混合動力基礎(chǔ)及并聯(lián)混合動力電動汽車控制策略

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 混合動力基礎(chǔ)及并聯(lián)混合動力電動汽車控制策略 1 混合動力技術(shù)的分類及原理 電動汽車（EV）[1]是21世紀清潔、高效和可持續(xù)得交通工具，是一種電力驅(qū)動的道路交通工具。電動汽車這個概念的內(nèi)涵很廣泛，它包括蓄電池電動汽車或純電動汽車（BEV）、混合動力電動汽車（HEV）和燃料電池電動汽車（FCEV），涉及到很多學科，內(nèi)容廣泛而且復(fù)雜，其核心技術(shù)包括底盤和車身技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)和能源技術(shù)。 目前，蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車處于不同的發(fā)展階段，面臨著不同的挑戰(zhàn)。蓄電池電動汽車的關(guān)鍵問題在于蓄電池及其管理系統(tǒng)，主要適用于短程、低速的社

2、區(qū)間，難以實現(xiàn)市場化。燃料電池電動汽車具有作為未來主流汽車的潛力，但其技術(shù)尚處于研發(fā)階段，它的成本太高和燃料系統(tǒng)的供應(yīng)是主要問題。因此，從1996年以后，國外很多公司開始研究混合動力電動汽車，國內(nèi)多家科研機構(gòu)和企業(yè)也紛紛涉足混合動力電動汽車的研發(fā)?；旌蟿恿﹄妱悠嚹芰啃矢?，排放性能好，技術(shù)相對成熟，市場化進程快，與燃料電池電動汽車相比，技術(shù)實現(xiàn)的障礙小，成本低。 當人們把解決汽車能源與環(huán)境問題的希望寄托在混合動力上后，各種混合動力汽車如雨后春筍般紛紛面世[2]。1997 年，在第57 屆法蘭克福國際車展上，奧迪首先展出一款并聯(lián)混合動力汽車Duo；同年，在第32 屆東京國際車展上，豐田公司推

3、出具有里程碑意義的Prius車型。奧迪與豐田的這一舉動引發(fā)了混合動力汽車的研發(fā)熱潮；1998 年1 月，克萊斯勒公司宣布開發(fā)出Doudge Intrepid　ESX2并聯(lián)混合動力車；1999年，福特公司P2000 型5 座并聯(lián)混合動力車在北京展出；1999 年11 月，在第33屆東京國際車展上，除了豐田公司以外，本田、三菱和日產(chǎn)等公司也分別推出各自產(chǎn)品，并在性能方面有了很大的改善；而2000 年1 月的北美國際車展更是讓人耳目一新，通用、寶馬、戴-克和豐田等公司所展出的混合動力汽車新產(chǎn)品總計有23款，其中，13款由內(nèi)燃機與電機混合驅(qū)動，10 款為燃料電池混合動力汽車。預(yù)計在今后的十幾年里，混合

4、動力電動汽車的發(fā)展將更為迅速。 混合動力電動汽車按結(jié)構(gòu)一般分類為3種：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式. 1.1 串聯(lián) 圖一 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特征是以電力形式進行復(fù)合，發(fā)動機直接驅(qū)動發(fā)電機對儲能裝置和牽引電機供電，電動機用來驅(qū)動車輪，儲能裝置起著發(fā)動機輸出和電動機需求之間的調(diào)節(jié)作用。其優(yōu)點是發(fā)動機的運行獨立于車速和道路條件，適用于車輛頻繁起步、加速和低速運行。發(fā)動機在最佳工況點附近運轉(zhuǎn)，避免了怠速和低速工況，從而提高了效率，提高了排放性能。但在機械能與電能的轉(zhuǎn)化過程中有效率損失，很難達到明顯降低油耗的目的，目前主要用于城市大客車，在轎車中很少見。 1.2 并聯(lián) 并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特征是以機械形式進行復(fù)合，發(fā)

