浅析混合动力汽车及其动力匹配策略

浅析混合动力汽车及其动力匹配策略

李硕    谢扬

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长城汽车股份有限公司   河北保定  071000

摘要：我国汽车工业可持续发展中面临环境污染、石油资源匮乏两大问题。在实践中通过不断探究各种新燃料、能源及动力，认定混合动力汽车（HEV）是可靠、实用的一种选择，HEV继承了纯电动汽车节能、减排的优势，还弥补了纯电动汽车续航能力低的不足。若能合理应用优化控制策略，将会使发动机、电机及电池等维持在最适宜的经济区运转，高效率的回收再生制动能量，提高汽车对能量的综合利用效率，明显降低污染物的排放量。动力参数匹配及控制策略设计实施情况影响着整车性能，更好的满足其对动力性提出的要求，最大限度的提升系统的运行效率。

关键词：混合动力汽车；动力匹配；控制策略；智能体

随着石油危机以及气候问题的产生，汽车行业将发展方向定位在电动汽车领域。但现阶段由于电池技术瓶颈，使得纯电动汽车无法普遍应用。混合动力汽车（HEV）具有2种及2种以上动力源，是解决以上问题的一种过渡车型，将在未来一段时间内成为汽车行业的研究重点。由于HEV具有多种动力源，因此开发出相应的控制策略，合理匹配动力，实现节能减排是HEV研究的核心问题。

1混合动力汽车的分类

1.1混合动力汽车的动力来源

根据混合动力系统的动力来源不同，可将HEV分为油电HEV和油气HEV。油电HEV由电动机和燃油发动机提供动力，由蓄电池为电动机供电，同时利用超级电容对功率需求“削峰填谷”以及能大电流快速充放电的特性来弥补蓄电池性能的不足。油电HEV一般都具备自行发电的功能，ISG（汽车起动发电一体机）型电动机的应用使得电动机集成了发电机功能，更加有利于对充放电的控制。由于综合性能好，油电HEV得到普遍应用。油气HEV由气动电机和燃油发动机提供动力，结合了气动汽车具有行驶过程无污染、不消耗石油以及燃油汽车的续驶里程长的优点。

1.2混合动力汽车的混合程度

按动力混合程度的不同，可将HEV分为轻度、中度和重度。混合程度为电动机输出功率占整个动力系统输出功率的百分比。轻度HEV电动机输出功率所占比例小，电动机起辅助动力的作用，对电动机功率要求较小；中度HEV电动机输出功率占总功率的比例超过30%，需求的电动机功率比轻度混合的大；重度HEV以电动机为基础动力，发动机为辅助动力，对电动机功率要求更高，应完全满足车辆在起动及低速下的动力需求。

1.3混合动力汽车的动力系统布置及组合形式

HEV的动力系统布置及组合形式包括串联式混合动力汽车（SHEV）、并联式混合动力汽车（PHEV）和混联式混合动力汽车（CHEV）。

1.3.1串联式混合动力汽车

SHEV的电动机和发动机以串联的方式工作，其动力系统结构，SHEV中发动机带动发电机工作，将机械能转化为电能，由电能带动电动机驱动汽车，同时将多余的电能储存在蓄电池中。蓄电池实际上起到平衡发动机和电动机输出功率的作用。由于SHEV最终驱动汽车运行的是电动机，发动机不直接参与驱动，故发动机能稳定工作在高效区域或低排放区域且易于控制。其缺点是增加了能量转化的次数，降低了能量利用率，在中高速工况表现更为明显。SHEV的动力部件是串联工作的，所以要求电动机、发动机、发电机和蓄电池的功率容量大，提高了整车质量和成本。SHEV适用于城市道路低速行驶工况。

1.3.2并联式混合动力汽车

PHEV动力系统结构，PHEV将发动机和电动机提供的动力以并联方式通过动力耦合装置传入变速器。在PHEV中，发动机和电动机既可以单独驱动，也可以共同驱动。ISG电动机的应用，使得PHEV在发动机输出功率大于需求功率时能将多余的能量用来发电。这表明PHEV兼具了SHEV的部分功能。相比SHEV，PHEV结构较复杂，控制难度较大，但能量利用率较高，电动机、蓄电池及发动机的功率要求较小，可降低整车质量和成本，目前应用最多。

