并聯式混合動力汽車控制策略的分析

秦嶺

武漢理工大學 湖北 武漢 430000

1 引言

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

資料表明，燃油汽車對環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，以及環境被破壞的越來越來越厲害，現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動機提供動力的，它是老式汽車和電動汽車合理的結合體。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濟性要高出許多，例如它的燃油經濟性達到了最佳的效果，排放的污染物也相對低的多。它的系統結構相對復雜是由于它擁有好幾個電力設備，以及它的關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的基礎，而且也對降低油耗和排放問題起著至關重要的作用。

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造形態，按照它不一樣的驅動體系，其可以劃分成串聯式、并聯式和混聯式三種方式。

（1）串聯式混合動力汽車

啟動汽車主要是通過發電機發電。汽車所需要的動力是由發動機提供的，當車輛行駛速度改變的時候，發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電機提供（吸取多余的能量），或電池放電到電機（幫助發電機提供電能）。由控制器依據發電機驅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。

串聯方式的優點：

①發動機和驅動輪之間沒有機械連接，所以發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，因為發動機和驅動輪之間是靠機械解耦實現的。

串聯方式的缺點：

①經過兩次能量轉換，發動機產生的能量才能到達驅動輪，損失的能量多，效率低。

②發動機的使用增大了車輛質量和成本。

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）并聯式混合動力汽車

發動機、電動機與驅動橋的連接方式是不同的，發電機與驅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，且在低轉速區，可以使發動機與離合器分開，靠純電動的方式把汽車發動起來。

并聯方式的優點：

①發動機能夠直接給車輛提供動力，不需要能量轉換，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。

并聯方式的缺點：

①發動機和驅動輪之間是機械連接，所以發動機的工作點不一定是在最好的區域，發動機效率不能充分發揮。

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）混聯式混合動力汽車

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

3 并聯式混合動力汽車的控制策略

并聯式與混聯式都是為了達到最優的燃油經濟性和排放性，在理論上看似很簡單，但是由于它結構的復雜性和控制策略還不完善，需更深層次的進行調整。

3.1 以車速為主要參數的控制策略

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，則是電動機驅動車輪；當速度比原來所定的速度高時，動力只需要由發動機提供；當車輪的負載過大時，則由兩者一起驅動車輪。該控制選用的是速度較低、轉矩較大的電動機，是為了避免發動機空擋滑行和發動機功率不夠的工況。在發動機高功率運轉，車速很高的情況下，發動機可以改善高速運行時電池的損耗。該控制中應該將發動機啟動時的速度設為一個固定的數值。對于電量損耗型的車輛，設定車速和汽車的行駛路程成反比關系。

3.2 以功率為主要參數的控制策略

當平均功率沒有設定值高時，汽車動力由電動機提供；當平均功率比預定值高時，這時應該由發動機提供動力。發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，混合動力由發動機和電動機驅動。這大多發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，才由發動機輔助提供動力。③發動機在一個穩定的低油耗高功率的狀態下工作，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化技術是因為現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到達最優的工作效率。

3.3 采用優化技術的控制策略

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

新型混合動力汽車發展優勢在于有無安裝無級變速器，這個裝置的作用是使發動機達到最高的工作效率。德國學者研究了并聯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濟性達到最好的狀態。

3.4 以成本和燃油經濟性為目標的控制策略

當蓄電池組的質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：使發動機一直工作可以消除由于發動機的開關控制所引發的一系列問題，不過沒有辦法避免發動機處于低速運轉時所產生的排放問題。

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鍵是模糊邏輯控制。而要使燃油經濟性增加或者使整部車的效率增加必須要使發動機得到優化，要想加強能量管理問題邏輯性，我們必須要在它的發動機、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，對發電機、電動機和蓄電池共同進行優化是模糊邏輯控制策略的重要理論依據。

美國學者格倫提出利用模糊邏輯控制策略來啟動內燃機，以達到最高的效率和燃油經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濟性。不過對于控制系統排放這方面的要求還需要進一步探索。

4 結論

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

（2）并聯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化后它的效率將會更高。并聯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，其在市場結構中有著廣泛的應用前景。特別是這種結構結合和CVT結合是一種較理想的系統型燃油經濟性高，排放低和駕駛性能良好的系統型式。這個體系中對于怎樣得到這個車的最好的燃油經濟性的關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，但控制的結果并不太完美。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。每一個已經制造出來的控制策略技術都有它自己的優處，雖然都可以進行互補，不過都還沒到達最好的狀態。總結出對該類型汽車不一樣的構造的研究，應該系統地考慮任意參數的控制和各種控制方式的動作，才可以在這基礎上使汽車的動力性能得到優化，同時燃油經濟性達到最高。