混合動力汽車控制策略混合動力汽車控制策略摘要：混合動力汽車的動力系統(tǒng)基本可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種，對并聯(lián)型和串聯(lián)型混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀進行分析。混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使得能量流動的控制和能量消耗的優(yōu)化具有更大的靈活性和可能性，并對混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的幾種控制方案進行了分析。指出混合動力汽車的控制策略不十分完善，需要進一優(yōu)化?？刂撇呗圆粌H僅要實現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟性，而且還要兼顧發(fā)動機排放、蓄電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性及整車成本等多方面要求，并針對混合動力汽車各部件的特性和汽車的運行工況，使發(fā)動機、電動機、蓄電池和傳動系統(tǒng)實現(xiàn)最佳匹配。關(guān)鍵詞：混合動力汽車結(jié)構(gòu)控制策略優(yōu)化混合動力汽車的研究背景在20世紀的最后十幾年，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來越緊密地與汽車聯(lián)系在一起。研制開發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車，成為各大汽車公司的當(dāng)務(wù)之急。專家們估計，短時間內(nèi)燃料電池技術(shù)難有重大突破，電動汽車暫時還無法完全取代燃油發(fā)動機汽車?；旌蟿恿ζ囀羌骖櫫穗妱悠嚭蛡鹘y(tǒng)汽車優(yōu)點的新一代汽車結(jié)構(gòu)型式，因其具有低油耗、低排放的潛力，動力性接近于傳統(tǒng)汽車，而生產(chǎn)成本低于純電動汽車，最近幾年來其研究開發(fā)成為世界上各大汽車公司、研究機構(gòu)和大學(xué)的一個研究熱點。可以相信，在電動汽車的儲能部件—電池沒有根本性突破以前，使用混合動力電動汽車是解決排污和能源問題最具現(xiàn)實意義的途徑之一。混合動力電動汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車和電動汽車不同，它一般至少有兩種車載能量源，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，實現(xiàn)整車系統(tǒng)性能的改善和提高。要實現(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。控制策略是混合動力汽車的靈魂，它根據(jù)汽車行駛過程中對動力系統(tǒng)的能量要求，動態(tài)分配發(fā)動機和電動機系統(tǒng)的輸出功率。采用不同的控制策略是為了達到最優(yōu)的設(shè)計目標，其主要目標為：最佳的燃油經(jīng)濟性、最低的排放、最低的系統(tǒng)成本、最佳的驅(qū)動性能。當(dāng)前開發(fā)研制的混合動力汽車可以分為三類：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動力電動汽車。在各部件的選型確定以后，采用合適的控制策略是實現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟性，降低排放的關(guān)鍵。目前提出的混合動力汽車控制策略還不成熟，實用性不強，只有基于工程經(jīng)驗進行設(shè)計的邏輯門限控制策略在實際商品化混合動力汽車中得到了應(yīng)用。開發(fā)一種成熟實用的控制策略仍然是目前亟待解決的難題。隨著對混合動力系統(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用。自適應(yīng)控制策略，實際上是一種實時控制策略，它同時考慮了發(fā)動機的燃油消耗和排放。由于實時控制策略能夠保證在任一時刻都是由效率最優(yōu)的部件工作，因此其燃油經(jīng)濟性要優(yōu)于模糊邏輯控制策略。但是實時控制策略過分依賴于各個部件的性能特性的精確性，由于受電池老化、發(fā)動機動態(tài)特性等的影響，在實際車輛的實時控制中很難得到應(yīng)用。模糊邏輯控制策略由于其魯棒性好的特點，適用于車輛控制這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對混合動力電動汽車的控制有明顯的優(yōu)越性。