李天澤，田玉冬（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上?！?00240）

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并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理策略

李天澤，田玉冬
（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海200240）

摘要：簡要介紹目前比較主流的4類能量管理控制策略，詳細(xì)介紹模糊控制的混合動(dòng)力汽車能量管理策略，最后展望模糊控制能量管理策略的未來。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車；能量管理；控制策略；模糊控制

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求變得越來越大，然而汽車行駛所帶來的環(huán)境污染問題也隨之變得越來越嚴(yán)重。石油資源日漸匱乏，汽車能源的改良換代已經(jīng)迫在眉睫。混合動(dòng)力汽車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力源作為能量源，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在滿足整車動(dòng)力的情況下最大程度工作在高效區(qū)域，因此和傳統(tǒng)汽車相比大大降低了油耗，又因?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車使用兩種不同的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相比電動(dòng)汽車具有續(xù)航時(shí)間長的特點(diǎn)。在純電動(dòng)汽車還沒有克服其瓶頸問題前，有望成為未來一段時(shí)間內(nèi)的首選方案。

混合動(dòng)力汽車作為一種采用兩種不同能源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的新型交通工具，其性能與采用的能量管理策略密切相關(guān)，能量管理策略是混合動(dòng)力汽車最核心的技術(shù)之一，也是保證低排放低油耗的關(guān)鍵。同時(shí)能量管理策略是傳統(tǒng)燃油驅(qū)動(dòng)部分和純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分完美結(jié)合的紐帶，是混合動(dòng)力成敗的最終決定性因素。

1　并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

混合動(dòng)力汽車按照連接方式的不同可分為3種，分別為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（SHEV）；并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PHEV）；混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PSHEV）。本文主要介紹并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的能量管理。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)是由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)兩部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為主力，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為輔助。在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力耦合裝置疊加。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在中等轉(zhuǎn)速下，燃油經(jīng)濟(jì)性最好，因此，當(dāng)車速較低時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電池組來單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車。當(dāng)汽車車速較高時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，同時(shí)給蓄電池充電以備后用。當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，便停止充電。相比串聯(lián)結(jié)構(gòu)，能量轉(zhuǎn)換效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使布置受到一定的限制。圖1為并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1　并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車有3種不同的能量傳遞方式，分別是：①發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車；②電池組給電動(dòng)機(jī)供電，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車；③電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作，發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)給電池組充電。

3種不同的能量傳遞方式排列組合可以構(gòu)成5種不同的工作模式，分別是：①發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，適合車速處于中高速且負(fù)荷中等；②電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，適合起步行駛階段，車輛的SOC值達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)；③發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)車輛的同時(shí)給電池充電，在中、低負(fù)荷以及車輛SOC值偏低的時(shí)候開啟；④發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，在急加速、爬坡等大負(fù)荷狀態(tài)下開啟；⑤能量回收給電池，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由制動(dòng)回收的能量給電池充電，車輛在減速制動(dòng)時(shí)并且車輛SOC低于設(shè)定值的時(shí)候開啟。

2　并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的能量控制策略

并聯(lián)式控制策略大致可以分成以下4類：基于邏輯門限值的控制策略、瞬時(shí)優(yōu)化控制策略、全局最優(yōu)控制策略以及基于智能算法的控制策略。

2.1基于邏輯門限值的控制策略

邏輯門限控制策略算法相對(duì)比較簡單，具有容易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前混合動(dòng)力汽車廣泛采用這種控制策略。豐田Prius以及本田Insight采用的就是這種策略。一汽自主開發(fā)的CA6100SH8混合動(dòng)力客車也是基于邏輯門實(shí)現(xiàn)的控制策略［1］。該控制策略的整車工作模式可以分成停機(jī)模式、電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式、換擋模式、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)模式以及坡行回家模式等5類。并且一汽通過一系列仿真驗(yàn)證了上述各工作模式的可行性。但靜態(tài)控制策略從理論上來說卻不是最優(yōu)的。這種控制策略是事先設(shè)定好固定值，它僅僅使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較高效率，再由電動(dòng)機(jī)提供余下的功率，沒有考慮電機(jī)的效率。