5、動機通過變速并聯(lián)混合動力系統(tǒng)裝置和驅(qū)動橋直接相連，電機可同時用作電動機或發(fā)電機以平衡發(fā)動機所受的載荷，使其能在高效率區(qū)域工作。但是由于發(fā)動機和驅(qū)動橋機械連接，在城市工況時，發(fā)動機并不能運行在最佳工況點，車輛的燃油經(jīng)濟性比串聯(lián)時要差。 其中轉(zhuǎn)速復(fù)合裝置類似于差速器，這種結(jié)構(gòu)形式在實際中很難被采用，因為這種結(jié)構(gòu)需要發(fā)動機和電動機的輸出轉(zhuǎn)矩時刻保持相等；單軸轉(zhuǎn)矩復(fù)合式車輛驅(qū)動系中機械功率的聯(lián)合是在發(fā)動機曲軸輸出端處實現(xiàn)的，變速器為單軸輸入，本田Insight屬于這種形式；雙軸轉(zhuǎn)矩復(fù)合式的機械功率的聯(lián)合是在變速器的輸出軸處實現(xiàn)的，發(fā)動機和電機采用不同的變速系統(tǒng)，變速器為雙端輸入；華沙工業(yè)大學設(shè)計

6、的混合動力系統(tǒng)屬于這種形，這種結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)無級變速，但是不能實現(xiàn)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和電機輸出轉(zhuǎn)矩的直接疊加。 在牽引力復(fù)合式系統(tǒng)中，機械功率的聯(lián)合是在驅(qū)動輪處通過路面實現(xiàn)的，具有兩套獨立的驅(qū)動系，可以實現(xiàn)全輪驅(qū)動，主要適用于SUV，豐田的THS—C系統(tǒng)就屬于這種形式。 1.3 混聯(lián) 混聯(lián)式結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以豐田Prius為例，如圖3所示，Prius采用行星齒輪機構(gòu)作為動力分配裝置，發(fā)動機與行星架相連，發(fā)動機的一部分功率通過發(fā)電及轉(zhuǎn)換為電能對電機供電或?qū)δ苎b置進行充電；另一部分機械能直接作用于齒圈上，同時電機與齒圈相連，提供部分功率和轉(zhuǎn)矩。 2 混合動力技

7、術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ) 汽車混合動力技術(shù)發(fā)展與機械、電氣、內(nèi)燃機、能源技術(shù)息息相關(guān)，隨著這些方面技術(shù)的發(fā)展，混合動力技術(shù)的發(fā)展也隨之廣泛。主要包括： 1）最先進的內(nèi)燃機技術(shù)，體積小重量輕以及油耗低排放性能優(yōu)良的發(fā)動機都引領(lǐng)著汽車業(yè)的發(fā)展，而目前Prius發(fā)動機的技術(shù)已經(jīng)達到了目前先進的水平。 2）先進的電機系統(tǒng)技術(shù)，電機技術(shù)則決定著電動汽車的發(fā)展空間，對于電動機的要求也越來越高，電動機要具有較大的負載特性以及很寬的高效率工作區(qū)間。 3）高性能的動力電池，動力電池在混合動力電動汽車上應(yīng)用, 主要起到以下作用: a)起動、加速時作為動力； b)車輛減速、下坡行駛時回收車輛動能。因此要求動力

8、電池具有： ① 高輸出能力和高回收能量的接受能力；②體積小、重量輕；③SOC 控制技術(shù)；④高可靠性和安全性；⑤長的使用壽命。 以上的技術(shù)發(fā)展帶動著混合動力技術(shù)的發(fā)展，而混合動力的發(fā)展又提高了這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展空間。 3 并聯(lián)混合動力電動汽車控制策略 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)動機電機之間的合理而有效的分配，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[3]。 并聯(lián)混合動力汽車是一個集機械、電器、

9、化學和熱力學系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的高度非線性動態(tài)系統(tǒng)，如何有效地協(xié)調(diào)好各子系統(tǒng)，控制各子系統(tǒng)間的能量流動，并針對不同的行駛工況和駕駛風格，在不降低整車性能的情況下，實現(xiàn)整車的最佳燃油經(jīng)濟性和排放并兼顧整車的成本是并聯(lián)混合動力汽車控制策略的設(shè)計方向。 早期的控制策略由于技術(shù)的限制大多是基于速度的控制[4]。在這種控制策略中，將發(fā)動機啟動的設(shè)定車速設(shè)計為一個定值，依據(jù)瞬時工況車速判定整車的工作模式：當車速低于設(shè)定值時，發(fā)動機關(guān)閉。由電機單獨工作;當車速高于設(shè)定值時，發(fā)動機單獨工作；當車輪負荷比較大時(如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡)，則由發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動車輪?；谒俣鹊目刂撇呗裕捎谄浜唵?/p>

