(碩士小論文)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略

1、混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的控制策略 摘要：混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)基本可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種，對(duì)并聯(lián)型和串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使得能量流動(dòng)的控制和能量消耗的優(yōu)化具有更大的靈活性和可能性，并對(duì)混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的幾種控制方案進(jìn)行了分析。指出混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略不十分完善，需要進(jìn)一優(yōu)化。控制策略不僅僅要實(shí)現(xiàn)整車(chē)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，而且還要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)排放、蓄電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性及整車(chē)成本等多方面要求，并針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)各部件的特性和汽車(chē)的運(yùn)行工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池和傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳匹配。關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)

2、 結(jié)構(gòu) 控制策略 優(yōu)化1. 混合動(dòng)力汽車(chē)的研究背景 在20世紀(jì)的最后十幾年，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來(lái)越緊密地與汽車(chē)聯(lián)系在一起。研制開(kāi)發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車(chē)，成為各大汽車(chē)公司的當(dāng)務(wù)之急。專(zhuān)家們估計(jì)，短時(shí)間內(nèi)燃料電池技術(shù)難有重大突破，電動(dòng)汽車(chē)暫時(shí)還無(wú)法完全取代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)是兼顧了電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)的新一代汽車(chē)結(jié)構(gòu)型式，因其具有低油耗、低排放的潛力，動(dòng)力性接近于傳統(tǒng)汽車(chē)，而生產(chǎn)成本低于純電動(dòng)汽車(chē)，最近幾年來(lái)其研究開(kāi)發(fā)成為世界上各大汽車(chē)公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？梢韵嘈牛陔妱?dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能部件電池沒(méi)有根本性突破以前，使用混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是解決排污和能源

3、問(wèn)題最具現(xiàn)實(shí)意義的途徑之一?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)不同，它一般至少有兩種車(chē)載能量源，其中一種為具有高功率密度的能量源。利用兩種能量源的特性互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)整車(chē)系統(tǒng)性能的改善和提高。要實(shí)現(xiàn)兩者之間相互協(xié)調(diào)工作，這就需要有良好的控制策略。控制策略是混合動(dòng)力汽車(chē)的靈魂，它根據(jù)汽車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的能量要求，動(dòng)態(tài)分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的輸出功率。采用不同的控制策略是為了達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，其主要目標(biāo)為：最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放、最低的系統(tǒng)成本、最佳的驅(qū)動(dòng)性能。 當(dāng)前開(kāi)發(fā)研制的混合動(dòng)力汽車(chē)可以分為三類(lèi)：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。在各部件的選型確定以后，采用合適的控制

4、策略是實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放的關(guān)鍵。目前提出的混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略還不成熟，實(shí)用性不強(qiáng)，只有基于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的邏輯門(mén)限控制策略在實(shí)際商品化混合動(dòng)力汽車(chē)中得到了應(yīng)用。開(kāi)發(fā)一種成熟實(shí)用的控制策略仍然是目前亟待解決的難題。隨著對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究的深入，諸如自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制等方法也有運(yùn)用。自適應(yīng)控制策略，實(shí)際上是一種實(shí)時(shí)控制策略，它同時(shí)考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和排放。由于實(shí)時(shí)控制策略能夠保證在任一時(shí)刻都是由效率最優(yōu)的部件工作，因此其燃油經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于模糊邏輯控制策略。但是實(shí)時(shí)控制策略過(guò)分依賴(lài)于各個(gè)部件的性能特性的精確性，由于受電池老化、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性等的影響，在實(shí)際車(chē)輛的實(shí)時(shí)控制

5、中很難得到應(yīng)用。模糊邏輯控制策略由于其魯棒性好的特點(diǎn)，適用于車(chē)輛控制這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的控制有明顯的優(yōu)越性。在國(guó)內(nèi)，由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的起步較晚，對(duì)混合動(dòng)力控制策略的研究遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到成熟的程度，大都處于理論研究階段。在應(yīng)用方面可以說(shuō)才剛剛起步，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化，與國(guó)外有關(guān)混合動(dòng)力汽車(chē)控制方面的技術(shù)水平有相當(dāng)大的差距。因此，我國(guó)應(yīng)大力提高混合動(dòng)力汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力，尤其是對(duì)車(chē)輛的性能有較大影響的控制策略的自主研發(fā)能力，以提高我國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)的產(chǎn)品化進(jìn)程。 在20世紀(jì)的最后十幾年，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來(lái)越緊密地與汽車(chē)聯(lián)系在一起。研制開(kāi)發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替

