牛晶，林程

（1.天水師范學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

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混合動(dòng)力汽車功率分配控制方法研究

牛晶1，林程2

（1.天水師范學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

摘 要：以串聯(lián)式，并聯(lián)式、混聯(lián)式3種類型的混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，根據(jù)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從整車功率流分析入手，詳細(xì)研究了混合動(dòng)力汽車的功率分配控制方法。最后從燃油經(jīng)濟(jì)性、排放、整車驅(qū)動(dòng)性能和駕駛員意圖等方面的要求出發(fā)指出了未來(lái)混合動(dòng)力汽車整車控制策略的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：功率分配；控制方法；工作模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.037

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-109-04

前言

當(dāng)今社會(huì)能源危機(jī)和環(huán)境惡化問(wèn)題突顯，汽車工業(yè)迎來(lái)了新能源汽車時(shí)代。傳統(tǒng)意義上，新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車3類。而混合動(dòng)力汽車作為其中最有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的車型已經(jīng)取得了一些重要技術(shù)領(lǐng)域的突破?；旌蟿?dòng)力汽車有兩個(gè)主要?jiǎng)恿υ?，即發(fā)動(dòng)機(jī)和牽引電機(jī)，其特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)能最大限度地工作在高效狀態(tài)，同時(shí)發(fā)揮了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大效率。所以，如何協(xié)調(diào)配合混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)動(dòng)力源就很關(guān)鍵，即混合動(dòng)力汽車的整車控制策略是其開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

目前，在整車控制策略方面，主要包含兩個(gè)層面的內(nèi)容，一是能量管理控制策略，研究的是穩(wěn)態(tài)情況下的功率分配問(wèn)題；二是轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法，研究的是車輛模式切換時(shí)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)控制，其控制對(duì)象是混合動(dòng)力汽車的各動(dòng)力部件?；旌蟿?dòng)力汽車的整車控制策略正在由單一走向多元，由瞬態(tài)向過(guò)程發(fā)展。

因此，本文從功率流分析入手，重點(diǎn)研究的是整車控制策略中第一個(gè)層面功率分配控制的問(wèn)題。針對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種不同結(jié)構(gòu)類型的混合動(dòng)力汽車，詳細(xì)研究了其功率的分配控制方法，并結(jié)合可行性，就整車控制策略的發(fā)展方向提出了自己的觀點(diǎn)。

1、混合動(dòng)力汽車功率分配控制目標(biāo)

不同結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車基本上是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器、動(dòng)力電池組、牽引電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置等組成，這些部件之間有的是通過(guò)機(jī)械連接在一起，而有的是通過(guò)電纜連接，所以在整個(gè)系統(tǒng)中會(huì)同時(shí)存在兩種能量，即機(jī)械能和電能。一般情況下，混合動(dòng)力汽車的工作模式是多樣的，包括純電驅(qū)動(dòng)模式，純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力電池組充電模式、再生制動(dòng)模式等。根據(jù)車輛的不同行駛工況，由整車控制策略決定車輛的工作模式。因此，在混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)中能量的流動(dòng)方向是多樣并且隨時(shí)變化，即瞬態(tài)情況下存在不同功率流在不同元件之間流入或流出的情況。

目前，不同類型的混合動(dòng)力汽車，對(duì)其功率流控制的目標(biāo)是各有側(cè)重的，其中最主要的目標(biāo)有以下幾個(gè)：（1）最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性；（2）最低的尾氣排放；（3）動(dòng)力電池SOC的動(dòng)態(tài)波動(dòng)最?。唬?）最佳的驅(qū)動(dòng)性能；（5）充分滿足駕駛員的意圖；（6）最低的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成本。

為實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，主要需要調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域。目前大多數(shù)車輛采用兩種方法：一是依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在最小燃油消耗曲線附近；二是同時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)和牽引電機(jī)的工作區(qū)域，使二者都在最高效率附近。尾氣排放的控制主要受限于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，一般發(fā)動(dòng)機(jī)在最高效率附近排放也是最優(yōu)的。動(dòng)力電池長(zhǎng)時(shí)間頻繁地充放電會(huì)影響其壽命，因此為了達(dá)到整車最優(yōu)性能，期望動(dòng)力電池的SOC波動(dòng)最小。為了達(dá)到最佳的驅(qū)動(dòng)性能，功率分配同時(shí)要考慮穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的問(wèn)題[1]。此外，整車控制策略的制定還需要充分考慮駕駛員的駕駛意圖，不能凌駕于其上。

綜上，設(shè)計(jì)最佳的混合動(dòng)力汽車功率分配控制方法時(shí)需將上文所述的（1）（3）（4）（5）最為控制目標(biāo)和約束條件。

2、串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

典型的串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置之間沒(méi)有直接的機(jī)械連接關(guān)系，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳排放區(qū)和效率區(qū)提供可能。一般這種汽車上配備的發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大，足以滿足加速和電池充電的需求。

