混合动力汽车控制策略

混合动力汽车控制策略及其研究方向目录1.混合动力汽车的系统结构2.混合动力汽车的控制策略3.混合动力汽车的研究方向1.混合动力汽车的系统结构根据动力系统的结构和能量流动方式的不同，混合动力电动汽车可分为串联式、并联式、混联式。近年，又新出现了电动轮式混合动力电动汽车。1.1串联式动力系统串联式混合动力电动汽车动力组成由发动机、发电机和驱动电机3大主要部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。串联式混合动力系统1.2并联式动力系统并联式混合动力电动汽车主要由发动机、电动/发电机两大部件总成组成，它们可分开工作也可以协调工作，结构具有明显的多样性，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加，发动机功率和电动/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的0.5~1倍，因此，可以采用小功率的发动机与电动/发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力电动汽车长一些，其特点更加趋近于内燃机汽车。由于并联混合动力汽车有两套驱动系统，且不同的驱动系统有不同的工作效率区间，这就使得汽车在不同的行驶工况下，具有不同工作模式。并联式混合动力系统1.3混联式动力系统混联式系统最能体现HEV系统的最优化思想，同时也是最复杂、研究难度最大的结构。低速和启动时发动机关闭，电动机由电池供电并输出动力；发动机运行时，视电池状态和动力需求，发电机承担发电或调速的作用；制动时电动机和发电机均能进行制动能量回收，向电池充电。上述几种电动车原理，其动力传动系统基本都维持了内燃机汽车传统的传动方案，特别是从主减速器、差速器、半轴到车轮基本没有改变。最近出现了一种更为先进的电动汽车，取代了这一传统的传动方案，这就是电动轮式混合动力电动汽车混联式动力系统1.4电动轮式动力系统电动轮式混合动力电动汽车最大特点就是用电子差速器代替了传统汽车的差速器和半轴，将电动机直接安装在驱动轮上，从而使电动轮驱动型式结构简洁、传动高效。电动轮式动力系统2.混合动力汽车的控制策略在混合动力汽车各部件的配置确定下来之后，如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目标的关键所在。在满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及成本等要求的前提下，针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在发动机、电机之间的合理而有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。2.1串联式混合动力汽车的控制策略由于串联式混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外，为了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动机和发电机的总体效率。以下介绍串联式混合动力汽车的两种基本的控制模式。2.1.1恒温器控制模式2.1.2发动机跟踪器控制模式上述两种控制模式可以结合起来使用，其目的是充分利用发动机和电池的高效率区，使其达到整体效率最高。发动机在荷电状态值较低或负载功率较大时均会起动；当负载功率较小且荷电状态值高于预设的上限值时，发动机被关闭；在发动机关和开之间设定了一定范围的状态保持区域，这样可以避免发动机的频繁起停。发动机一旦起动便在相对经济的区域内对电动机的负载功率进行跟踪，当负载功率大于或小于发动机经济区域所能输出的功率时，电池组可以通过充放电对该功率差进行缓冲和补偿，采用该控制策略可以减少电能的循环损耗，避免电池大电流放电和发动机的频繁起动，降低了油耗，提高了排放性能。2.2并联式混合动力电动汽车控制策略目前用于并联的策略一般有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略(实时控制策略)和模糊逻辑控制策略三种,下面分别加以介绍.2·2·1并联电辅助驱动式控制策略在电辅助驱动控制策略中,利用电动机提供额外功率,并要保持电池的荷电状态处于允许的工作范围。具体的控制策略如下:a.当车速低于某一最小车速时,电动机提供全部的驱动力;b.当转矩需求高于发动机的最大值时,电动机提供额外的驱动转矩;c.当发动机在给定的车速上效率很低时,发动机关机,由电动机提供驱动转矩;d.当电池SOC过低时,发动机提供额外扭矩带动电机工作对电池充电。e.回收制动能量,为蓄电池充电;2.2.2并联自适应式控制策略(实时控制策略)这种控制策略兼顾了燃油经济性和发动机废气排放两方面的性能,在每一个时间段内都对发动机和电动机的转矩分配进行优化控制。主要特点如下:a.当车速低于某一最小车速时,由电机提供全部驱动力;b.当车速大于最小车速,并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时,根据发动机的燃油消耗率和当前电池的SOC值来决定动力源;c.当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩,并且小于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时,由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机对电池充电,取决于电池的SOC以及此时电池和电机的效率;d.当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时,由电机提供扭矩助力;e.减速时回收制动能量。2.2.3模糊逻辑控制策略模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。模糊逻辑控制策略目标与实时控制策略类似,但是与实时控制策略相比,模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点。模糊控制规则的主要意图是:a.所需功率近似为当前转速下发动机最优功率时,电机基本不工作。b.