6、代能源的新型汽車(chē)，成為各大汽車(chē)公司的當(dāng)務(wù)之急。專(zhuān)家們估計(jì)，短時(shí)間內(nèi)燃料電池技術(shù)難有重大突破，電動(dòng)汽車(chē)暫時(shí)還無(wú)法完全取代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)是兼顧了電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)的新一代汽車(chē)結(jié)構(gòu)型式，因其具有低油耗、低排放的潛力，動(dòng)力性接近于傳統(tǒng)汽車(chē)，而生產(chǎn)成本低于純電動(dòng)汽車(chē)，最近幾年來(lái)其研究開(kāi)發(fā)成為世界上各大汽車(chē)公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？梢韵嘈?，在電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能部件電池沒(méi)有根本性突破以前，使用混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是解決排污和能源問(wèn)題最具現(xiàn)實(shí)意義的途徑之一?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)不同，它一般至少有兩種車(chē)載能量源，其中一種為具有高功率密度的能量源。利用兩種能量源的特性

7、互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)整車(chē)系統(tǒng)性能的改善和提高。要實(shí)現(xiàn)兩者之間相互協(xié)調(diào)工作，這就需要有良好的控制策略?？刂撇呗允腔旌蟿?dòng)力汽車(chē)的靈魂，它根據(jù)汽車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的能量要求，動(dòng)態(tài)分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的輸出功率。采用不同的控制策略是為了達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，其主要目標(biāo)為：最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放、最低的系統(tǒng)成本、最佳的驅(qū)動(dòng)性能。 當(dāng)前開(kāi)發(fā)研制的混合動(dòng)力汽車(chē)可以分為三類(lèi)：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。在各部件的選型確定以后，采用合適的控制策略是實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放的關(guān)鍵。目前提出的混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略還不成熟，實(shí)用性不強(qiáng)，只有基于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的邏輯門(mén)限控制策略在實(shí)際商品化混合動(dòng)力汽車(chē)

8、中得到了應(yīng)用。開(kāi)發(fā)一種成熟實(shí)用的控制策略仍然是目前亟待解決的難題。隨著對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究的深入，諸如自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制等方法也有運(yùn)用。自適應(yīng)控制策略，實(shí)際上是一種實(shí)時(shí)控制策略，它同時(shí)考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和排放。由于實(shí)時(shí)控制策略能夠保證在任一時(shí)刻都是由效率最優(yōu)的部件工作，因此其燃油經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于模糊邏輯控制策略。但是實(shí)時(shí)控制策略過(guò)分依賴(lài)于各個(gè)部件的性能特性的精確性，由于受電池老化、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性等的影響，在實(shí)際車(chē)輛的實(shí)時(shí)控制中很難得到應(yīng)用。模糊邏輯控制策略由于其魯棒性好的特點(diǎn)，適用于車(chē)輛控制這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的控制有明顯的優(yōu)越性。在國(guó)內(nèi)，由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的起

9、步較晚，對(duì)混合動(dòng)力控制策略的研究遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到成熟的程度，大都處于理論研究階段。在應(yīng)用方面可以說(shuō)才剛剛起步，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化，與國(guó)外有關(guān)混合動(dòng)力汽車(chē)控制方面的技術(shù)水平有相當(dāng)大的差距。因此，我國(guó)應(yīng)大力提高混合動(dòng)力汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力，尤其是對(duì)車(chē)輛的性能有較大影響的控制策略的自主研發(fā)能力，以提高我國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)的產(chǎn)品化進(jìn)程。2. 混合動(dòng)力汽車(chē)的種類(lèi)、特點(diǎn)及應(yīng)用 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)是在一輛汽車(chē)上同時(shí)配備電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元(Auxiliary power unit，APU)的汽車(chē)，其中APU是燃燒某種燃料的原動(dòng)機(jī)或由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組，目前HEV所采用的原動(dòng)機(jī)一般為柴油機(jī)、汽

10、油機(jī)或燃汽輪機(jī)?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)將原動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、能量?jī)?chǔ)存裝置(蓄電池)組合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的不足，是當(dāng)今最具實(shí)際開(kāi)發(fā)意義的低排放和低油耗汽車(chē)。目前世界各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)有不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置和組合方式不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種組合方式。2.1 串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。APU由原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，通常將這兩個(gè)部件集成為一體。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電能通過(guò)控制器直接輸送到電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。電池實(shí)際上起平衡原動(dòng)機(jī)輸出功率和電動(dòng)機(jī)輸入功率的作用：