10、，易于被控制工程師理解，技術(shù)門檻較低，因而在混合動力汽車開發(fā)初期得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。但同時也有其明顯的缺點：控制參數(shù)單一，動態(tài)特性差，沒有充分利用混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，通常整車的燃油經(jīng)濟性不是最優(yōu)，而且還沒有考慮排放,特別是有時車速即便很高，但對驅(qū)動力的要求可能很低，比如在高速滑行或勻速行駛時，此時發(fā)動機的工作負荷較低,效率不高。 基于以上原因，現(xiàn)在的控制策略基本上屬于基于轉(zhuǎn)矩或功率的控制。目前已經(jīng)提出的控制策略主要可以分為4類：基于規(guī)則的邏輯門限控制策略；瞬時優(yōu)化控制策略；智能控制策略；全局最優(yōu)控制策略。 3.1基于規(guī)則的邏輯門限控制策略[5-8] 這類控制策略的主要思想是：根據(jù)

11、發(fā)動機的靜態(tài)效率曲線圖，通過控制選定的幾個變量，如整車功率需求、加速信號、電池SOC等等，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷并選擇混合動力系統(tǒng)的工作模式，使車輛運行在高效區(qū)，提高汽車的燃油經(jīng)濟性。其中包括：電力輔助控制策略；恒溫器控制策略；最大電池SOC控制策略等。電力輔助控制策略的思想是當車速低于某一最小車速時，由電機提供全部驅(qū)動力。當行駛需要扭矩大于發(fā)動機在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時，由電機提供扭矩助力。當發(fā)動機在給定轉(zhuǎn)速下，如果按需求扭矩工作發(fā)動機效率不高時，發(fā)動機關(guān)閉，由電機提供需求扭矩。當電池SOC過低時，發(fā)動機提供額外扭矩帶動電機工作對電池充電。恒溫器控制策略最早應(yīng)用于串聯(lián)式混合動力汽

12、車，當汽車高速運行于公路上，不需要頻繁加減速時，大大減少了使用電動驅(qū)動系統(tǒng)的概率，且此時車輛功率需求常常低于發(fā)動機滿載時，發(fā)動機還有一部分的富余功率，致使電池SOC很容易達到上限。為避免發(fā)動機低效工作，此時應(yīng)關(guān)掉發(fā)動機，由電機單獨驅(qū)動汽車；當電池SOC達到設(shè)定的下限時，發(fā)動機啟動，由電機單獨驅(qū)動，富余的功率則用來給電池充電。最大電池SOC控制策略的目標是電池SOC盡量維持在最高允許值處，發(fā)動機盡可能運行，盡可能少地使用電動驅(qū)動系統(tǒng)。這是由于車輛在城市工況下頻繁地加速，將會導(dǎo)致電池快速放電，使電池SOC下降很快，對電池的壽命影響很大。 3.2瞬時優(yōu)化控制策略[9-10] 規(guī)則的邏輯門

13、限控制策略是基于工程師的經(jīng)驗及靜態(tài)的能耗圖來制定的，由于它不考慮工況的動態(tài)變化，因此它不是最優(yōu)的。為了克服這些缺點，人們又提出了一種新的控制策略—瞬時優(yōu)化控制策略，也叫實時控制策略。目前提出來的瞬時控制策略主要有“等效燃油消耗最少”和“功率損失最小”兩種。雖然這兩種方法的出發(fā)點不同，但其原理是一樣的。 等效燃油消耗最小控制策略的主要思想是：在某一瞬時工況,將電機消耗的電量折算成發(fā)動機提供相等能量所消耗的燃油和產(chǎn)生的排放，再加上制動回收的能量與發(fā)動機實際的燃油消耗和排放組成總的整車燃油消耗與排放模型，計算此模型的最小值，并選在此工況下最小值所對應(yīng)的點作為當前發(fā)動機的工作點。 瞬時優(yōu)化控制策略

