混合動力汽車HESS設計與控制策略優化研究

梁美林

摘要：混合動力汽車的動力性能依然比不上傳統的燃油汽車，導致這一問題的主要原因是蓄電池能量存儲系統的功率密度較低，不能滿足汽車在啟動、加速和爬坡時的高功率密度需求。另外，當汽車處于再生制動狀態時，蓄電池不能快速回收再生制動能量，從而導致了能源的浪費。混合動力汽車因具有低排放和低油耗而備受關注。超級電容充放電速度快、壽命長，可以作為蓄電池的輔助電源為混合動力汽車提供能量。本文闡述了超級電容和蓄電池的性能，并分析了它們的工作特點，同時還介紹了混合動力汽車能量存儲系統的研究現狀。

關鍵詞：混合動力;HESS設計;控制策略

1? 技術背景

《湖南省實施低碳發展五年行動方案（2016—2020年）》的通知，通知指出“做好公共交通節能減排工作，重點推廣電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車。

復合電源系統（HESS）中超級電容器和蓄電池的優勢可互補，能夠滿足汽車在啟動、加速和爬坡過程中對動力源功率、能量的雙重需求。該系統中超級電容器能夠最大限度回收再生制動能量，顯著提高HESS的效率和性能。例如：申請人江蘇大學于2016年9月22日申請的一種復合電源控制系統及其在不同工況時的切換方法，本申請中能量管理系統通過CAN總線分別與整車控制器、第一采樣裝置、第二采樣裝置相連接，獲取車輛的行駛信息、動力電池與超級電容的性能參數;超級電容與雙向DC/DC變換器串聯后，一路與動力電池并聯構成復合電源，復合電源通過電機控制器控制電機;一路與可控整流裝置串聯構成充電回路;能量管理系統輸出PWM控制信號，分別用于控制雙向DC/DC變換器、可控整流裝置的觸發電路。雖然采用本發明的復合電源控制系統控制電動汽車，具有元器件少，控制系統簡單，易于實現，且能滿足功能要求的優點。然而，現有HESS能量管理策略基本上依賴于車輛當前、未來時刻的功率需求及二維路徑信息，僅有的關于三維坐標信息的規劃方法也是基于道路節點之間的高程差來進行HESS能量優化，并沒有考慮汽路徑過程中有關橋梁、高度實時落差對車載HESS能量分配的影響。而研究發現，路徑垂直坐標（道路坡度）是影響車輛功率需求和預測可回收制動能量的一個關鍵因素。

基于能耗最低、路徑最短的動態路徑規劃技術能夠顯著提高HESS性能。車輛在擁堵路段時，車輛待機能耗及頻繁啟動制動將嚴重影響HESS功率分配的效率。然而，現有動態路徑規劃方法，并未對此因素進行考慮。此外，如果考慮動態交通對路徑信息的影響，采取實時路徑規劃綜合考慮交通因素對路徑進行實時更新，并結合規劃路徑三維信息進行精確的HESS功率分配控制，則控制效果能夠得到進一步提升。

目前，智能交通路徑規劃、三維地圖信息應用技術的日益成熟，使HESS能量利用效率進一步提升成為可能。若能運用智能交通技術實現動態路徑規劃的實時更新，確保起點至終點整個過程中均選取最優路徑;同時，結合三維地圖信息進行車輛能量函數計算及HESS功率分配，實現工況預測與車輛路徑高程坐標能量需求/回收的有效結合，則可最大限度提高車載HESS能量利用效率。

2? 混聯式混動汽車控制設計

我們由混合動力汽車的能量的流動和動力結構構造方式可把它分成三類：串聯式混動汽車（SHEV），并聯混動汽車（PHEV），混聯式混動汽車（PSHEV）。其控制方式主要有以下四種：

2.1 串聯式浪動汽車的控制設計

如圖1所示。發動機帶動發電機所產生的電能或者蓄電池產生的能量供給電動機，汽車行駛的驅動力都有電動機提供。

2.2 并聯式混動汽車的控制設計（圖2）

2.3 混聯式混動汽車控制設計

如圖3所示，混聯式HEV的發動機發出的功率可直接用于驅動橋，或轉換成G的電能。

2.4 HEV的電池能量存儲系統

電動汽車的電力性能，很大一部分由能量存儲系統（ESS）決定的，其拓撲結構如圖4所示。

3? 電動汽車車載復合電源控制系統及方法

復合電源系統（HESS）中超級電容器和蓄電池的優勢可互補，能夠滿足汽車在啟動、加速和爬坡過程中對動力源功率、能量的雙重需求。該系統中超級電容器能夠最大限度回收再生制動能量，顯著提高HESS的效率和性能。

車載HESS功率分配原理如圖5所示，HESS狀態監測單元通過實時采集超級電容器及動力電池的電流和電壓數據，根據超級電容器、鋰離子動力電池等效電路模型，考慮電機及DC/DC損失效率、電池容量損失等因素，結合車輛當前道路工況、路徑動態交通信息，形成高精度HESS狀態監測方法。HESS性能提升單元通過分析復合電源拓撲新結構工作原理，獲得HESS整體特性。分析DC/DC高效工作區域，確定HESS充放電過程中超級電容和電池功率分配之間的關系及系統控制參數。以超級電容器承擔負載需求功率中峰值功率級電池承擔平均功率為原則，優化HESS關鍵參數，實現HESS的高效功率分配。動態路徑HESS功率分配管理單元結合三維地圖信息特征，基于路徑規劃確定線路矢量、高程信息。根據規劃路徑剩余路段三維信息及實時交通數據，考慮電機需求功率、電量消耗模式、電源SOC、超級電容補電上限及動力電池放電功率等因素，對HESS功率需求根據進行預測。選擇電池和超級電容器容量損失為狀態變量，HESS能耗和電池組容量損失最小為優化目標，約束條件為HESS性能條件，以正向迭代的方法經過遍歷后選取階段最優控制參數，保證動態規劃線路HESS的功率分配最優。

HESS控制單元原理如圖7所示，HESS采用主動拓撲結構。超級電容器通過DC/DC裝置與鋰離子動力電池并聯連接，通過DC/AC轉換裝置為電動汽車驅動電機提供所有功率。HESS控制器根據車輛運行特征預測通過DC/DC控制器對HESS功率分配進行控制。當車輛下坡制動時，車輛能量預測（可回收的能量）通過電動車輛DSG電機對超級電容器充電，進行制動能量的回收存儲。

4? 結論

本文以混合動力汽車HESS作為研究對象，采用路徑動態規劃技術與HESS功率分配多目標優化方法，充分考慮路徑高程信息對HESS功率分配的影響，提高了車載HESS能量利用效率，研究HESS系統設計與控制策略優化，形成可供其它混合動力汽車研究借鑒的典型案例成果。揭示混合動力汽車HESS儲能規律，通過性能分析，建立混合動力汽車HESS計算數學模型和等效仿真分析模型;揭示混合動力汽車的電池能量存儲系統匹配對性能的影響規律。混合動力汽車HESS控制策略優化方式，有效利用智能網聯汽車基礎支撐技術，采用車載嵌入式單元進行路徑動態規劃及HESS功率分配的智能控制。能夠在充分利用實時交通數據、三維地圖信息的基礎上，在能耗最低路徑上進一步實現路徑滾動優化與功率分配智能決策，提高HESS能量利用效，使汽車續航更長。

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