11、當(dāng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率大于電動(dòng)機(jī)所需的功率時(shí)，控制器控制發(fā)電機(jī)向電池充電；當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電動(dòng)機(jī)所需的功率時(shí)，電池則向電動(dòng)機(jī)提供額外的電能。該系統(tǒng)輔助動(dòng)力設(shè)備與電動(dòng)機(jī)無(wú)機(jī)械連接，整車(chē)布置的自由度較大，控制系統(tǒng)也簡(jiǎn)單，但能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多，效率不高，續(xù)駛里程有限，仍需設(shè)置充電站。這種系統(tǒng)使用一個(gè)較小的發(fā)動(dòng)機(jī)在效率最高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，能夠最大限度地改善燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放。圖1 串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，汽車(chē)可由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)只是作為輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，功率可以比較小。與串聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)

12、動(dòng)汽車(chē)，其能量的利用率相對(duì)較高，這使得并聯(lián)式燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式的高。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最適合于汽車(chē)在城市間公路和高速公路上穩(wěn)定行駛的工況。由于并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況要受汽車(chē)行駛工況的影響，因此不適于汽車(chē)行駛工況變化較多、較大的情況；相比于串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，需要變速裝置和動(dòng)力復(fù)合裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。與串聯(lián)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相比，行駛里程更長(zhǎng)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于人們對(duì)控制單元要求較高，因而成本昂貴。圖2 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.3 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率一部分通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)輸送給驅(qū)動(dòng)橋，另一部分則驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸

13、送給電動(dòng)機(jī)或電池，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)動(dòng)力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋?；炻?lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略是：在汽車(chē)低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車(chē)高速穩(wěn)定行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主。這種結(jié)構(gòu)能較好地綜合實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的各項(xiàng)性能需求，但控制技術(shù)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造要求高。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不受汽車(chē)行駛狀況的影響，總是在最高效率狀態(tài)下工作或自動(dòng)關(guān)閉，使汽車(chē)任何時(shí)候都可實(shí)現(xiàn)低排放及超低油耗，達(dá)到環(huán)保和節(jié)能效果。圖3 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3. 混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略 在混合動(dòng)力汽車(chē)各部件的配置確定下來(lái)之后，如何優(yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)低油耗、低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在滿足汽車(chē)的動(dòng)力性和其他基本技術(shù)性能以

14、及成本等要求的前提下，針對(duì)各部件的特性及汽車(chē)的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)之間能有效而合理地分配，使整車(chē)系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車(chē)最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能。控制策略的基本思路通常有兩種：一是直接法，即直接將優(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)；二是間接法，即最小損失法，從計(jì)算當(dāng)前驅(qū)動(dòng)條件下各個(gè)部件的效率入手，得到整個(gè)系統(tǒng)的能量損失。損失最小的狀態(tài)變量就是當(dāng)前驅(qū)動(dòng)條件下應(yīng)該選擇的狀態(tài)變量，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，電池的放電電流等。驅(qū)動(dòng)條件常用驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來(lái)表示。從這兩種基本思路出發(fā)，可以得到許多種具體的控制策略。 3.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策

15、略 由于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)行駛工況沒(méi)有直接聯(lián)系，因此控制策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作。此外，為了優(yōu)化控制策略，還必須考慮合并在一起的電池、電傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的總體效率。串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)有以下幾種基本的控制模式。 3.1.1 恒溫器控制模式 當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)降到設(shè)定的低門(mén)限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，在最低油耗或排放點(diǎn)按恒功率輸出，一部分功率用于滿足車(chē)輪驅(qū)動(dòng)功率要求，另一部分功率向蓄電池充電。而當(dāng)蓄電池組SOC上升到所設(shè)定的高門(mén)限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。在這種模式中蓄電池組要滿足所有瞬時(shí)功率的要求，蓄電池組的過(guò)度循環(huán)所引起的損失可能會(huì)減少發(fā)