在國內(nèi)，由于混合動力電動汽車的起步較晚，對混合動力控制策略的研究遠沒有達到成熟的程度，大都處于理論研究階段。在應(yīng)用方面可以說才剛剛起步，尚未實現(xiàn)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化，與國外有關(guān)混合動力汽車控制方面的技術(shù)水平有相當(dāng)大的差距。因此，我國應(yīng)大力提高混合動力汽車關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力，尤其是對車輛的性能有較大影響的控制策略的自主研發(fā)能力，以提高我國混合動力汽車的產(chǎn)品化進程。在20世紀的最后十幾年，節(jié)能、環(huán)保、新能源等字眼越來越緊密地與汽車聯(lián)系在一起。研制開發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保、使用替代能源的新型汽車，成為各大汽車公司的當(dāng)務(wù)之急。專家們估計，短時間內(nèi)燃料電池技術(shù)難有重大突破，電動汽車暫時還無法完全取代燃油發(fā)動機汽車。混合動力汽車是兼顧了電動汽車和傳統(tǒng)汽車優(yōu)點的新一代汽車結(jié)構(gòu)型式，因其具有低油耗、低排放的潛力，動力性接近于傳統(tǒng)汽車，而生產(chǎn)成本低于純電動汽車，最近幾年來其研究開發(fā)成為世界上各大汽車公司、研究機構(gòu)和大學(xué)的一個研究熱點?？梢韵嘈牛陔妱悠嚨膬δ懿考姵貨]有根本性突破以前，使用混合動力電動汽車是解決排污和能源問題最具現(xiàn)實意義的途徑之一。混合動力電動汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽圖3混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖混合動力汽車控制策略在混合動力汽車各部件的配置確定下來之后，如何優(yōu)化控制策略是實現(xiàn)混合動力汽車低油耗、低排放目標的關(guān)鍵所在。在滿足汽車的動力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下，針對各部件的特性及汽車的運行工況，控制策略要實現(xiàn)能量在發(fā)動機、電動機之間能有效而合理地分配，使整車系統(tǒng)效率達到最高，獲得整車最大的燃油經(jīng)濟性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能?？刂撇呗缘幕舅悸吠ǔＳ袃煞N：一是直接法，即直接將優(yōu)化目標表示為系統(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，從計算當(dāng)前驅(qū)動條件下各個部件的效率入手，得到整個系統(tǒng)的能量損失。損失最小的狀態(tài)變量就是當(dāng)前驅(qū)動條件下應(yīng)該選擇的狀態(tài)變量，如發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，電池的放電電流等。驅(qū)動條件常用驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來表示。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)式混合動力汽車的控制策略由于串聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機與汽車行駛工況沒有直接聯(lián)系，因此控制策略的主要目標是使發(fā)動機在最佳效率區(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、電傳動系統(tǒng)、發(fā)動機和發(fā)電機的總體效率。串聯(lián)型混合動力汽車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)定的低門限值時，發(fā)動機啟動，在最低油耗或排放點按恒功率輸出，一部分功率用于滿足車輪驅(qū)動功率要求，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)定的高門限值時，發(fā)動機關(guān)閉，由電動機驅(qū)動車輪。在這種模式中蓄電池組要滿足所有瞬時功率的要求，蓄電池組的過度循環(huán)所引起的損失可能會減少發(fā)動機優(yōu)化所帶來的好處。這種模式對發(fā)動機比較有利而對蓄電池不利。