2.2瞬時(shí)優(yōu)化控制策略

瞬時(shí)優(yōu)化控制策略一般采用等效燃油消耗最小（Equivalent Consumption Minimization Strategy）策略。這個(gè)策略就是假設(shè)電動(dòng)機(jī)有油耗，將電機(jī)的等效油耗以及實(shí)際的油耗之和作為名義油耗。這樣就可以計(jì)算每一個(gè)工作點(diǎn)的實(shí)際油耗和電機(jī)的等效燃油消耗，最后選最小的點(diǎn)作為當(dāng)前的工作點(diǎn)，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配。該策略可以通過設(shè)定一組權(quán)值在燃油消耗和排放污染這一矛盾中獲得綜合性最優(yōu)。

基于瞬時(shí)優(yōu)化的混合動(dòng)力汽車能量管理策略因?yàn)橛?jì)算量大、高速運(yùn)算芯片成本較高以及算法還有待改進(jìn)等缺點(diǎn)，目前還不能應(yīng)用于量產(chǎn)車型。

2.3全局優(yōu)化控制策略

全局優(yōu)化控制策略是一種動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制策略，這種策略必須以具有代表性的循環(huán)工況為前提才能進(jìn)行對(duì)應(yīng)的計(jì)算?？紤]到這種控制策略的復(fù)雜性和局限性，通常將這種策略和其他控制策略比如邏輯門限值控制策略相結(jié)合，在保證可靠性和可實(shí)時(shí)性的前提下進(jìn)行優(yōu)化控制。

全局優(yōu)化策略目前只能作為標(biāo)準(zhǔn)工況下對(duì)其他實(shí)時(shí)控制策略的效果進(jìn)行評(píng)估，還不能作為獨(dú)立的控制策略單純使用在現(xiàn)有車型上［2］。

2.4智能算法的控制策略

在最近20年中，智能系統(tǒng)方法已經(jīng)被成功引入到了車輛能量管理中，比較常見的像粒子群算法、遺傳算法、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。模糊控制是以專家的經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)的知識(shí)模型，以模糊為集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種控制算法。模糊邏輯是Lotfi Zadeh在1965年提出的［3］，模糊控制策略把現(xiàn)實(shí)和數(shù)學(xué)中的模糊現(xiàn)象巧妙結(jié)合起來，讓現(xiàn)實(shí)問題中不能用數(shù)學(xué)精確表達(dá)的問題變得簡單。

然而模糊控制也存在著一定的缺陷，模糊控制規(guī)則的選取主要依賴主觀經(jīng)驗(yàn)，通常無法達(dá)到全局最優(yōu)，因此需要利用其他智能算法來克服模糊控制主觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，以便獲得更好的控制效果［4］。

模糊控制策略是最新興起引用在混合動(dòng)力汽車上的技術(shù)，能夠克制邏輯門限控制策略的許多不足之處，雖然目前還沒有應(yīng)用在具體車型上，但模糊控制策略卻是一種極具推廣應(yīng)用前景的能量管理控制策略方法。

3　模糊控制的能量管理策略

基于模糊控制策略的混合動(dòng)力汽車能量管理實(shí)際上是一種對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)扭矩的再分配，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化整車的性能。

模糊控制具有穩(wěn)定性強(qiáng)、無需建立精確的數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)，比較適合應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車能量管理系統(tǒng)這類高度非線性模型上。模糊控制策略的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有以下幾點(diǎn)。

1）滿足動(dòng)力的要求。即輸出的總轉(zhuǎn)矩要和總需求轉(zhuǎn)矩時(shí)刻保持相同［5］。

2）滿足經(jīng)濟(jì)效益。即在滿足整車需求動(dòng)力的基礎(chǔ)上，要盡量提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低車輛排放。

