述了混合動力汽車的分類;著重分析了并聯(lián)式混合動力汽車的工作模式及其控制策略，并根據(jù)并聯(lián)式混合動力汽車控制策略的不同結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞 混合動力汽車;并聯(lián)式;控制策略

1 引言

汽車的發(fā)展歷史已經(jīng)超過一百年，它在人類社會的發(fā)展起著舉足輕重的作用。其發(fā)展速度的加快，和人們生活聯(lián)系越來越緊密。汽車已經(jīng)和人類的生活密切相關(guān)，它已然不是一個普通的代步和運輸工具。汽車的發(fā)展速度和科學技術(shù)的進步程度，已經(jīng)成為一個國家或區(qū)域的里程碑。但是人類在汽車的使用過程中，汽車既有優(yōu)點也有缺點，在汽車帶來方便的同時，雖然給人類帶來了經(jīng)濟效益，也給社會造成了嚴重的環(huán)境惡化和能源稀缺問題。

資料表明，燃油汽車對環(huán)境的污染占了很大的成份，它的排放包括一氧化碳，氮氧化合物等，交通業(yè)帶來的不僅僅是空氣污染還有將近83%的噪聲污染也來自于它。廢氣、噪聲以及飛揚的粉塵都是由于汽車大量使用造成的，以及環(huán)境被破壞的越來越來越厲害，現(xiàn)在許多人患的一些疾病都是由于這些原因造成的。

混合動力汽車是由電動機和發(fā)動機提供動力的，它是老式汽車和電動汽車合理的結(jié)合體。混合動力汽車的廢氣排放很低，這是最原始的汽車所不能達到的。這類車與最原始的車的性能相比較而言經(jīng)濟性要高出許多，例如它的燃油經(jīng)濟性達到了最佳的效果，排放的污染物也相對低的多。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復雜是由于它擁有好幾個電力設(shè)備，以及它的關(guān)鍵是幾種工作模式之間的變換。所以混合動力汽車的控制策略不僅是能量掌控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且也對降低油耗和排放問題起著至關(guān)重要的作用。

2 混合動力汽車控制策略概述

2.1 混合動力汽車的分類及其特點

由于其它國家研究的混合動力汽車有很多的構(gòu)造形態(tài)，按照它不一樣的驅(qū)動體系，其可以劃分成串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種方式。

（1）串聯(lián)式混合動力汽車

啟動汽車主要是通過發(fā)電機發(fā)電。汽車所需要的動力是由發(fā)動機提供的，當車輛行駛速度改變的時候，發(fā)動機的動力和電動機啟動時的動力是不相同的，電池所需的電能由發(fā)電機提供（吸取多余的能量），或電池放電到電機（幫助發(fā)電機提供電能）。由控制器依據(jù)發(fā)電機驅(qū)動功率的改變狀況對電池充電和放電電流的巨細實行掌控。

串聯(lián)方式的優(yōu)點：

①發(fā)動機和驅(qū)動輪之間沒有機械連接，所以發(fā)動機可以任何一點上工作，這樣可以有效降低油耗。

②與其它方法相比，總量控制策略較為簡單，因為發(fā)動機和驅(qū)動輪之間是靠機械解耦實現(xiàn)的。

串聯(lián)方式的缺點：

①經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，發(fā)動機產(chǎn)生的能量才能到達驅(qū)動輪，損失的能量多，效率低。

②發(fā)動機的使用增大了車輛質(zhì)量和成本。

③電動機是使車輛啟動的動力源，為了滿足汽車爬坡和加速時所需的性能要求必須擁有較大的尺寸。

（2）并聯(lián)式混合動力汽車

發(fā)動機、電動機與驅(qū)動橋的連接方式是不同的，發(fā)電機與驅(qū)動橋之間是由機械傳動裝置將它們兩者相連，而電動機與驅(qū)動橋之間的連接卻不是如此。混合動力汽車可以由這兩種發(fā)動機一起提供動力或者它們獨自提供。這類汽車的布局是一種綠色動力能源汽車可以達到污染零排放，且在低轉(zhuǎn)速區(qū)，可以使發(fā)動機與離合器分開，靠純電動的方式把汽車發(fā)動起來。

