插電式混合動(dòng)力汽車能量控制策略

1、插電式混合動(dòng)力汽車能量控制策略摘要：環(huán)境污染和能源短缺成為近幾年來汽車工業(yè)發(fā) 展面臨的兩大難題，各國(guó)政府和汽車使用人員的節(jié)能減排意 識(shí)在不斷加強(qiáng)，大力發(fā)展新能源汽車成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā) 展的大勢(shì)所趨。 作為一種介于傳統(tǒng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 HEV 和 純電動(dòng)汽車 EV 之間的新型混合動(dòng)力汽車，插電式混合動(dòng)力 電動(dòng)汽車(Plug-inHEV)因既可以利用非車載充電裝置充電 來保證一定距離的純電動(dòng)續(xù)駛里程，又可以用混合動(dòng)力模式 長(zhǎng)途行駛來降低燃油消耗率，而成為最終向清潔能源汽車過 度的最佳選擇。關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力汽車；能量管理；策略研究引言 隨著我國(guó)汽車保有量的逐年增加，汽車能夠給人們帶來 更多的

2、方便。同時(shí)人類也面臨著許多問題，例如，石油資源 的短缺和大氣污染等。所以純電動(dòng)汽車以及混合動(dòng)力汽車越 來越受到人們的關(guān)注。純電動(dòng)汽車之所以能夠?qū)崿F(xiàn)零排放， 因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車是解決石油資源短缺和大氣污染問題的理 想途徑之一。由于電池技術(shù)、充電站以及續(xù)駛里程的種種因 素限制了純電動(dòng)汽車的發(fā)展。由于插電式混合動(dòng)力汽車即可 以做到短途行駛零排放，節(jié)能環(huán)保，又可以做到增加續(xù)駛里 程，不影響長(zhǎng)途駕駛的需求，所以成為發(fā)展的重點(diǎn)。所以本 文重點(diǎn)對(duì)插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的能量管理控制策略進(jìn) 行研究。1 能量管理控制策略研究插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車與燃油汽車相比有多種工作 模式，插電式混合動(dòng)力汽車的核心內(nèi)容是在多種工

3、作模式下 的控制策略的制定?？刂撇呗圆粌H直接決定了汽車整車的動(dòng) 力性能，也決定著汽車的經(jīng)濟(jì)性，所以本文與傳統(tǒng)控制策略 相比，提出了一種基于駕駛員需求的能量管理控制策略。1.1 插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的工作模式 插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車具有兩個(gè)能量源，一個(gè)是電池， 一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組， 因此它有多種工作模式。 又由于混 合動(dòng)力汽車能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回饋，所以在整車行駛過程中， 插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車具有以下幾種工作模式。1）純電動(dòng)模式 插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的常用模式是純電動(dòng)模式，光 由電池提供電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種模式常用于短途行駛，其 工作原理與純電動(dòng)汽車完全相同。這種工作模式下可以做到 整

4、車零排放和零污染，并且電能來源于電網(wǎng)充電，經(jīng)濟(jì)性比 較好。2）發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式是利用 ?l 動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組 提供電能。能量來源于發(fā)動(dòng)機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再驅(qū)動(dòng) 發(fā)電機(jī)發(fā)電，并且沒有多余的能量給電池充電。3）電池與發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組共同驅(qū)動(dòng)模式 在這種工作模式下需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供較大的功率，而且 電池還得提供電能的情況下， 這時(shí)電池和發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組共 同提供電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種模式常用在汽車爬坡或急加速 等功率需求較大的情況下。4）發(fā)動(dòng)機(jī) -電機(jī)組驅(qū)動(dòng) +充電模式這種模式是當(dāng)電池組的 SOC值低于門限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)- 發(fā)電機(jī)組工作。 發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)

5、組提供的電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整車 的驅(qū)動(dòng)需求，因此把多余的能量給電池充電。5）能量回收模式 這種模式是當(dāng)汽車在下坡或制動(dòng)過程中，由車輪反拖驅(qū) 動(dòng)電機(jī)發(fā)電給電池充電，而且驅(qū)動(dòng)電機(jī)也會(huì)提供一定的反拖 制動(dòng)力。這種模式下電池和發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組均不提供電能。本文插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車將遵循控制策略在 5 種工 作模式中進(jìn)行變換，以實(shí)現(xiàn)在不同工況下兼顧汽車整車動(dòng)力 性和經(jīng)濟(jì)性。2 現(xiàn)有能量管理控制策略的發(fā)展過程與分析 本文針對(duì)插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的能量管理控制策 略進(jìn)行研究，首先從現(xiàn)有的能量管理控制策略出發(fā)。現(xiàn)在的控制策略都是通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組的開關(guān)控 制，然后以電池SOC值作為門限值，根據(jù)SOC值