2混合动力汽车动力匹配控制策略

2.1基于规则的控制策略

2.1.1基于静态逻辑门限的控制策略

1）恒温器控制策略：以蓄电池SOC门限来控制发动机的开关。当蓄电池SOC降到设定的低门限值SOClow时，发动机打开并在最低油耗或最低排放点按恒功率输出功率；当蓄电池SOC上升到所设定的高门限值SOChigh时，发动机关闭，由电动机驱动车辆行驶。这种控制模式简单易行，但蓄电池要能够提供所有的瞬时功率，蓄电池的过度循环降低了发动机优化所提高的性能。这种策略对发动机有利而对蓄电池不利。2）功率跟随式控制策略：根据蓄电池的SOC和负荷确定发动机的开关及输出功率的大小。在该控制策略下，发动机输出功率跟随车轮需求功率变化，蓄电池工作循环消失，蓄电池的损失被减小到最低。但发动机必须在整个负荷区内工作，且要求发动机的功率快速地变化，降低了发动机的效率和排放性能。功率跟随式控制策略常与恒温器控制策略联合使用。3）发动机最佳燃油消耗点控制策略：以发动机为主要动力源，电动机提供辅助动力对功率进行调峰，从而满足HEV对瞬时功率的需求。由于行星齿轮结构的应用，发动机的转速可以不随车速变化，可以使发动机工作在最佳工作点，提供恒定的转矩，由电动机提供剩余的转矩。该控制策略避免了发动机动态调节对性能的降低，且与发动机相比，电动机更易于控制。4）发动机最优工作曲线控制策略：在静态下发动机万有特性曲线的基础上，经动态校正，使发动机始终工作在最优工作曲线上。在该控制策略下，发动机在达到某一转矩或功率后才会打开，并沿最优工作曲线工作。只有当发电机的电流大于蓄电池的电流上限或者当电动机的需求电流大于发电机或蓄电池的上限时，才改变发动机的工作电。

2.1.2基于模糊规则的控制策略

基于模糊规则的控制策略同时控制发动机、电动机和蓄电池，使发动机在最优曲线上工作。根据驾驶员的驾驶需求来判断行驶过程对驱动功率或转矩的需求。再根据驱动功率或转矩的需求、当前车速下发动机的最优输出功率或转矩、蓄电池SOC值及电动机的特性，通过模糊逻辑控制器确定发动机和电动机的输出功率或转矩。模糊规则控制策略比较依赖经验，控制精度较低，还不成熟，尚待完善。基于规则的控制策略计算量不大，相对简单，所以应用较多，其中电辅助控制策略已经用于实际控制。其不足之处在于只是对发动机进行优化，因此，很难实现整体最优。

2.2基于系统优化的控制策略

1）实时优化控制策略以名义油耗为控制目标，对HEV在特定工况点下整个动力系统进行优化，得到实时的最优工作点，再基于系统的实时最优工作点，对各个动力部件的状态参量进行匹配。在这种控制策略中，确定发动机的工作点时要兼顾蓄电池的SOC。实时优化策略考虑的是每个瞬时的最优化，并没有从整个循环角度来考虑，因此并不一定能得到全局最优解。2）全局优化控制策略是对特定工况，以油耗和排放最小为优化目标，来确定发动机、电动机及蓄电池的工作参数的一种控制策略。从理论上讲，全局优化控制可实现真正的最优性能，但由于实际行驶过程的实时工况是不可预知的，所以实际应用困难。目前，全局优化主要用于分析、评价和调节其他控制策略。综上，目前已有的控制策略还不完善，不能适应多变且复杂的行驶工况，不够智能，不利于整车性能的提高。因此，为了适应复杂多变的工况，未来可将多智能体集成控制作为HEV控制策略的研究重点。

3结束语

1）目前的HEV种类多样，动力源各不相同，油电HEV因其良好的综合性能成为HEV发展的重点车型。2）SHEV结构最简单，易于控制，但总体能量利用率不高，适用于城市低速工况；PHEV结构较复杂，控制难度较大，能量利用率较高，应用最多，较适用于城市间公路和高速公路的稳定行驶工况；CHEV结构最为复杂，控制难度最大，应用很少。

参考文献

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