混合动力汽车控制策略

混合动力汽车控制策略混合动力汽车控制策略摘要：混合动力汽车的动力系统基本可分为串联式、并联式和混联式3种，对并联型和串联型混合动力汽车控制策略研究现状进行分析。混联式混合动力系统结合了串联式和并联式两种结构的优点，使得能量流动的控制和能量消耗的优化具有更大的灵活性和可能性，并对混联式结构的几种控制方案进行了分析。指出混合动力汽车的控制策略不十分完善，需要进一优化。控制策略不仅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、驾驶性能、各部件可靠性及整车成本等多方面要求，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。关键词：混合动力汽车结构控制策略优化混合动力汽车的研究背景在20世纪的最后十几年，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。专家们估计，短时间内燃料电池技术难有重大突破，电动汽车暂时还无法完全取代燃油发动机汽车。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，因其具有低油耗、低排放的潜力，动力性接近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，最近几年来其研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。可以相信，在电动汽车的储能部件—电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。混合动力电动汽车与传统的内燃机汽车和电动汽车不同，它一般至少有两种车载能量源，其中一种为具有高功率密度的能量源。利用两种能量源的特性互补，实现整车系统性能的改善和提高。要实现两者之间相互协调工作，这就需要有良好的控制策略。控制策略是混合动力汽车的灵魂，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量要求，动态分配发动机和电动机系统的输出功率。采用不同的控制策略是为了达到最优的设计目标，其主要目标为：最佳的燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本、最佳的驱动性能。当前开发研制的混合动力汽车可以分为三类：串联式、并联式、混联式混合动力电动汽车。在各部件的选型确定以后，采用合适的控制策略是实现最佳燃油经济性，降低排放的关键。目前提出的混合动力汽车控制策略还不成熟，实用性不强，只有基于工程经验进行设计的逻辑门限控制策略在实际商品化混合动力汽车中得到了应用。开发一种成熟实用的控制策略仍然是目前亟待解决的难题。随着对混合动力系统控制策略研究的深入，诸如自适应控制、模糊逻辑控制等方法也有运用。自适应控制策略，实际上是一种实时控制策略，它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放。由于实时控制策略能够保证在任一时刻都是由效率最优的部件工作，因此其燃油经济性要优于模糊逻辑控制策略。但是实时控制策略过分依赖于各个部件的性能特性的精确性，由于受电池老化、发动机动态特性等的影响，在实际车辆的实时控制中很难得到应用。模糊逻辑控制策略由于其鲁棒性好的特点，适用于车辆控制这样一个复杂的系统，对混合动力电动汽车的控制有明显的优越性。在国内，由于混合动力电动汽车的起步较晚，对混合动力控制策略的研究远没有达到成熟的程度，大都处于理论研究阶段。在应用方面可以说才刚刚起步，尚未实现产品化和产业化，与国外有关混合动力汽车控制方面的技术水平有相当大的差距。因此，我国应大力提高混合动力汽车关键技术的自主研发能力，尤其是对车辆的性能有较大影响的控制策略的自主研发能力，以提高我国混合动力汽车的产品化进程。在20世纪的最后十几年，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联系在一起。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。专家们估计，短时间内燃料电池技术难有重大突破，电动汽车暂时还无法完全取代燃油发动机汽车。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构型式，因其具有低油耗、低排放的潜力，动力性接近于传统汽车，而生产成本低于纯电动汽车，最近几年来其研究开发成为世界上各大汽车公司、研究机构和大学的一个研究热点。可以相信，在电动汽车的储能部件—电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。混合动力电动汽车与传统的内燃机汽图3混联式驱动系统结构示意图混合动力汽车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、电动机之间能有效而合理地分配，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。控制策略的基本思路通常有两种：一是直接法，即直接将优化目标表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，得到整个系统的能量损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机转矩、转速，电池的放电电流等。驱动条件常用驱动轴的转矩和转速来表示。从这两种基本思路出发，可以得到许多种具体的控制策略。3.1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。串联型混合动力汽车有以下几种基本的控制模式。