16、動(dòng)機(jī)優(yōu)化所帶來(lái)的好處。這種模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比較有利而對(duì)蓄電池不利。 3.1.2 功率跟蹤式控制模式 這種控制策略根據(jù)電池的SOC和負(fù)荷確定發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)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(dòng)機(jī)功率需求小于輸出功率時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率調(diào)整為最小值；當(dāng)SOC高于下界，汽車(chē)總的需求負(fù)荷未超出電池容量但超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率調(diào)整為最大值。 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率緊緊跟隨車(chē)輪功率的變化，這與傳統(tǒng)的汽車(chē)運(yùn)行相似。采用這種控制策略，蓄電池工作循環(huán)將消失，與充放電有關(guān)的蓄電池組損失被減少到最低程度。但發(fā)動(dòng)機(jī)必須在從低到高的整個(gè)負(fù)荷區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的功率快速而動(dòng)態(tài)地變化，這些都會(huì)損害

17、發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和排放性能。解決的辦法是采用自動(dòng)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(CVT)無(wú)級(jí)變速器，控制發(fā)動(dòng)機(jī)沿最小油耗曲線運(yùn)行，這樣同時(shí)減少了HC和CO的排放量。這兩種控制模式相比較，恒溫器式控制模式的發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在最佳油耗點(diǎn)附近，功率跟隨式的發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在最佳經(jīng)濟(jì)性工作線附近。相比而言，前者發(fā)動(dòng)機(jī)的平均工作效率要高，但功率跟隨式控制策略在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面有較好的綜合性能。上述兩種控制模式可以結(jié)合起來(lái)使用，其目的是充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的高效率區(qū)，使其達(dá)到整體效率最高。3.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略目前仍不成熟，需要進(jìn)一步優(yōu)化。一般的控制策略通常是根據(jù)電池的SOC、駕駛員

18、的加速踏板位置、車(chē)速和驅(qū)動(dòng)輪的平均功率等參數(shù)，按照一定的規(guī)則使發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，以滿足驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩的要求。3.2.1 以車(chē)速為主要參數(shù)的控制策略 這是最早也是最常采用的一種控制策略，它利用車(chē)速大小作為控制的依據(jù)。當(dāng)汽車(chē)車(chē)速低于所設(shè)定的車(chē)速時(shí)，由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪；當(dāng)車(chē)速高于所設(shè)定的車(chē)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，而由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪；當(dāng)車(chē)輪負(fù)荷比較大時(shí)，則由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。這種策略利用了電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的作用，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速及低負(fù)荷工況。當(dāng)車(chē)速較高有助于發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可避免純電動(dòng)高速行駛時(shí)電池的快速放電損失。在這種控制策略中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的設(shè)定車(chē)速可以設(shè)計(jì)為一

19、個(gè)定值。對(duì)于荷電消耗型混合動(dòng)力汽車(chē)，設(shè)定車(chē)速愈低，汽車(chē)一次充電的續(xù)駛里程愈長(zhǎng)。也可將設(shè)定車(chē)速設(shè)計(jì)為蓄電池組放電深度的函數(shù)。美國(guó)BULTER等提出了另一種基于速度的控制策略。汽車(chē)在低速行駛時(shí)，也是由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪；但當(dāng)車(chē)速高于所設(shè)定的車(chē)速時(shí)，則采用了混合驅(qū)動(dòng)。此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)保持在一個(gè)恒定的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度運(yùn)行，而由電動(dòng)機(jī)提供車(chē)輪所需的動(dòng)態(tài)功率。通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的設(shè)定車(chē)速，并保持蓄電池組的SOC在駕駛循環(huán)前后不變，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)間。這種控制策略有利于減少汽車(chē)的排放，但電動(dòng)機(jī)及蓄電池組的功率較大，將增加整車(chē)自重和成本。對(duì)于采用上述控制策略的荷電維持型混合動(dòng)力汽車(chē)，還需要監(jiān)視蓄電池組的SOC，當(dāng)

20、SOC降到某一設(shè)定值以下時(shí)，無(wú)論此時(shí)車(chē)速多低，發(fā)動(dòng)機(jī)都將啟動(dòng)，同時(shí)一部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率通過(guò)發(fā)電機(jī)向蓄電池組充電。3.2.2 以功率為主要參數(shù)的控制策略 當(dāng)車(chē)輪平均功率低于某設(shè)定值時(shí)，汽車(chē)由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)車(chē)輪平均功率高于該設(shè)定值時(shí)，此時(shí)有利于發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作，因而發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)則停止運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的最佳時(shí)機(jī)是在變速器換擋期間，這有助于獲得平穩(wěn)的駕駛性能。一旦車(chē)輪平均功率超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的功率。在上述兩種控制策略中，都存在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力工況。這種工況一般出現(xiàn)在車(chē)輪平均功率很高的時(shí)侯，其控制策略有以下幾種模式：當(dāng)加速踏板踩下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)