所需功率大于最优功率一定值时,发动机工作点位于最优工作点附近,余下的部分功率由电机提供,同时使电机运行效率也在较高范围内。c.SOC超出限定值时,采取相应措施,使其回到正常范围。2.3混联式混合动力汽车的控制策略混联式结构最能体现混合动力系统的最优化思想，同时也是最复杂、型式最多样和研究难度最大的结构。混联式混合动力系统结合了串、并联混合式动力汽车结构的优点，在能量流的控制上有更大的灵活性，可以实现油耗和排放的最佳优化目标。2.3.1发动机恒定工作点控制策略这种策略采用发动机作为主要动力源，电机和电池通过提供附加转矩的形式进行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮机构使发动机转速可以不随车速变化，这样使发动机工作在最优的工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电机提供。这样电动机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失。而且与发动机相比，电机的控制更为灵敏，也更容易实现。2.3.2发动机最优工作曲线控制策略这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这种策略下，让发动机工作在万有特性图中最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩或功率限值后才会打开；发动机关闭后，离合器可以脱开（避免损失）或接合（工况变化复杂时，发动机起动更为容易），只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电机驱动电流需求超出电机或电池的允许限制时，才调整发动机的工作点。2.3.3瞬时优化控制策略在发动机最优工作曲线模式思想的基础上，对混合动力车在特定工况点下整个动力系统的优化目标（如效率损失、名义油耗）进行优化，便可得到瞬时最优工作点，然后基于系统的瞬时最优工作点，对各个状态变量进行动态再分配。通常的瞬时优化策略采用名义油耗和功率损失作为控制目标。2.3.4全局优化控制策略瞬时优化控制策略在每一步长内可能是最优的，但无法保证在整个运行区间内是最优的。全局优化控制策略实现了真正意义上的最优化，但实现这种控制策略的算法往往都比较复杂，计算量也很大，在实际车辆的实时控制中很难得到应用。通常的作法是把应用全局优化算法得到的控制策略作为参考，再与其它的控制策略，如发动机最优工作曲线模式等相结合，在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。2.4电动轮式混合动力汽车的控制策略现在借助现代计算机控制技术直接控制各电动轮实现电子差速的控制策略，已经成为电动汽车发展的一个独特方向。电动轮式混合动力电动汽车的核心控制技术在于实现电子差速的控制策略，电子差速器工作原理如下：当汽车直线行驶时，左右两侧车轮转速相等，通过车轮转速传感器测速后将信号送入中央处理器，中央处理器比较左右两轮的转速后，通知电机控制器，使之左右两轮速度一致，并且还要保证左右两轮滚过相同的距离。当汽车转弯时，根据转向盘给定的转角、路面道路工况和车轮转速情况，中央控制器及时计算，将两轮所需的转速信号送给电机控制器来实现对两轮的差速控制。3.混合动力汽车的研究方向混合动力电动汽车的良好前景已经引起了研究者的广泛关注,对混合动力电动车技术已经进行了大量的研究,在理论和应用上都取得了一定成绩。但是,混合动力电动汽车是门新技术,还不够成熟,要实现产业化还有许多工作要做。尤其是国内,对该课题的研究,目前还基本处于实验研究阶段。因此,对这方面的研究工作有着十分重要的意义。3.1串联式串联式结构简单,控制策略也不复杂,开发难度小。但是,由于系统负载能力完全取决于电动机,为了保证汽车正常启动和爬坡、加速性能,电动机尺寸就会较大。从国内已开发的试验车数据来看,大部分串联式电动车排放有所降低,油耗基本和传统燃油车相当,爬坡、加速性能较差,一般只能用在短途轻载场所。如何控制发动机时刻工作在高效率区以及如何提高车辆爬坡、加速性能是串联式混合动力车值得进一步研究的问题。3.2并联式并联式混合动力车适合多种工况,既能做到城市中心零排放,又能在郊外以传统内燃机汽车方式工作。与串联式相比,由于发动机直接对驱动轴驱动,没有过多的功率损失,所以效率更高;电动机起动避免了传统发动机起动的缺点,在各工况下系统控制策略始终控制发动机工作在高效率区,降低了汽车油耗和排放;并联控制策略采取的是电力维持方式,SOC被控制在一个高效、安全的范围内并且波动较小,故电池使用寿命更长,系统有更好的经济性。但是,由于整车包含了两套独立的驱动结构,整车质量有所增加。而且,虽然目前并联式混合动力电动汽车控制策略有多种,但是都还处于实验室阶段,并联自适应式控制策略(即实时控制策略)和模糊控制策略在混合动力电动汽车上逐渐展示了自身强大的生命力,但还极其不成熟。如何提高动力复合装置效率,降低整车质量,实现驱动系统最优控制是并联式混合动力电动汽车急待解决的几个问题。3.3混联式混联式虽然理论上易于实现最优的燃油消耗和低排放,但是具体开发起来难以把握。一方面,因为混联式对动力复合装置要求更高,目前行星轮动力复合装置的机械构架只能按固定比例来分配动力,难以满足系统更为复杂的动力复合要求。另一方面,为了满足混联式混合动力车在各种工况下同时实现低排放和低油耗的目的,控制策略就必须设计得庞大而复杂,而当前用于混联式的控制策略总体相对贫乏,所以开发难度大,开发成本高。开发高性能动力复合装置、优化控制策略和降低成本,是混联式混合动力电动车下一步开发的重点。3.4电动轮式该驱动控制系统由传统的机械连接改为电气连接,从而省略了传统汽车所需的一整套机械部件,整车结构简洁、传动高效,又能借助现代计算机控制技术直接控制各电动轮实现电子差速,目前已经成为电动汽车发展的一个独特方向。目前电动轮式混合动力车存在的问题主要集中在电动机和整车结构布置上,开发新型高功率密度电动机以及对电动轮式系统中各个功能部件的集成化设计,有待于进一步深入。总结我国在汽车领域技术相对落后，长期存在着高排放、低燃油经济性问题，大力发展混合动力电动汽车是解决城市大气污染问题的有效途径，也是我国汽车工业实现跨越式发展的重要机遇。但是，目前混合动力电动汽车技术还不够成熟，有待进一步深入研究。谢谢