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和負荷確定發(fā)動機的開關(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)動機功率需求小于輸出功率時，將發(fā)動機的輸出功率調(diào)整為最小值；當(dāng)SOC高于下界，汽車總的需求負荷未超出電池容量但超過發(fā)動機最大功率時，則發(fā)動機輸出功率調(diào)整為最大值。發(fā)動機的功率緊緊跟隨車輪功率的變化，這與傳統(tǒng)的汽車運行相似。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)動機必須在從低到高的整個負荷區(qū)范圍內(nèi)運行，而且發(fā)動機的功率快速而動態(tài)地變化，這些都會損害發(fā)動機的效率和排放性能。解決的辦法是采用自動無級變速傳動(CVT)無級變速器，控制發(fā)動機沿最小油耗曲線運行，這樣同時減少了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)動機一般工作在最佳油耗點附近，功率跟隨式的發(fā)動機一般工作在最佳經(jīng)濟性工作線附近。相比而言，前者發(fā)動機的平均工作效率要高，但功率跟隨式控制策略在動力性和燃油經(jīng)濟性方面有較好的綜合性能。上述兩種控制模式可以結(jié)合起來使用，其目的是充分利用發(fā)動機和電池的高效率區(qū)，使其達到整體效率最高。3.2并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略目前仍不成熟，需要進一步優(yōu)化。一般的控制策略通常是根據(jù)電池的SOC、駕駛員的加速踏板位置、車速和驅(qū)動輪的平均功率等參數(shù)，按照一定的規(guī)則使發(fā)動機和電動機輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，以滿足驅(qū)動輪驅(qū)動力矩的要求。3.2.1以車速為主要參數(shù)的控制策略這是最早也是最常采用的一種控制策略，它利用車速大小作為控制的依據(jù)。當(dāng)汽車車速低于所設(shè)定的車速時，由電動機單獨驅(qū)動車輪；當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時，電動機停止驅(qū)動，而由發(fā)動機驅(qū)動車輪；當(dāng)車輪負荷比較大時，則由發(fā)動機和電動機聯(lián)合驅(qū)動車輪。這種策略利用了電動機低速大轉(zhuǎn)矩的作用，避免了發(fā)動機的怠速及低負荷工況。當(dāng)車速較高有助于發(fā)動機有效工作時，發(fā)動機的啟動可避免純電動高速行駛時電池的快速放電損失。在這種控制策略中，發(fā)動機啟動的設(shè)定車速可以設(shè)計為一個定值。對于荷電消耗型混合動力汽車，設(shè)定車速愈低，汽車一次充電的續(xù)駛里程愈長。也可將設(shè)定車速設(shè)計為蓄電池組放電深度的函數(shù)。美國BULTER等提出了另一種基于速度的控制策略。汽車在低速行駛時，也是由電動機單獨驅(qū)動車輪；但當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時，則采用了混合驅(qū)動。此時的發(fā)動機保持在一個恒定的節(jié)氣門開度運行，而由電動機提供車輪所需的動態(tài)功率。通過提高發(fā)動機啟動的設(shè)定車速，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)動機工作的時間。這種控制策略有利于減少汽車的排放，但電動機及蓄電池組的功率較大，將增加整車自重和成本。對于采用上述控制策略的荷電維持型混合動力汽車，還需要監(jiān)視蓄電池組的SOC，當(dāng)SOC降到某一設(shè)定值以下時，無論此時車速多低，發(fā)動機都將啟動，同時一部分發(fā)動機功率通過發(fā)電機向蓄電池組充電。3.2.2以功率為主要參數(shù)的控制策略當(dāng)車輪平均功率低于某設(shè)定值時，汽車由電動機單獨驅(qū)動；當(dāng)車輪平均功率高于該設(shè)定值時，此時有利于發(fā)動機有效工作，因而發(fā)動機被啟動，電動機則停止運行。發(fā)動機啟動的最佳時機是在變速器換擋期間，這有助于獲得平穩(wěn)的駕駛性能。一旦車輪平均功率超過發(fā)動機所能提供的功率時，電動機啟動，輔助發(fā)動機提供額外的功率。在上述兩種控制策略中，都存在發(fā)動機和電動機聯(lián)合驅(qū)動的混合動力工況。這種工況一般出現(xiàn)在車輪平均功率很高的時侯，其控制策略有以下幾種模式：①當(dāng)加速踏板踩下時，發(fā)動機和電動機的功率按照一定比例同時增加，以滿足駕駛員的高功率需求。