并聯(lián)方式的優(yōu)點：

①發(fā)動機能夠直接給車輛提供動力，不需要能量轉(zhuǎn)換，從而減少能源的損耗。

②一個電機既可作為電動馬達使用，也可作為一個發(fā)動機使用，而且可以采用一個較小功率的電機，降低成本。

并聯(lián)方式的缺點：

①發(fā)動機和驅(qū)動輪之間是機械連接，所以發(fā)動機的工作點不一定是在最好的區(qū)域，發(fā)動機效率不能充分發(fā)揮。

②需要搭載變速器，且適合搭載自動變速器。

③混合度較低，不便于向插電式式混合動力過度。

（3）混聯(lián)式混合動力汽車

發(fā)動機提供的動力有的用來增扭轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)矩傳遞方向，還有的用來給發(fā)電機提供動力。電機產(chǎn)生的電能傳遞到所需要的裝置;復合裝置是發(fā)動機的動力傳遞到驅(qū)動橋的橋梁。這類布局可以更好的改善汽車的完美性，但它的結(jié)構(gòu)的控制相對麻煩，設(shè)計起來比較麻煩還有造價比較高。發(fā)動機的工作沒有任何因素的影響，一直處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)或自動停止，這樣可以實現(xiàn)汽車少釋放、少消耗能量的目標，起到環(huán)境保護和減排的作用。

3 并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略

并聯(lián)式與混聯(lián)式都是為了達到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性和排放性，在理論上看似很簡單，但是由于它結(jié)構(gòu)的復雜性和控制策略還不完善，需更深層次的進行調(diào)整。

3.1 以車速為主要參數(shù)的控制策略

這種控制策略是平時最常用的，車速是其控制的目標。當速度比原來定的值小時，則是電動機驅(qū)動車輪;當速度比原來所定的速度高時，動力只需要由發(fā)動機提供;當車輪的負載過大時，則由兩者一起驅(qū)動車輪。該控制選用的是速度較低、轉(zhuǎn)矩較大的電動機，是為了避免發(fā)動機空擋滑行和發(fā)動機功率不夠的工況。在發(fā)動機高功率運轉(zhuǎn)，車速很高的情況下，發(fā)動機可以改善高速運行時電池的損耗。該控制中應該將發(fā)動機啟動時的速度設(shè)為一個固定的數(shù)值。對于電量損耗型的車輛，設(shè)定車速和汽車的行駛路程成反比關(guān)系。

3.2 以功率為主要參數(shù)的控制策略

當平均功率沒有設(shè)定值高時，汽車動力由電動機提供;當平均功率比預定值高時，這時應該由發(fā)動機提供動力。發(fā)動機的啟動應該處于換擋的時候，這樣能夠使駕駛性更加舒適。

在這兩種控制策略中，混合動力由發(fā)動機和電動機驅(qū)動。這大多發(fā)生在車輪高功率運行時，控制策略有以下幾個方面：①電動機和發(fā)動機功率將按一定比例在上升，當踩下油門踏板時，為了滿足操作員的需求。②當電動機功率達到一定負荷時，才由發(fā)動機輔助提供動力。③發(fā)動機在一個穩(wěn)定的低油耗高功率的狀態(tài)下工作，然而由電機提供所需的功率。

之所以要在控制策略中引入較先進的優(yōu)化技術(shù)是因為現(xiàn)在汽車中使用的控制策略都較為簡單，它不能讓每個部位的零件達到所預期的契合效果，更沒有辦法使這類汽車的系統(tǒng)到達最優(yōu)的工作效率。

3.3 采用優(yōu)化技術(shù)的控制策略

并聯(lián)式混合動力汽車的能量最優(yōu)分配問題是基于電機的轉(zhuǎn)矩和傳動齒輪的位置作為優(yōu)化變量，該周期的優(yōu)化目標是根據(jù)給定的發(fā)動機燃料消耗量來計算的。這種經(jīng)過改善的結(jié)果即使不能用在實時控制，但可以根據(jù)該優(yōu)化推算汽車實時控制策略。

新型混合動力汽車發(fā)展優(yōu)勢在于有無安裝無級變速器，這個裝置的作用是使發(fā)動機達到最高的工作效率。德國學者研究了并聯(lián)式混合動力汽車無級變速器，這種控制策略的最大用處就是讓整車的燃油經(jīng)濟性達到最好的狀態(tài)。

3.4 以成本和燃油經(jīng)濟性為目標的控制策略

當蓄電池組的質(zhì)量和成本降到最低的時候，該類型汽車擁有較小功率的電動機和小容量的蓄電池。如果是在以燃油經(jīng)濟為目的控制策略中，電動機一般只有在汽車需要加速的時候使用，這時的電動機起到了一個提供額外動力的作用。