14、可以綜合考慮燃油消耗和排放，它通過一組權(quán)值來描述各自的重要性，用戶可以根據(jù)自己的要求來設(shè)定這組權(quán)值，從而在燃油消耗和排放之間獲得折中。比如,在排放法規(guī)比較嚴格的地區(qū)，可以適當?shù)靥岣吲欧诺臋?quán)值比重，放棄一點燃油經(jīng)濟性；注重燃油消耗，但排放法規(guī)比較寬松的地區(qū)，則可以適當提高燃油消耗的權(quán)值比重。 當然，這種控制策略也有它的缺點：需要大量的浮點運算，計算量大，實現(xiàn)起來困難，成本比較高。此外，在計算過程中，需要對未來的行駛工況中由制動產(chǎn)生的回收能量進行預(yù)估，這就需要建立一個比較精確的預(yù)測模型，這一點實現(xiàn)起來也比較困難，它需要兩個前提：一是對典型工況的統(tǒng)計分析，二是實時判斷行車工況。 3.3智能控制策

15、略[9,10] 智能控制的基本出發(fā)點是模仿人的智能，根據(jù)復(fù)雜被控動態(tài)過程的定性信息和定量信息，進行定性定量綜合集成推理決策，以實現(xiàn)對難以建模的復(fù)雜非線性不確定系統(tǒng)的有效控制。由于混合動力汽車的能量消耗模型正是這么一個系統(tǒng)，因此它非常適合于智能控制。目前提出的基于智能控制的并聯(lián)混合動力汽車控制策略主要有3種：模糊邏輯控制策略、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略、遺傳算法控制策略。 模糊邏輯控制策略不需要精確的整車能量消耗的數(shù)學模型。它可以很方便的處理諸如“如果車速較高且SOC較低而加速踏板踩下較小的角度，則發(fā)動機單獨驅(qū)動，并給電池充電”這樣無法用精確參數(shù)表達的控制規(guī)則。它不僅可以優(yōu)化發(fā)動機，同時還可以優(yōu)化其他

16、組件，如電機、電池、變速器等，實現(xiàn)各組件間的折中，以達到整車的燃油消耗和排放的最優(yōu)。模糊邏輯控制策略也有其局限性:在模糊推理過程中會增加模糊性；在整個控制過程中，各變量的論域等級是固定的，控制規(guī)律也是固定的，系統(tǒng)的動態(tài)特性較差，無法滿足不同駕駛員意圖和不同的路面環(huán)境下汽車的自動控制；對于復(fù)雜系統(tǒng)的模糊規(guī)則的建立還沒有確定的方法可以遵循，隸屬度函數(shù)的確立也需要反復(fù)進行確定；缺乏簡單有效的方法對模糊邏輯系統(tǒng)進行穩(wěn)定性的研究。 3.4全局最優(yōu)控制策略[11,12] 瞬時優(yōu)化控制策略在每一步長內(nèi)可能是最優(yōu)的，但無法保證在整個運行區(qū)間內(nèi)是最優(yōu)的。于是又提出了一種在整個運行區(qū)間內(nèi)尋優(yōu)的全局最優(yōu)控制策略

17、。全局最優(yōu)控制策略是應(yīng)用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論開發(fā)出來的混合驅(qū)動動力分配控制策略。其主要思想是基于某種優(yōu)化理論，建立以整車燃油經(jīng)濟性與排放為目標，系統(tǒng)狀態(tài)變量為約束的全局優(yōu)化數(shù)學模型,運用相關(guān)的優(yōu)化算法，求得最優(yōu)的混合驅(qū)動動力分配控制策略。目前研究較多的有基于多目標數(shù)學規(guī)劃、Bellman動態(tài)規(guī)劃理論以及最小值原理的全局最優(yōu)控制策略。這些控制策略還不成熟,需要大量計算，且依賴于預(yù)定的運行工況，實時性較差，主要用于：在標準行駛循環(huán)下，參考全局最優(yōu)控制策略，對實時控制策略進行分析與評估，并從中派生出適用的實時控制策略。 目前提出的并聯(lián)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

18、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。 相比較而言,模糊邏輯控制策略魯棒性強、實時性好，具有很強的實用性，而且能夠克服許多其它控制策略的不足之處，如果能夠與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將極具推廣應(yīng)用價值。 參考文獻： [1]劉金玲,宋健等.并聯(lián)混合動力客車控制策略比較.公路交通科技.2005(1):144-146. [2]呂勝利,左曙光.并聯(lián)混合動力電動汽車控制策略的綜合分析.上海汽車.2005(7):28-30. [3]孟亞鵬,金國棟,朱舟.并聯(lián)混合動力電動汽車轉(zhuǎn)矩控制策略.汽車科技.2004(6):24-26.

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