②電動機功率一直增加到其最大值，然后啟動發(fā)動機以提供補充動力。③發(fā)動機被控制在有較高功率的低油耗區(qū)穩(wěn)定運行，而由電動機來提供所需的補充功率。上述兩種控制策略都比較簡單，不能保證各部件得到最佳匹配，無法獲得整車系統(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)的控制策略法國學(xué)者DZLPRAT和PANGANELLI等研究了帶機械有級式變速器的并聯(lián)型混合動力汽車在混合動力工況時的能量分配優(yōu)化問題，建立了以電動機轉(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)動機油耗最小為目標的有約束優(yōu)化計算模型。該優(yōu)化計算結(jié)果雖然不能用于實時控制，但對于推導(dǎo)汽車實時控制策略是有益的。為了使發(fā)動機工作在最佳效率區(qū)，在混合動力汽車上裝備CVT成為目前的一種發(fā)展趨勢。德國學(xué)者ZOELCH等對帶有i2-CVT的并聯(lián)型混合動力汽車作了研究，KIA汽車公司的KIA等提出以燃油經(jīng)濟性為目標的優(yōu)化控制策略。這種控制策略的實質(zhì)就是將發(fā)動機和電動機控制在最佳效率區(qū)工作，從而達到最佳的燃油經(jīng)濟性。3.2.4以成本和燃油經(jīng)濟性為目標的控制策略采用以成本和燃油經(jīng)濟性為目標的控制策略的混合動力汽車裝備了小功率電動機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，電動機一般僅僅只在汽車急加速時才啟動，輔助發(fā)動機向車輪提供加速所需的功率。而汽車的一般行駛工況則由一個小排量的發(fā)動機單獨驅(qū)動，并在蓄電池組SOC下降到一定程度時為其充電，這進一步提高了發(fā)動機的負荷率。當(dāng)汽車減速時，蓄電池組吸收制動能量而充電。這種控制策略存在的一個缺陷是，由于發(fā)動機幾乎一直處于工作運行狀態(tài)，雖然避免了發(fā)動機開關(guān)控制引起的發(fā)動機效率下降問題，但無法消除發(fā)動機在低負荷時的排放問題。這種汽車在加速時的控制策略有以下幾種模式：①當(dāng)汽車原地起步時，由發(fā)動機單獨驅(qū)動汽車起步或者由電動機單獨驅(qū)動汽車起步，然后在汽車的速度增加到一定值時，發(fā)動機啟動，提供加速所需的補充動力。②當(dāng)汽車快速起步或急加速時，發(fā)動機和電動機聯(lián)合向車輪提供驅(qū)動功率。3.2.5模糊邏輯控制策略上述幾種控制策略往往通過優(yōu)化發(fā)動機的工作點來提高燃油經(jīng)濟性或效率。模糊邏輯控制的控制思想是對發(fā)動機、電動機和蓄電池同時進行優(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機作為動力系統(tǒng)中的靈活因素，根據(jù)汽車工況對發(fā)動機輸出功率進行“削峰填谷”，從而優(yōu)化發(fā)動機的運行。此控制策略已應(yīng)用在現(xiàn)實的混合動力系統(tǒng)中，如本田Insight和雪鐵龍XSARA。3.3混聯(lián)式混合動力汽車的控制策略3.3.1發(fā)動機恒定工作點模式混聯(lián)式混合動力汽車的控制策略采用發(fā)動機作為主要動力源，電動機和電池通過提供附加轉(zhuǎn)矩的形式進行功率調(diào)峰，使系統(tǒng)獲得足夠的瞬時功率。由于采用了行星齒輪機構(gòu)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以不隨車速變化，這樣使發(fā)動機工作在最優(yōu)工作點，提供恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，而剩余的轉(zhuǎn)矩則由電動機提供。這樣電動機來負責(zé)動態(tài)部分，避免了發(fā)動機動態(tài)調(diào)節(jié)帶來的損失，而且與發(fā)動機相比，電動機的控制也更為靈敏，容易實現(xiàn)。3.3.2發(fā)動機最優(yōu)工作曲線模式這種策略從靜態(tài)條件下的發(fā)動機萬有特性出發(fā)，經(jīng)過動態(tài)校正后，跟蹤由驅(qū)動條件決定的發(fā)動機最優(yōu)工作曲線，從而實現(xiàn)對發(fā)動機及整車的控制。在這種策略下，讓發(fā)動機工作在萬有特性圖中最佳油耗線上(圖4)。發(fā)動機在高于某個轉(zhuǎn)矩或功率限值后才會打開。發(fā)動機關(guān)閉后，離合器可以脫開(避免損失)或接合(工況變化復(fù)雜時，發(fā)動機起動更為容易)。