3.1.1恒温器控制模式当蓄电池荷电状态(SOC)降到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油耗或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，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电动机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求，蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利。3.1.2功率跟踪式控制模式这种控制策略根据电池的SOC和负荷确定发动机的开关状态和输出功率的大小，目的是满足设备的功率需求。当发动机功率需求小于输出功率时，将发动机的输出功率调整为最小值；当SOC高于下界，汽车总的需求负荷未超出电池容量但超过发动机最大功率时，则发动机输出功率调整为最大值。发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用这种控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，而且发动机的功率快速而动态地变化，这些都会损害发动机的效率和排放性能。解决的办法是采用自动无级变速传动(CVT)无级变速器，控制发动机沿最小油耗曲线运行，这样同时减少了HC和CO的排放量。这两种控制模式相比较，恒温器式控制模式的发动机一般工作在最佳油耗点附近，功率跟随式的发动机一般工作在最佳经济性工作线附近。相比而言，前者发动机的平均工作效率要高，但功率跟随式控制策略在动力性和燃油经济性方面有较好的综合性能。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。3.2并联式混合动力汽车的控制策略并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。一般的控制策略通常是根据电池的SOC、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平均功率等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩，以满足驱动轮驱动力矩的要求。3.2.1以车速为主要参数的控制策略这是最早也是最常采用的一种控制策略，它利用车速大小作为控制的依据。当汽车车速低于所设定的车速时，由电动机单独驱动车轮；当车速高于所设定的车速时，电动机停止驱动，而由发动机驱动车轮；当车轮负荷比较大时，则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种策略利用了电动机低速大转矩的作用，避免了发动机的怠速及低负荷工况。当车速较高有助于发动机有效工作时，发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。对于荷电消耗型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶里程愈长。也可将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。美国BULTER等提出了另一种基于速度的控制策略。汽车在低速行驶时，也是由电动机单独驱动车轮；但当车速高于所设定的车速时，则采用了混合驱动。此时的发动机保持在一个恒定的节气门开度运行，而由电动机提供车轮所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定车速，并保持蓄电池组的SOC在驾驶循环前后不变，可以减少发动机工作的时间。这种控制策略有利于减少汽车的排放，但电动机及蓄电池组的功率较大，将增加整车自重和成本。对于采用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车，还需要监视蓄电池组的SOC，当SOC降到某一设定值以下时，无论此时车速多低，发动机都将启动，同时一部分发动机功率通过发电机向蓄电池组充电。3.2.2以功率为主要参数的控制策略当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电动机单独驱动；当车轮平均功率高于该设定值时，此时有利于发动机有效工作，因而发动机被启动，电动机则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡期间，这有助于获得平稳的驾驶性能。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供的功率时，电动机启动，辅助发动机提供额外的功率。在上述两种控制策略中，都存在发动机和电动机联合驱动的混合动力工况。这种工况一般出现在车轮平均功率很高的时侯，其控制策略有以下几种模式：①当加速踏板踩下时，发动机和电动机的功率按照一定比例同时增加，以满足驾驶员的高功率需求。②电动机功率一直增加到其最大值，然后启动发动机以提供补充动力。③发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电动机来提供所需的补充功率。上述两种控制策略都比较简单，不能保证各部件得到最佳匹配，无法获得整车系统的最大效率，因此需要将优化技术引入控制策略研究中。3.2.3采用优化技术的控制策略法国学者DZLPRAT和PANGANELLI等研究了带机械有级式变速器的并联型混合动力汽车在混合动力工况时的能量分配优化问题，建立了以电动机转矩和变速器挡位为优化变量，以给定循环工况下发动机油耗最小为目标的有约束优化计算模型。该优化计算结果虽然不能用于实时控制，但对于推导汽车实时控制策略是有益的。