3）將電池電荷量維持在一個(gè)合理的水平，防止過充而過放。

4）回收制動(dòng)能量。

對(duì)于模糊控制器的設(shè)計(jì)，通常分為以下4個(gè)步驟，即確定模糊控制器的輸入，模糊控制的隸屬函數(shù)，模糊控制規(guī)則以及模糊控制器的輸出。其中隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則主要依賴知識(shí)庫和專家經(jīng)驗(yàn)，具有主觀性，因此目前有大量文獻(xiàn)利用其他智能算法來優(yōu)化模糊控制的隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則。圖2為模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2　模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

3.1模糊控制器的輸入和輸出

基于模糊控制的混合動(dòng)力能量管理策略實(shí)際上是對(duì)于兩種不同動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩的再分配，因此目前作為模糊控制器的兩個(gè)初始輸入量，就是整車的需求轉(zhuǎn)矩和SOC電池荷電狀態(tài)，輸出是調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。最基本的模糊控制器輸入就是整車的需求轉(zhuǎn)矩和SOC電池電荷狀態(tài)，然后通過量化因子進(jìn)行放大和縮小。輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，必要的話也要通過比例因子進(jìn)行縮放。然而通過閱讀大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在基于模糊控制的混合動(dòng)力能量管理策略通常會(huì)將模糊控制器的輸入和輸出做一些改動(dòng)變化。

對(duì)于整車的需求轉(zhuǎn)矩輸入，通常是將整車的需求轉(zhuǎn)矩和當(dāng)前速度下發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩之差作為模糊控制器的輸入，可以是正也可以是負(fù)。太原科技大學(xué)的王旭將整車的需求轉(zhuǎn)矩和當(dāng)前速度下發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的比值作為模糊控制器的輸入，這樣能避免使用尺度因子進(jìn)行一定的縮放［6］。

對(duì)于另外一個(gè)輸入量SOC，變化大多在要不要進(jìn)行量化來使后面的隸屬函數(shù)與之前整車需求轉(zhuǎn)矩保持一致。重慶大學(xué)的喬俊林將汽車當(dāng)前SOC與汽車在下一個(gè)位置的SOC參考值的差值ΔSOC作為模糊控制器的輸入量之一［7］，通過仿真取得了較好的效果。

對(duì)于輸出量也就是調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，首先要通過解模糊來獲得清晰量，再根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況來決定要不要進(jìn)行尺度變化。再由之前的需求轉(zhuǎn)矩減去調(diào)整后實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，就可以得到實(shí)際的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

3.2模糊控制器的隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)是整個(gè)模糊控制器的核心，是模糊信號(hào)和精確數(shù)學(xué)表達(dá)之間的橋梁。一般的方法像主觀經(jīng)驗(yàn)法、分析推理法、調(diào)查統(tǒng)計(jì)法等。通常只使用模糊控制這一種智能控制算法的控制策略會(huì)使用分析推理法，選擇比較典型常用的梯形函數(shù)和三角函數(shù)。輸入和輸出均采用兩邊梯形隸屬函數(shù)，中間為三角形隸屬函數(shù)的設(shè)計(jì)方法，這樣能夠把輸入、輸出變量的任何一種狀態(tài)都包含進(jìn)去。早些年的文獻(xiàn)都是將輸入輸出量的模糊子集劃分為5個(gè)等級(jí)，近幾年的文獻(xiàn)為了取得更高的控制精度，通常把輸入輸出量的模糊子集細(xì)化為17個(gè)。

隸屬函數(shù)是人為主觀定義的一種函數(shù)，正因?yàn)槿绱?，模糊控制器具有主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn)從而無法達(dá)到最優(yōu)。目前大量文獻(xiàn)已經(jīng)在嘗試通過其他算法來優(yōu)化隸屬函數(shù)，比較常見的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。其中基于遺傳算法來優(yōu)化隸屬函數(shù)研究比較廣泛。