只有當(dāng)發(fā)電機電流需求超出電池的接受能力或者當(dāng)電動機驅(qū)動電流需求超出電動機或電池的允許限制時，才調(diào)整發(fā)動機的工作點。圖4發(fā)動機最優(yōu)工作曲線3.3.3瞬時優(yōu)化模式在發(fā)動機最優(yōu)工作曲線模式思想的基礎(chǔ)上，對混合動力車在特定工況點下整個動力系統(tǒng)的優(yōu)化目標進行優(yōu)化，便可得到瞬時最優(yōu)工作點，然后基于系統(tǒng)的瞬時最優(yōu)工作點，對各個狀態(tài)變量進行動態(tài)再分配。通常的瞬時優(yōu)化策略采用名義油耗作為控制目標，這種控制策略要求將電動機的能量損耗轉(zhuǎn)換為等效的發(fā)動機油耗，得到一張類似于發(fā)動機萬有特性圖的電動機損耗圖。電動機的等效油耗與發(fā)動機的實際油耗之和稱為名義油耗。瞬時油耗模式從保證系統(tǒng)在每個工作時刻的名義油耗最小出發(fā)，動態(tài)進行傳動比選擇和轉(zhuǎn)矩分配。這種策略和發(fā)動機最優(yōu)工作曲線策略相類似，只是最佳的優(yōu)化曲線是從名義油耗圖上得出。也有的瞬時優(yōu)化策略從功率損失出發(fā)，對混合動力系統(tǒng)中各部件的瞬時總功率損失進行優(yōu)化。在這種策略中，發(fā)動機工作點不僅要根據(jù)油耗曲線來設(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，瞬時最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬時優(yōu)化模式并不能導(dǎo)致全局最優(yōu)的控制策略。全局優(yōu)化模式實現(xiàn)了真正意義上的最優(yōu)化，但實現(xiàn)這種控制策略的算法往往都比較復(fù)雜，計算量也很大，在實際車輛的實時控制中很難得到應(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)動機最優(yōu)工作曲線模式等相結(jié)合，在保證可靠性和實際可能性的前提下進行優(yōu)化控制。經(jīng)典的動態(tài)最優(yōu)控制理論有變分法、極小值原理和動態(tài)規(guī)劃3種方法。這里介紹的是采用貝爾曼動態(tài)規(guī)劃理論進行全局優(yōu)化的策略。在實際混合動力系統(tǒng)的仿真優(yōu)化中，貝爾曼過程這樣來實現(xiàn)：首先要通過離散SOC來建立貝爾曼過程的節(jié)點，SOC離散精度可以選擇為1％，時間步長可以確定為1s；然后計算各SOC節(jié)點之間連線的權(quán)重，這個權(quán)重對應(yīng)于實現(xiàn)SOC變化而需要的發(fā)動機油耗。只要那些從初始sOc節(jié)點可以到達或可以由此出發(fā)達到終點SOC的節(jié)點都要被考慮，在循環(huán)工況中計算各連線權(quán)重，保留最優(yōu)解，實現(xiàn)電動機和發(fā)動機的功率要求和傳動比的全局最優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示，在某種工況循環(huán)下，通常全局優(yōu)化比瞬時優(yōu)化降低油耗5％到20％。結(jié)論(1)串聯(lián)式混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)最簡單，同時控制策略也不復(fù)雜，開發(fā)難度較小，可開發(fā)用于降低城市污染的公交車，并為其他類型的HEV積累開發(fā)經(jīng)驗。在串聯(lián)混合動力的兩種常用控制方式中，由于功率跟隨式控制策略在動力性和燃油經(jīng)濟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)動機的頻繁啟動，降低油耗提高排放性能。(2)并聯(lián)式混合動力電動汽車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)點更加明顯。采用小功率電動機和小容量蓄電池組的并聯(lián)式混合動力汽車，能夠極大地降低混合動力汽車的自重和制造成本，是十分有市場化前景的一種結(jié)構(gòu)型式。特別是這種結(jié)構(gòu)型式與cVT配合，是獲得較高的燃油經(jīng)濟性、較低的排放、平穩(wěn)的駕駛性能的一種比較理想的系統(tǒng)型式。對于這種系統(tǒng)，如何對蓄電池組的SOC進行合理而有效的能量管理是獲得整車最佳燃油經(jīng)濟性的關(guān)鍵。電力輔助控制策略是并聯(lián)式混合動力電動汽車較為普遍采用的一種控制策略。電力輔助控制策略比較簡