在一般的行駛狀況下汽車的動力通常由小排量的發(fā)動機提供，當蓄電池的電量降低到一定程度的時候為其供電，這種狀況又進一步的升高了發(fā)動機的所需功率。當汽車降速時，蓄電池吸取降速的能量進行自我充電。該控制策略也有著不好的方面：使發(fā)動機一直工作可以消除由于發(fā)動機的開關(guān)控制所引發(fā)的一系列問題，不過沒有辦法避免發(fā)動機處于低速運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的排放問題。

該類車輛的控制策略有以下兩種方式：①在汽車剛剛起步，僅由電動機獨自提供動力，當速度超過極限值，發(fā)動機開始輔助工作;②當汽車的速度超過一定限額時，動力由發(fā)動機和電機一起提供。

3.5 模糊邏輯控制策略

能量掌控與智能掌控的關(guān)鍵是模糊邏輯控制。而要使燃油經(jīng)濟性增加或者使整部車的效率增加必須要使發(fā)動機得到優(yōu)化，要想加強能量管理問題邏輯性，我們必須要在它的發(fā)動機、電動機和電池能源管制方面加強了模糊控制策略因素，比較符合人的思維邏輯。因此，對發(fā)電機、電動機和蓄電池共同進行優(yōu)化是模糊邏輯控制策略的重要理論依據(jù)。

美國學者格倫提出利用模糊邏輯控制策略來啟動內(nèi)燃機，以達到最高的效率和燃油經(jīng)濟性的目標做了實驗。實驗闡明：主要是運用了模糊邏輯控制策略可以獲得很高的燃油經(jīng)濟性。不過對于控制系統(tǒng)排放這方面的要求還需要進一步探索。

4 結(jié)論

（1）對于并聯(lián)式混合動力汽車而言如果要剖析它的工作模式，必須要從它的構(gòu)造特點這方面入手。

（2）并聯(lián)式混合動力汽車控制策略表明 ，目前研究的控制策略全是針對某種類型的汽車，對于構(gòu)造相同但是其混合度不一樣的汽車所選擇的策略和目標也不相同。

（3）并聯(lián)式混合動力汽車可使燃料消耗和排放量大幅度減少，如果對它的控制策略進一步優(yōu)化后它的效率將會更高。并聯(lián)式混合動力電動汽車的電動機功率和電池容量小，可大大減少重量和混合動力汽車的制造成本，其在市場結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應用前景。特別是這種結(jié)構(gòu)結(jié)合和CVT結(jié)合是一種較理想的系統(tǒng)型燃油經(jīng)濟性高，排放低和駕駛性能良好的系統(tǒng)型式。這個體系中對于怎樣得到這個車的最好的燃油經(jīng)濟性的關(guān)鍵在于怎樣對蓄電池組的SOC實行合乎情理并且有效的資源處置。

（4）電動輔助控制策略一般容易實現(xiàn)，但控制的結(jié)果并不太完美。到今天為止這種類型的汽車的控制策略還沒有達到很成熟的地步。每一個已經(jīng)制造出來的控制策略技術(shù)都有它自己的優(yōu)處，雖然都可以進行互補，不過都還沒到達最好的狀態(tài)。總結(jié)出對該類型汽車不一樣的構(gòu)造的研究，應該系統(tǒng)地考慮任意參數(shù)的控制和各種控制方式的動作，才可以在這基礎(chǔ)上使汽車的動力性能得到優(yōu)化，同時燃油經(jīng)濟性達到最高。

參考文獻

[1] 李興虎.電動汽車概論[M].北京：北京理工大學出版社，2005：5-9.

[2] 王琪，孫玉坤，羅印升.混合動力電動汽車的復合電源功率分配控制策略[J].電工技術(shù)學報，2017，32（18）：143-151.

[3] 許約翰.試論混合動力電動汽車技術(shù)[J].電子測試， 2017（11）：108.

[4] 李佳峰.關(guān)于我國電動汽車技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化進程的研究[J].汕頭科技，2010（3）：17-28.

[5] 孫江明.電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化， 2012，8（7）：36-39.

[6] 李云峰，常燕.電動汽車：汽車行業(yè)的綠色革命[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2012，8（7）：63-66.

[7] 徐小東，張冰戰(zhàn)，基于模糊邏輯的混合動力汽車控制策略研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2012，35（6）：725-728.

[8] 陳建文，令狐婷，呂良愷等.汽車混合動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].內(nèi)燃機與配件，2011（4）：15-19.