为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动力汽车上装备CVT成为目前的一种发展趋势。德国学者ZOELCH等对带有i2-CVT的并联型混合动力汽车作了研究，KIA汽车公司的KIA等提出以燃油经济性为目标的优化控制策略。这种控制策略的实质就是将发动机和电动机控制在最佳效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。3.2.4以成本和燃油经济性为目标的控制策略采用以成本和燃油经济性为目标的控制策略的混合动力汽车装备了小功率电动机和小容量的蓄电池组，使蓄电池组的成本和质量减少到最小程度。在这种策略中，电动机一般仅仅只在汽车急加速时才启动，辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车的一般行驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动，并在蓄电池组SOC下降到一定程度时为其充电，这进一步提高了发动机的负荷率。当汽车减速时，蓄电池组吸收制动能量而充电。这种控制策略存在的一个缺陷是，由于发动机几乎一直处于工作运行状态，虽然避免了发动机开关控制引起的发动机效率下降问题，但无法消除发动机在低负荷时的排放问题。这种汽车在加速时的控制策略有以下几种模式：①当汽车原地起步时，由发动机单独驱动汽车起步或者由电动机单独驱动汽车起步，然后在汽车的速度增加到一定值时，发动机启动，提供加速所需的补充动力。②当汽车快速起步或急加速时，发动机和电动机联合向车轮提供驱动功率。3.2.5模糊逻辑控制策略上述几种控制策略往往通过优化发动机的工作点来提高燃油经济性或效率。模糊逻辑控制的控制思想是对发动机、电动机和蓄电池同时进行优化控制。3.2.6电力辅助控制策略电力辅助控制策略将电动机作为动力系统中的灵活因素，根据汽车工况对发动机输出功率进行“削峰填谷”，从而优化发动机的运行。此控制策略已应用在现实的混合动力系统中，如本田Insight和雪铁龙XSARA。3.3混联式混合动力汽车的控制策略3.3.1发动机恒定工作点模式混联式混合动力汽车的控制策略采用发动机作为主要动力源，电动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，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。3.3.2发动机最优工作曲线模式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(图4)。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动机驱动电流需求超出电动机或电池的允许限制时，才调整发动机的工作点。图4发动机最优工作曲线3.3.3瞬时优化模式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作为控制目标，这种控制策略要求将电动机的能量损耗转换为等效的发动机油耗，得到一张类似于发动机万有特性图的电动机损耗图。电动机的等效油耗与发动机的实际油耗之和称为名义油耗。瞬时油耗模式从保证系统在每个工作时刻的名义油耗最小出发，动态进行传动比选择和转矩分配。这种策略和发动机最优工作曲线策略相类似，只是最佳的优化曲线是从名义油耗图上得出。也有的瞬时优化策略从功率损失出发，对混合动力系统中各部件的瞬时总功率损失进行优化。在这种策略中，发动机工作点不仅要根据油耗曲线来设定，还要考虑电池的荷电状态。3.3.4全局优化模式由优化理论可知，瞬时最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模式并不能导致全局最优的控制策略。全局优化模式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，再与其他的控制策略，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。经典的动态最优控制理论有变分法、极小值原理和动态规划3种方法。这里介绍的是采用贝尔曼动态规划理论进行全局优化的策略。在实际混合动力系统的仿真优化中，贝尔曼过程这样来实现：首先要通过离散SOC来建立贝尔曼过程的节点，SOC离散精度可以选择为1％，时间步长可以确定为1s；然后计算各SOC节点之间连线的权重，这个权重对应于实现SOC变化而需要的发动机油耗。只要那些从初始sOc节点可以到达或可以由此出发达到终点SOC的节点都要被考虑，在循环工况中计算各连线权重，保留最优解，实现电动机和发动机的功率要求和传动比的全局最优化。仿真结果显示，在某种工况循环下，通常全局优化比瞬时优化降低油耗5％到20％。结论(1)串联式混合动力电动汽车结构最简单，同时控制策略也不复杂，开发难度较小，可开发用于降低城市污染的公交车，并为其他类型的HEV积累开发经验。在串联混合动力的两种常用控制方式中，由于功率跟随式控制策略在动力性和燃油经济性方面有较好的综合性能，所以该控制方式较为常用。采用功率跟随与恒温器综合控制方式更有利于避免电池大电流放电和发动机的频繁启动，降低油耗提高排放性能。(2)并联式混合动力电动汽车可以使油耗和排放都得到显著的降低，其控制策略优化后优点更加明显。采用小功率电动机和小容量蓄电池组的并联式混合动力汽车，能够极大地降低混合动力汽车的自重和制造成本，是十分有市场化前景的一种结构型式。特别是这种结构型式与cVT配合，是获得较高的燃油经济性、较低的排放、平稳的驾驶性能的一种比较理想的系统型式。对于这种系统，如何对蓄电池组的SOC进行合理而有效的能量管理是获得整车最佳燃油经济性的关键。电力辅助控制策略是并联式混合动力电动汽车较为普遍采用的一种控制策略。电力辅助控制策略比较简