混合动力汽车能量控制策略

AutoEngineer-41-2010(10)技术聚焦FOCUSFeature混合动力汽车能够在很大程度上降低汽车的油耗和排放[1]，因此成为汽车企业竞相研究开发的热点。混合动力汽车实现降低油耗和排放，很大程度上依赖于能量控制策略，能量控制策略的主要目标是保证汽车在有足够动力性能的前提下，优化发动机的工作特性，最大限度保证发动机工作在油耗和排放最低的高效区，同时发挥电力驱动系统最大效率，而在减速、滑行或制动时，汽车则可以实现制动能量的高效回收，共同实现混合动力汽车节能和减排的目标[2]。能量控制策略的基本思路[3]通常有2种：1）直接法；2）间接法。针对串联、并联以及混联3种类型混合动力汽车驱动系统的特点，文章对3种混合动力汽车的能量控制策略分别进行了详细阐述。1串联混合动力汽车1.1恒温器式当混合动力汽车电池组的SOC（荷电状态）降低到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油耗或最佳排放点按恒功率输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分向蓄电池充电。而当电池组的SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电动机单独驱动车轮。恒温器式控制策略的核心是针对电池组的SOC参数进行控制，保证电池组总处在非常有利的区域内工作，并适时对电池组进行充放电，从而保证电池组的SOC始终维持在最佳荷电状态。1.2功率跟随式发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化而变化，这与传统汽车的运行工况比较类似。当电池组的SOC较高且总线向发动机需求功率较小时，发动机关闭；混合动力汽车能量控制策略郭淼1姜艳2刘汉斌3钟绍华3李腾腾3（1.中国汽车技术研究中心；2.中国环境科学研究院；3.武汉理工大学汽车工程学院）摘要：针对串联、并联和混联3种类型的混合动力汽车驱动系统的不同结构特点，文章对3种类型混合动力汽车的能量控制策略分别进行了详细阐述，指出了未来混合动力汽车能量控制策略研究的发展方向。能量控制策略不仅要实现整车最佳的燃油经济性，而且还要兼顾发动机排放、蓄电池寿命及驾驶性能等多方面要求，并针对混合动力汽车各部件的特性和汽车的运行工况，使发动机、电动机、蓄电池和传动系统实现最佳匹配，兼顾上述各方面要求的优化控制策略的研究应是今后的研究重点。关键词：混合动力；能量控制策略;燃油经济性ResearchonEnergyControlStrategiesofHybridElectricVehiclesAbstract:Thedifferentstructuralfeaturesofdrivesystemsofseries,parallelandseries-parallelhybridelectricvehiclesmakeitnecessarytoanalyzetheenergycontrolstrategiesofthethreetypesofhybridelectricvehiclesindetailinthispaper.Thefuturedevelopmentofenergycontrolstrategyofhybridelectricvehicleshasbeenpointedoutatlast.Theenergycontrolstrategiesshouldnotonlyensurethecomplecevehicle’sfueleconomy,butalsotakeintoconsiderationtheengineemission,batteryanddrivingperformance.What’smore,inlightofthepartsfeaturesanddrivingconditionsofthehybridelectricvehicle,weshouldpaycloseattentiontohowtorealizetheoptimummatchamongengine,motor,batteryandtransmissionsystem.Theresearchonoptimumcontrolstrategymentionedabovewillbethehottopic.Keywords:Hybridpower;Energycontrolstrategy;FueleconomyAutoEngineer-42-2010年10月技术聚焦FOCUS技术看点当电池组的SOC较低或者总线向发动机需求功率较大时，发动机开启；在其它情况下发动机有可能开启或关闭，发动机的瞬时工作状态与上次发动机所处的状态一致。在发动机开启时，发动机的输出功率跟随SOC的变化而变化，使其维持在设定范围内。如果总线向发动机需求功率小于发动机工作功率的最小值（cs_min_pwr*fc_spd_scale*fc_trq_scale），那么发动机维持在此最小功率下运行；如果总线向发动机需求功率大于发动机工作功率的最大值（cs_max_pwr*fc_spd_scale*fc_trq_scale），发动机维持在此最大功率下运行。发动机需求功率变化控制在一定的范围内，尽可能保证发动机工况变化比较平稳。功率跟随式控制策略发动机的开启和关闭状态，如图1所示。ТनननननδેDT@IJ@TPDDT@MP@TPDDT@NJO@QXSGD@TQE@TDBMFGD@USR@TDBMFDT@NJO@QXSGD@TQE@TDBMFGD@USR@TDBMFԧү఻Ҫဋδેδે图1功率跟随控制策略发动机起停逻辑图2并联混合动力汽车2.1电动助力控制策略电动助力控制策略的出发点是尽量使发动机在效率较高的区域内工作，并使电池电量维持在对电池效率和寿命有利的范围内。图2示出蓄电池组处于不同荷电状态，在电动助力控制策略的作用下，与车速相关的发动机的工作状态。