圖1　串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率流分析過(guò)程

結(jié)合車輛的運(yùn)行工況，對(duì)其工作模式和功率流分析如下：

（1）起步/正常行駛/加速工況：發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池組一起輸出電能并驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪；

（2）低負(fù)荷工況：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余能量通過(guò)發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池組充電，直到電池SOC達(dá)到限值標(biāo)準(zhǔn)；

（3）減速/制動(dòng)工況：牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，將驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，為動(dòng)力電池組充電；

（4）停車充電工況：停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池充電，牽引電機(jī)不工作。

2.2 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率分配控制方法

根據(jù)上述串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的四種不同工作模式，較實(shí)用的功率分配控制方法有ON-OFF控制方法和功率（負(fù)載）跟隨式控制方法，兩種方法各有側(cè)重。

（1）ON-OFF控制方法：其特征是發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)后始終工作在其效率最高點(diǎn)[2]。該方法的控制邏輯是：當(dāng)電池SOC下降到下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最低排放點(diǎn)或最低油耗點(diǎn)，以恒功率輸出，一方面滿足車輛行駛需求功率，一方面為電池充電；當(dāng)電池SOC上升到上限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，動(dòng)力電池組提供車輛行駛的全部功率。如此，在車輛運(yùn)行過(guò)程中，電池始終處在循環(huán)使用中，對(duì)電池壽命不利。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性好。

（2）功率跟隨式控制方法，又稱負(fù)載跟隨式控制方法：這種方法主要依據(jù)道路工況、整車功率需求和電池SOC共同決定發(fā)動(dòng)機(jī)是否工作和輸出多少功率，發(fā)動(dòng)機(jī)是全程跟隨的。該方法的控制邏輯是：當(dāng)整車需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的最佳效率區(qū)輸出功率，電池SOC低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率用于車輛行駛和電池充電；當(dāng)整車需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的最佳效率區(qū)輸出功率，電池SOC達(dá)到上限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率全部用于車輛行駛；當(dāng)整車需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的最大輸出功率，電池SOC高于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率調(diào)整為最大功率，動(dòng)力電池同時(shí)向牽引電機(jī)供電，二者同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)電池SOC超過(guò)上限值時(shí)，且僅由動(dòng)力電池提供功率可以滿足車輛行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。這種控制方法發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域不穩(wěn)定，油耗和排放都不可控，對(duì)動(dòng)力電池的壽命卻是有利的。

為了達(dá)到文中的控制目標(biāo)，需將上述這兩種方法結(jié)合起來(lái)使用。

3、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

典型的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)組成如圖2所示?？梢?jiàn)，其結(jié)構(gòu)形式可看作是一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被附加在了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上，保留了與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相同的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置。一般采用小功率發(fā)動(dòng)機(jī)即可滿足行駛需求。與串聯(lián)式相比，省去了熱能-電能-機(jī)械能的多次轉(zhuǎn)化，其效率明顯提高。

圖2　并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

3.1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率流分析過(guò)程

結(jié)合車輛的運(yùn)行工況，對(duì)其工作模式和功率流分析如下：

（1）起步/低負(fù)荷工況：一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，動(dòng)力電池組通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供車輛行駛需求功率；

（2）正常行駛：車輛的驅(qū)動(dòng)功率僅源于發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）高負(fù)荷工況：驅(qū)動(dòng)功率由發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池共同提供，并通過(guò)動(dòng)力合成器輸出；

（4）減速/制動(dòng)工況：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，將驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，為動(dòng)力電池組充電。

3.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率分配控制方法

在人們的不斷研究中，出現(xiàn)了很多并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率分配的控制方法，諸如全局最優(yōu)控制法、瞬時(shí)優(yōu)化管理策略、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制法、邏輯模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。全局最優(yōu)控制法，可求得控制變量的全局最優(yōu)解，但是需要已知行駛工況，因此能應(yīng)用于實(shí)車控制。瞬時(shí)優(yōu)化管理策略，在工況未知的情況下可實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)刻的燃油消耗量最小，但需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)較為困難[3]?；谀：壿嫷哪芰抗芾聿呗?，具有魯棒性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，增加了模糊決策因素，符合人的思維邏輯，應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車中比較合適[4]。實(shí)際商品化應(yīng)用的只有依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的邏輯門限能量管理策略，該策略雖然能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，卻不能兼顧整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性[5]?？梢?jiàn)，要實(shí)現(xiàn)文中所述的控制目標(biāo)，對(duì)于并聯(lián)式還有一定難度。以下僅提出基于工況識(shí)別的邏輯門限值控制方法。

（1）起步/低負(fù)荷工況：電池SOC大于下限值時(shí)，純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；電池SOC低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作，并恒定工作在某一轉(zhuǎn)矩，在驅(qū)動(dòng)車輛行駛的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)給動(dòng)力電池充電直到SOC又達(dá)到平均值；

（2）正常工況：中等中速負(fù)荷，是汽車行駛的主要工況，車輛行駛的全部功率源于發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)電池SOC低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)一方面帶動(dòng)發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池組充電，另一方面驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)電池SOC不低于平均值時(shí)，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；