21、和電動(dòng)機(jī)的功率按照一定比例同時(shí)增加，以滿足駕駛員的高功率需求。電動(dòng)機(jī)功率一直增加到其最大值，然后啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以提供補(bǔ)充動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)被控制在有較高功率的低油耗區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行，而由電動(dòng)機(jī)來(lái)提供所需的補(bǔ)充功率。上述兩種控制策略都比較簡(jiǎn)單，不能保證各部件得到最佳匹配，無(wú)法獲得整車(chē)系統(tǒng)的最大效率，因此需要將優(yōu)化技術(shù)引入控制策略研究中。3.2.3 采用優(yōu)化技術(shù)的控制策略 法國(guó)學(xué)者DZLPRAT和PANGANELLI等研究了帶機(jī)械有級(jí)式變速器的并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)在混合動(dòng)力工況時(shí)的能量分配優(yōu)化問(wèn)題，建立了以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和變速器擋位為優(yōu)化變量，以給定循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)油耗最小為目標(biāo)的有約束優(yōu)化計(jì)算模型。該優(yōu)化計(jì)算結(jié)果雖然

22、不能用于實(shí)時(shí)控制，但對(duì)于推導(dǎo)汽車(chē)實(shí)時(shí)控制策略是有益的。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳效率區(qū)，在混合動(dòng)力汽車(chē)上裝備CVT成為目前的一種發(fā)展趨勢(shì)。德國(guó)學(xué)者ZOELCH等對(duì)帶有i2-CVT的并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)作了研究，KIA汽車(chē)公司的KIA等提出以燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略。這種控制策略的實(shí)質(zhì)就是將發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)控制在最佳效率區(qū)工作，從而達(dá)到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。3.2.4 以成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略采用以成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略的混合動(dòng)力汽車(chē)裝備了小功率電動(dòng)機(jī)和小容量的蓄電池組，使蓄電池組的成本和質(zhì)量減少到最小程度。在這種策略中，電動(dòng)機(jī)一般僅僅只在汽車(chē)急加速時(shí)才啟動(dòng)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)向車(chē)輪提供加

23、速所需的功率。而汽車(chē)的一般行駛工況則由一個(gè)小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并在蓄電池組SOC下降到一定程度時(shí)為其充電，這進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率。當(dāng)汽車(chē)減速時(shí)，蓄電池組吸收制動(dòng)能量而充電。這種控制策略存在的一個(gè)缺陷是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎一直處于工作運(yùn)行狀態(tài)，雖然避免了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)控制引起的發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降問(wèn)題，但無(wú)法消除發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的排放問(wèn)題。這種汽車(chē)在加速時(shí)的控制策略有以下幾種模式：當(dāng)汽車(chē)原地起步時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)起步或者由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)起步，然后在汽車(chē)的速度增加到一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，提供加速所需的補(bǔ)充動(dòng)力。當(dāng)汽車(chē)快速起步或急加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合向車(chē)輪提供驅(qū)動(dòng)功率。3.2.5 模糊邏

24、輯控制策略上述幾種控制策略往往通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性或效率。模糊邏輯控制的控制思想是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化控制。3.2.6 電力輔助控制策略電力輔助控制策略將電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)中的靈活因素，根據(jù)汽車(chē)工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)行“削峰填谷”，從而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。此控制策略已應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，如本田Insight和雪鐵龍XSARA。3.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略3.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)模式 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略采用發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ矗妱?dòng)機(jī)和電池通過(guò)提供附加轉(zhuǎn)矩的形式進(jìn)行功率調(diào)峰，使系統(tǒng)獲得足夠的瞬時(shí)功率。由于采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

25、可以不隨車(chē)速變化，這樣使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作點(diǎn)，提供恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，而剩余的轉(zhuǎn)矩則由電動(dòng)機(jī)提供。這樣電動(dòng)機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)部分，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶來(lái)的損失，而且與發(fā)動(dòng)機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)的控制也更為靈敏，容易實(shí)現(xiàn)。3.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式這種策略從靜態(tài)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性出發(fā)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)校正后，跟蹤由驅(qū)動(dòng)條件決定的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)的控制。在這種策略下，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬(wàn)有特性圖中最佳油耗線上(圖4)。發(fā)動(dòng)機(jī)在高于某個(gè)轉(zhuǎn)矩或功率限值后才會(huì)打開(kāi)。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，離合器可以脫開(kāi)(避免損失)或接合(工況變化復(fù)雜時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)更為容易)。只有當(dāng)發(fā)電機(jī)電流需求超出電池的接受能力或者