ԧү఻ᣁᤴԧү఻ੵᅾԧү఻ੵᅾԧү఻ᣁᤴࢺͻᣁᤴԧү఻Тԧү఻Тԧү఻Тԧү఻नԧү఻नnMPTPGG nTNBY nTNJO nेSOCSOCloᯊेSOCSOCloᯊT#$T#$图2电动助力控制策略中发动机的状态电动助力控制策略的要点具体可以表述为：1）当蓄电池组的SOC＞SOClo且车速低于设定的某一最小车速时，由电机提供全部驱动力，发动机关闭。最小车速被定义为电池SOC的函数，以保持电池电量的平衡。2）当蓄电池组的SOC＞SOClo且车速高于设定的最小车速时，如果所需扭矩小于发动机提供的最小扭矩Toff（n）时，则由电机提供全部驱动力，发动机关闭。3）当蓄电池组的SOC＞SOClo同时车速高于设定的最小车速，如果所需扭矩不小于发动机提供的最小扭矩Toff（n）时，则发动机工作，同时在电池允许的情况下，通过对电池的充电提升发动机负荷使发动机尽可能在经济区域内工作。4）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。5）电机可回收制动能并对电池充电。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。2.2实时控制策略实时控制策略就是在已知混合动力车辆驱动系统各个部件特性的基础上，在任意时刻，通过实时比较各个工作模式的整体效率来决定各个部件的工作状态，以使在整个系统的能量流动过程中能量损失最小。这一控制策略具体可以表述为：1）当车速低于某一最小车速时，由电机提供全部驱动力。2）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电池的能量当量来决定工作的动力源。3）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。在这种情况下，也可以利用能量当量的概念加以判断。即将发动机用来充电的那部分能量计算出其中的有用能量，然后给出发动机在电池充电状态下的等量的燃油消耗率，与发动机不对电池进行充电时的燃油消耗率加以比较，选择燃油消耗率较小的工作模式。4）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。5）减速时，根据减速请求，部分回收制动能量。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、电动机及电池的工作效率来实现混合动力系统的AutoEngineer-43-第10期技术聚焦FOCUSFeature整体效率最高。模糊逻辑控制策略的目标与实时控制策略比较相像，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。模糊控制器的输入为电池的SOC，来自于变速器的请求扭矩以及请求转速，输出为电机的扭矩。部分主要控制规则具体可以表述为：1）如果SOC为高，则电机的充电扭矩为零；2）如果SOC为正常，请求扭矩为低，则电机的充电扭矩为0；请求扭矩为正常，电机转速为低则电机的充电扭矩为中，电机转速为高则电机的充电扭矩为高；请求扭矩为高，则电机的充电扭矩为低。3）如果SOC为低，则发动机的请求扭矩非高则电机的充电扭矩为高，发动机的请求扭矩为高时则电机的充电扭矩为低。3混联混合动力汽车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，电机和蓄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工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电动机提供。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，电动机的控制也更为灵敏，容易实现。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。在这种控制策略下，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，发动机启动更为容易）。只有当发电机电流需求超出蓄电池的接受能力或者当电机驱动电流超出电机或蓄电池的允许限值时，才调整发动机的工作点。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，对混合动力汽车的特定工况点下整个动力系统的优化目标（如效率损失、等效油耗）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等效油耗作为控制目标，这种控制策略要求将电机的能量损耗转换为等效的发动机油耗。瞬时油耗模式从保证系统在每个工作时刻的油耗最小出发，动态进行转矩分配。4混合动力汽车能量控制策略发展方向1）完善混合动力车辆模型，如细化离合器接合和变速器换挡等动态过程，实现发动机动态实时监控，建立并完善驾驶员模型等。2）对系统动力传输过程中的动态协调控制进行研究，以降低由于混合动力系统状态切换过程中多动力源的动力输出不一致而产生较大波动，从而实现动力传递的平稳性。3）控制策略不仅仅要实现整车最佳的燃油经济性，同时还要考虑适应于汽车运行的各种工况，兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求，并对汽车各部件的特性进行综合控制。4）综合运用模糊逻辑控制和神经网络等现代控制方法对电池SOC值、车速及发动机功率等参数进行模糊化处理，同时结合神经网络进行寻优。参考文献[1]ElectricPowerResearchInstitute．ComparingtheBenefitsandImpactsofHybridElectricVehicleOptions[R]．EPRIReport1000349．PaloAlto，CA，USA，2001．[2]胡骅，宋慧．电动汽车[M]．北京：人民交通出版社，2003：1-50．[3]于秀敏，曹珊，李君，等．混合动力汽车控制策略的研究现状及其发展趋势[J].机械工程学报，2006（1）：10-16.（收稿日期：2010-10-07）欢迎订阅《汽车工程师》杂志