6、的變化來判 定發(fā)動(dòng)機(jī) - 發(fā)電機(jī)組的開關(guān)。 當(dāng)汽車以純電動(dòng)模式行駛一段時(shí) 間后電池的SOC值會(huì)降低，當(dāng)汽車電池的SOC值小于最低門 限值SOCmin時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組開始工作從而為整車提供 電能，使整車進(jìn)入混合動(dòng)力工況。如果汽車在行駛過程中， 電池的SOC值高于最高門限值 SOCmax時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組 將關(guān)閉， 使整車進(jìn)入純電動(dòng)工況。 當(dāng)汽車電池電量在 SOCmin 與SOCmax之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組將維持之前的工作模式， 進(jìn)入保持模式。這種控制策略是各種控制策略的基礎(chǔ)，任何控制策略都 要遵循這個(gè)大原則。這種控制策略的目的是盡可能的讓整車 保持純電動(dòng)行駛，這樣就可以保證汽車在電池電量

7、比較充足 時(shí)處于純電動(dòng)行駛，并且可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性和低排放。隨著對(duì)控制策略的不斷研究，人們希望在混合動(dòng)力工況 下能追求更好的經(jīng)濟(jì)性，并且兼顧動(dòng)力性。首先是發(fā)動(dòng)機(jī)單 工作點(diǎn)的控制策略，又稱為“恒溫器”式控制策略。也就是 混合動(dòng)力模式下發(fā)動(dòng)機(jī)只工作在一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的工作點(diǎn) 上，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)不會(huì)隨汽車整車的行駛工況而發(fā)生變化， 這樣就可以為整車提供穩(wěn)定的電能。對(duì)于此工作點(diǎn)的選擇將 會(huì)成為影響整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的關(guān)鍵因素。因此，這種控 制策略的核心就在于發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的選擇，不僅要滿足整車 動(dòng)力還要具有良好的經(jīng)濟(jì)性。3 發(fā)動(dòng)機(jī)多工作點(diǎn)控制策略分析3.1 能量管理控制策略的確定 本文根據(jù)汽車整車使用的

8、需求，決定選擇發(fā)動(dòng)機(jī)多工作 點(diǎn)的控制策略。這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)是可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的有 限個(gè)工作點(diǎn)，使其都工作在發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高的區(qū)域，并且可 以根據(jù)使用需求調(diào)整工作點(diǎn)。這種控制策略結(jié)合了恒溫器式 控制策略和功率跟隨式控制策略，是目前比較好的控制策略 之一，選擇了 3 個(gè)點(diǎn)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。根據(jù)整車的使用 需求，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)可以在這 3 個(gè)點(diǎn)中進(jìn)行任意的切換。 這樣不僅兼顧了汽車整車的電能需求，而且還能獲得較好的 經(jīng)濟(jì)性。3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的確定 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的確定是發(fā)動(dòng)機(jī)多工作點(diǎn)控制策略的一 個(gè)核心問題，所以發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的確定需要遵循以下幾個(gè)步 驟：1）需要從汽車整車的能量需求出發(fā)，分析整車在

9、不同工況下對(duì)電能的需求。2）通過分析發(fā)動(dòng)機(jī) MAP 圖，能夠找到發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率 比較高的區(qū)域。3）結(jié)合整車對(duì)于電能的需求和發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率比較高 的區(qū)域，初選發(fā)動(dòng)機(jī)的 3 個(gè)工作點(diǎn)。在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的 過程中，要盡可能的使工作點(diǎn)落在發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)，這樣可 以保證較好的經(jīng)濟(jì)性。3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)變化分析 確定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)后，在控制策略中至關(guān)重要的一個(gè)問 題是根據(jù)什么改變工作點(diǎn)。一般來說就是根據(jù)整車的動(dòng)力性 需求來改變工作點(diǎn)。如果整車對(duì)電能的需求大則需要發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組提供的電能也大。 當(dāng)整車對(duì)電能的需求小時(shí)， 由于 考慮經(jīng)濟(jì)性，則要減少發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組提供的電能。但是， 落實(shí)到實(shí)際控制策略