26、當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流需求超出電動(dòng)機(jī)或電池的允許限制時(shí)，才調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線3.3.3 瞬時(shí)優(yōu)化模式 在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式思想的基礎(chǔ)上，對(duì)混合動(dòng)力車(chē)在特定工況點(diǎn)下整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，便可得到瞬時(shí)最優(yōu)工作點(diǎn)，然后基于系統(tǒng)的瞬時(shí)最優(yōu)工作點(diǎn)，對(duì)各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)再分配。 通常的瞬時(shí)優(yōu)化策略采用名義油耗作為控制目標(biāo)，這種控制策略要求將電動(dòng)機(jī)的能量損耗轉(zhuǎn)換為等效的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，得到一張類(lèi)似于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖的電動(dòng)機(jī)損耗圖。電動(dòng)機(jī)的等效油耗與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際油耗之和稱(chēng)為名義油耗。瞬時(shí)油耗模式從保證系統(tǒng)在每個(gè)工作時(shí)刻的名義油耗最小出發(fā)，動(dòng)態(tài)進(jìn)行傳動(dòng)比選擇和轉(zhuǎn)矩分配。這種策略和

27、發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線策略相類(lèi)似，只是最佳的優(yōu)化曲線是從名義油耗圖上得出。也有的瞬時(shí)優(yōu)化策略從功率損失出發(fā)，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)中各部件的瞬時(shí)總功率損失進(jìn)行優(yōu)化。在這種策略中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)不僅要根據(jù)油耗曲線來(lái)設(shè)定，還要考慮電池的荷電狀態(tài)。3.3.4 全局優(yōu)化模式由優(yōu)化理論可知，瞬時(shí)最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬時(shí)優(yōu)化模式并不能導(dǎo)致全局最優(yōu)的控制策略。全局優(yōu)化模式實(shí)現(xiàn)了真正意義上的最優(yōu)化，但實(shí)現(xiàn)這種控制策略的算法往往都比較復(fù)雜，計(jì)算量也很大，在實(shí)際車(chē)輛的實(shí)時(shí)控制中很難得到應(yīng)用。通常的作法是把應(yīng)用全局優(yōu)化算法得到的控制策略作為參考，再與其他的控制策略，如發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式等相結(jié)合，在保證可靠性和實(shí)

28、際可能性的前提下進(jìn)行優(yōu)化控制。 經(jīng)典的動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制理論有變分法、極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃3種方法。這里介紹的是采用貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論進(jìn)行全局優(yōu)化的策略。 在實(shí)際混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真優(yōu)化中，貝爾曼過(guò)程這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先要通過(guò)離散SOC來(lái)建立貝爾曼過(guò)程的節(jié)點(diǎn)，SOC離散精度可以選擇為1，時(shí)間步長(zhǎng)可以確定為1 s；然后計(jì)算各SOC節(jié)點(diǎn)之間連線的權(quán)重，這個(gè)權(quán)重對(duì)應(yīng)于實(shí)現(xiàn)SOC變化而需要的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。只要那些從初始sOc節(jié)點(diǎn)可以到達(dá)或可以由此出發(fā)達(dá)到終點(diǎn)SOC的節(jié)點(diǎn)都要被考慮，在循環(huán)工況中計(jì)算各連線權(quán)重，保留最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求和傳動(dòng)比的全局最優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示，在某種工況循環(huán)下，通常全局優(yōu)化比瞬時(shí)優(yōu)化降低油耗5到20。4. 結(jié)論 (1) 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，同時(shí)控制策略也不復(fù)雜，開(kāi)發(fā)難度較小，可開(kāi)發(fā)用于降低城市污染的公交車(chē)，并為其他類(lèi)型的HEV積累開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。 在串聯(lián)混合動(dòng)力的兩種常用控制方式中，由于功率跟隨式控制策略在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面有較好的綜合性能，所以該控制方式較為常用。采用功率跟隨與恒溫器綜合控制方式更有利于避免電池大電流放電和發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)，降低油耗提高排放性能。 (2) 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)可以使油耗和排放都得到顯著的降低，其控制策略優(yōu)化后優(yōu)點(diǎn)更加明顯。采用小功