（3）高負(fù)荷工況：在這種情況下，為了能讓汽車獲得良好的動(dòng)力性能，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)必須聯(lián)合協(xié)調(diào)工作。當(dāng)電池SOC低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率一方面驅(qū)動(dòng)車輛行駛，一方面給電池充電；當(dāng)電池SOC高于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，但是電池不充電僅放電；

（4）減速制動(dòng)工況：根據(jù)電池SOC和整車制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)可單獨(dú)或同時(shí)工作。

4、混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)是同時(shí)綜合了并聯(lián)式和串聯(lián)式的優(yōu)缺點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率一部分通過(guò)動(dòng)力合成器分配給傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)汽車行駛，另一部分功率則分配給發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)輸出的電能輸送給電動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電池組。電動(dòng)機(jī)從動(dòng)力電池組或發(fā)電機(jī)獲取電能，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)動(dòng)力合成器傳遞給驅(qū)動(dòng)橋。

圖3　混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

4.1 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率流分析過(guò)程

基于混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其主要有兩種工作狀態(tài)：一是發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)型；二是電力主動(dòng)型。在車輛的不同運(yùn)行工況，由整車控制策略決定在何種狀態(tài)工作。

Ⅰ、發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)型工作模式

起動(dòng)工況：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，動(dòng)力電池提供電能給電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛；

加速工況：發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，共同分擔(dān)車輛行駛需求功率；

勻速工況：電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)提供車輛行駛動(dòng)力；減速/制動(dòng)工況：電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，向動(dòng)力電池組充電。

Ⅱ、電力主動(dòng)型工作模式

電力主動(dòng)型與發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)型的區(qū)別在勻速和加速工況，其他模式功率流分析一致，以下僅描述勻速和加速的情況。

勻速工況：發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)給電動(dòng)機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)車輛行駛；

加速工況：發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池組同時(shí)給電動(dòng)機(jī)提供電能，共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

4.2 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車功率分配控制方法

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)控制法：以發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ纯刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)工作在效率最高點(diǎn)，以恒轉(zhuǎn)矩輸出；依靠電池和發(fā)電機(jī)通過(guò)提供電能得到附加轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)功率調(diào)峰，既避免了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作在大負(fù)荷工況，又可以使動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得足夠的瞬時(shí)功率[6]。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線控制法：發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)是在發(fā)動(dòng)機(jī)功率或轉(zhuǎn)矩超過(guò)規(guī)定限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)整是在發(fā)電機(jī)電流需求超出動(dòng)力電池的接受能力，或者當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流超出電機(jī)或蓄電池的允許限值時(shí)。這種方法主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬(wàn)有特性曲線的最佳油耗線上。

（3）瞬時(shí)優(yōu)化控制法：這種方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線控制思想的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的某一優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，其針對(duì)的是混合動(dòng)力汽車的特定工況點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化可以得到瞬時(shí)最優(yōu)工作點(diǎn)，再通過(guò)對(duì)各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)再分配，便可得到瞬時(shí)最優(yōu)工作點(diǎn)，通常以整車油耗或總功率作為優(yōu)化目標(biāo)。在這種方法中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)不僅要根據(jù)油耗曲線（或功率曲線）來(lái)設(shè)定，還要考慮電池的SOC。

（4）全局優(yōu)化控制法：應(yīng)用全局優(yōu)化算法得到的各控制變量，用以控制系統(tǒng)工作。這種方法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，很難在車輛的實(shí)時(shí)控制中應(yīng)用。

綜上所述，工程上具有實(shí)際意義的多是發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)法和最優(yōu)工作曲線法。

5、結(jié)論

（1）綜合應(yīng)用ON-OFF法和功率跟隨法可以很好地控制串聯(lián)式的油耗、排放和電池的壽命；

（2）并聯(lián)式較多應(yīng)用邏輯門限值控制法，汽車效率高，但是油耗和排放不可控；

（3）混聯(lián)式由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，控制難度大，目前具有工程實(shí)踐意義的只有發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)法和最優(yōu)工作曲線法。這兩種方法只能達(dá)到最佳的油耗或效率，其他變量不可控。

參考文獻(xiàn)

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The Power Distribution Control Method Research for the Hybrid Electric Vehicles

Niu Jing1, Lin Cheng2
( 1.Tianshui Normal University, Gansu Tianshui 741000；2.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081 )

Abstract:Study on the series, parallel, hybrid-type three types hybrid electric vehicles, according to their different structural characteristics, stating from the vehicle power flow analysis, a detailed study of the power distribution control method for a hybrid vehicle is finished.The development strategy of the hybrid electric vehicle controls in the future is indicted according to the fuel economy, emissions, drivability, driver intensions and other requirements.

Keywords:Power Distribution; Control Method; working modes

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目2006AA11A192

作者簡(jiǎn)介：牛晶，講師，碩士學(xué)歷，就職于天水師范學(xué)院。研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)，車輛動(dòng)力學(xué)。

中圖分類號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-109-04