基于遺傳算法對(duì)模糊控制器的優(yōu)化一般是先確定待優(yōu)化的隸屬函數(shù)變量，然后把隸屬函數(shù)與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)作為變量，并根據(jù)已知條件確定各變量的變化范圍，然后對(duì)變量進(jìn)行編碼組成染色體，最后采用遺傳算法尋優(yōu)。

3.3模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是構(gòu)成模糊控制器的關(guān)鍵部分，模糊控制規(guī)則一般是基于專家專業(yè)知識(shí)的一種語言描述形式。在模糊控制中根據(jù)輸入語言的不同，模糊控制器便根據(jù)既定的規(guī)則輸出對(duì)應(yīng)的模糊值。模糊控制規(guī)則不宜過多，否則會(huì)影響實(shí)際控制的速度。由于以混合動(dòng)力汽車為背景的模糊控制器設(shè)計(jì)一般是雙輸入單輸出，一般設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則主要基于以下的工程經(jīng)驗(yàn)。

1）因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在車輛處于低速行駛時(shí)效率比較低，所以當(dāng)SOC大于某一設(shè)定值的時(shí)候且汽車處于起動(dòng)或者低速狀態(tài)時(shí)，采用電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

2）當(dāng)SOC低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供整車的動(dòng)能以及給電池充電，使SOC值盡快回到正常設(shè)定值。

3）在滿足動(dòng)力以及SOC設(shè)定值的情況下，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)。如果需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)高效轉(zhuǎn)矩，不足部分由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)提供，如果需求轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)高效轉(zhuǎn)矩，則高效轉(zhuǎn)矩的多余轉(zhuǎn)矩用來給電池充電。

4）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁開關(guān)時(shí)會(huì)大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因此要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過于頻繁的起停。

根據(jù)以上的規(guī)則設(shè)計(jì)原則，由于總需求轉(zhuǎn)矩和電池狀態(tài)都分別有17個(gè)模糊子集，因而模糊推理規(guī)則一共有17×17=289條。輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也是17個(gè)模糊子集，分別都是從小到大。輸入變量根據(jù)既定的規(guī)則，得到不同的17種發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩［8-9］。

然而控制規(guī)則也是人為制定，帶有主觀的人為色彩。目前也有針對(duì)模糊控制的控制規(guī)則來進(jìn)行優(yōu)化的，文獻(xiàn)［3］利用改進(jìn)的十進(jìn)制遺傳算法來對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的效果。

4　總結(jié)

模糊控制具有良好的穩(wěn)定性且能夠很好克服混合動(dòng)力系統(tǒng)高度非線性的問題，但是模糊控制的隸屬函數(shù)具有強(qiáng)烈的主觀色彩，無法達(dá)到全局最優(yōu)，模糊控制的控制規(guī)則也是人為制定，因此可以利用其他智能算法來優(yōu)化隸屬函數(shù)或者控制規(guī)則來使全局達(dá)到最優(yōu)。比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法甚至模擬退火算法或者特別是一些由不同智能算法結(jié)合的混合算法。另外模糊控制的輸入沒有基于實(shí)際的路況，因此還可以利用智能算法來優(yōu)化汽車的輸入，這樣可以進(jìn)一步提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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（編輯心翔）

Energy Management Strategy of Parallel Hybrid Electric Vehicle

LI Tian-ze，TIAN Yu-dong
（College of electric engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Abstract：This article briefly introduces four types of main stream energy management control strategy at present，and gives a detailed introduction：to the energy management strategy based on fuzzy control，and finally demonstrates a prospect of fuzzy control energy management strategy in the future.

Key words：hybrid electric vehicle；energy management；control strategy；fuzzy control

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003－8639（2016）06－0001－03

收稿日期：2015-07-21；修回日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：上海市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（15cxy45）

作者簡介：李天澤（1991-），男，碩士在讀，研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力能量管理策略優(yōu)化。