10、中，如何體現(xiàn)整車對(duì)電能需求和發(fā)動(dòng)機(jī) 工作點(diǎn)的聯(lián)系是本文關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有的控制思路，借鑒功率跟隨式控制策略可以時(shí) 時(shí)根據(jù)整車的工況來判斷此時(shí)整車的能量需求，用來改變發(fā) 動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，這是比較直接的方式，也就是說整車行駛受到 的阻力越大驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗的電能也就越大， 那么發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電 機(jī)組就會(huì)輸出更多的電能。也有一些人提出了根據(jù)不同的車 速的改變不同的工作點(diǎn)。這種思路來源于整車車速越高，驅(qū) 動(dòng)電機(jī)需要的電能也就越大，因此根據(jù)車速的不同來調(diào)整不 同的工作點(diǎn)。但是，這兩種控制策略都存在弊端。不管是根 據(jù)行駛工況還是根據(jù)車速來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工 作點(diǎn)變化永遠(yuǎn)是滯后于整車的需求，即只有路況或車

11、速變化 后整車才會(huì)根據(jù)變化來做出改變。并且對(duì)于根據(jù)車速改變發(fā) 動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的控制思路，就不能做到在低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)提供高 功率輸出，這就使得在急加速或者低速爬坡時(shí)，本應(yīng)需求發(fā) 動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組提供較多的電能， 但是卻無法實(shí)現(xiàn)。 并且此時(shí) 電池被迫提供?A大能量進(jìn)行大電流放電，不僅影響電池使用 壽命，而且又不能獲得理想的能量分配。所以，本文希望控 制策略不僅能做到發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的改變不滯后于整車需求， 即任何時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組都能及時(shí)提供合適的電能， 并且 無論低速或者高速， 在整車需求發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組高功率輸出 時(shí)都能提供充足的電能。4 基于駕駛員需求的能量管理控制策略 根據(jù)加速踏板對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的

12、控制原理，結(jié)合本文給出的 基于駕駛員需求的能量管理控制策略，本文最終確定將加速 踏板的行程分為 3個(gè)階段，而且跟發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置的 3 個(gè)工作點(diǎn) 相對(duì)應(yīng)。根據(jù)加速踏板行程的改變，完成發(fā)動(dòng)機(jī)3 個(gè)工作點(diǎn)的改變。該控制策略可以根據(jù)駕駛員控制油門踏板調(diào)整發(fā)動(dòng) 機(jī)工作在低功率、中功率和高功率輸出點(diǎn)，具體控制策略圖 如圖 1.9 所示。當(dāng)電池SOC值低于SOCmin時(shí)進(jìn)入混合動(dòng)力工況，混合 動(dòng)力工況下控制策略為：加速踏板行程處于 0%-x%之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將以低功率工 作點(diǎn)工作。加速踏板行程處于 x%-y%之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將以中功率工 作點(diǎn)工作。加速踏板行程處于 y%-100%之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將以高功率 工作點(diǎn)工作

13、。當(dāng)電池SOC值高于SOCmax時(shí)，進(jìn)入純電動(dòng)工況。這種控制策略不僅引入了駕駛員的控制，而且使發(fā)動(dòng)機(jī) 工作點(diǎn)的切換不再滯后于整車的性能需求。只要駕駛員深踩 下油門踏板， 發(fā)動(dòng)機(jī) -發(fā)電機(jī)組便會(huì)提高輸出功率以滿足駕駛 員的需求。當(dāng)然，這種控制策略是第一次引入了駕駛員控制，并非 能夠完全的自動(dòng)控制。但是，這也不會(huì)增加駕駛員的駕駛難 度，駕駛員只需和操縱普通燃油車一樣，在需要加速時(shí)深踩 下油門踏板，控制電腦便會(huì)同時(shí)完成增大發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組 電能輸出和增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩輸出兩個(gè)工作。5 結(jié)論本文通過對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車資料的搜集、整理與歸 納總結(jié)，詳細(xì)分析目前插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的能量管理 控制策略的發(fā)展與利弊，得到如下結(jié)論：1）由于插電式混合動(dòng)力汽車具有兩個(gè)動(dòng)力源，而且能 夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回饋，所以具有六種工作模式，整車可以在 這幾種