胡紅霞

摘 要：混合動(dòng)力汽車要適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，具備高性能，就必須完善其控制策略。目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的控制策略并不是完美的，需要進(jìn)行完善和補(bǔ)充?？刂频哪康耐菫榱私o企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益，保證混合汽車行業(yè)能夠長(zhǎng)久健康地發(fā)展下去。本文就混合動(dòng)力汽車的系統(tǒng)類型進(jìn)行分析，并對(duì)控制策略加以討論，旨在讓電機(jī)、電池和傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;策略;系統(tǒng)

近年來，隨著現(xiàn)代交通系統(tǒng)的不斷完善，汽車已經(jīng)成為人們出行的首選。電動(dòng)汽車作為一種承載清潔能源、環(huán)境友好、自然消耗率低的新興汽車，已經(jīng)吸引了許多企業(yè)。如今，混合動(dòng)力汽車的發(fā)展如此之快，以至于許多汽車制造商將其視為公司發(fā)展的一個(gè)新的戰(zhàn)略位置?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車具有豐富的產(chǎn)品類型，根據(jù)其運(yùn)作原理和結(jié)構(gòu)的不同，一般有串聯(lián)、并聯(lián)以及混合型。本文主要分析了混合動(dòng)力車的分類和控制策略。

1 混合動(dòng)力汽車的分類

混合動(dòng)力汽車是指汽車上同時(shí)裝備有電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元的車輛?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)合了原動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和能源存儲(chǔ)設(shè)備，將這些結(jié)構(gòu)靈巧地組合在一起，在互不干擾的前提下發(fā)揮出動(dòng)力混合的優(yōu)勢(shì)，讓汽車能夠優(yōu)先選擇最佳的頻率，與此同時(shí)還能減少氣體污染，具有最實(shí)用的低排放和低油耗汽車的發(fā)展意義。目前，全世界都在致力于開發(fā)不同結(jié)構(gòu)形式的混合動(dòng)力汽車。下面我們分析混合動(dòng)力車內(nèi)部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的三種基本類型。

1.1 串聯(lián)系統(tǒng)

這類結(jié)構(gòu)中的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元是由原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的。驅(qū)動(dòng)的一系列裝置是遞進(jìn)作業(yè)的關(guān)系，發(fā)電機(jī)先進(jìn)行發(fā)電，然后電能流經(jīng)控制器使電機(jī)運(yùn)作起來，汽車即可啟動(dòng)。串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電池可以控制機(jī)器的功率，對(duì)其工作狀態(tài)加以平衡，讓輸入輸出的功率處在合理的范圍內(nèi)，保障機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行。比如發(fā)電機(jī)發(fā)電量超出了預(yù)期，那么多余電量就能被電池吸收，變相給電池充電;發(fā)電機(jī)不足時(shí)，電池則會(huì)釋放電能，補(bǔ)足發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，讓機(jī)器能夠正常運(yùn)行，確保了系統(tǒng)的平衡。輔助動(dòng)力設(shè)備與系統(tǒng)電機(jī)之間沒有機(jī)械連接，這樣可以大大提高汽車結(jié)構(gòu)擺放的組合類型，根據(jù)個(gè)人需要能靈活地做出調(diào)整;但控制系統(tǒng)也相應(yīng)的沒有較好的能量傳輸，需要進(jìn)行多次的能量轉(zhuǎn)換，缺乏效率，汽車的最遠(yuǎn)單程行駛距離也會(huì)受到影響。

1.2 并聯(lián)系統(tǒng)

這類系統(tǒng)中，汽車驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行不再是遞進(jìn)關(guān)系，而是具備共同作業(yè)的能力，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)啟動(dòng)，這兩者都能互相輔助，并且具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車的功能。較之串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠直接讓汽車運(yùn)行起來，不需要再層層遞進(jìn)，浪費(fèi)能量傳輸，起到了節(jié)能的功效。正因并聯(lián)系統(tǒng)有此特點(diǎn)，所以從經(jīng)濟(jì)價(jià)值的角度考慮，選擇幾率會(huì)高一些。平行傳動(dòng)系統(tǒng)非常適合城際公路和高速公路，使得汽車能夠穩(wěn)定地行駛。因?yàn)橐娌⑿序?qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀況是影響汽車的駕駛條件，它是不適合汽車的駕駛條件的情況發(fā)生了很大變化。與串聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，傳動(dòng)機(jī)制更加復(fù)雜，因?yàn)樾枰淖兯傺b置和動(dòng)力復(fù)合設(shè)備。與串聯(lián)式比較，并聯(lián)式可以使得汽車的行駛里程更長(zhǎng)，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，要求相對(duì)更高，成本也就更高。

1.3 混聯(lián)系統(tǒng)

顧名思義，這類系統(tǒng)是將上述串并聯(lián)的形式結(jié)合在一起的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的一部分動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)橋上，另一部分動(dòng)力用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能傳遞給電機(jī)或電池，電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力通過功率復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋?；炻?lián)系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)汽車行駛時(shí)的速度變化，會(huì)對(duì)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最大化節(jié)省燃油效率。比如當(dāng)汽車行駛速度較低時(shí)，控制串聯(lián)系統(tǒng)工作;汽車行駛速度較快時(shí)，控制并聯(lián)系統(tǒng)工作?？梢钥闯龌炻?lián)式的結(jié)構(gòu)更加符合新時(shí)代發(fā)展的需要，讓汽車能夠最大化的發(fā)揮出性能，但相對(duì)來說具有更高的工藝要求，無論是制作還是維護(hù)都需要專業(yè)的技術(shù)。混聯(lián)系統(tǒng)還有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，它能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳的作業(yè)狀態(tài)，并且可以自動(dòng)關(guān)機(jī)，這樣可以讓汽車隨時(shí)實(shí)現(xiàn)低排放、超低油耗，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。

2 混合動(dòng)力汽車的控制策略

上述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行簡(jiǎn)述之后，如何進(jìn)行控制策略的優(yōu)化，是我們著重討論的話題。出于汽車行駛時(shí)節(jié)能減排的目的，在保證汽車正常駕駛功能和前提下，將成本控制在合理范圍。具體制定控制策略時(shí)，還要根據(jù)每個(gè)地區(qū)的特征和車輛運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)汽車內(nèi)部串并聯(lián)以及混聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，讓發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)處在最節(jié)能和最效率的工作狀態(tài)。

控制策略在實(shí)際工作中一般分為兩種：直接法，直接將優(yōu)化目標(biāo)表示為系統(tǒng)狀態(tài)變量、控制變量等的函數(shù);間接法，即最小損失法，通過計(jì)算各部件在當(dāng)前驅(qū)動(dòng)條件下的效率，可以確認(rèn)其所在的工作系統(tǒng)的整體能量損耗。損耗最小的狀態(tài)變量是當(dāng)前驅(qū)動(dòng)條件下應(yīng)選擇的狀態(tài)變量，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電池放電電流等。驅(qū)動(dòng)條件通常用傳動(dòng)軸的扭矩和轉(zhuǎn)速來表示。

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力車的控制策略

內(nèi)部串聯(lián)的控制系統(tǒng)，只牽扯到能量的損耗，與汽車的行駛路況無關(guān)，所以控制策略的主要思想是控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)效率區(qū)和排放區(qū)。相應(yīng)的，為了確保優(yōu)化策略能發(fā)揮出應(yīng)有的功能，我們要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、電池的傳輸功率等多個(gè)因素，務(wù)必提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體的效率。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有以下基本控制模式。

2.1.1 恒溫器控制模式

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）下降到設(shè)定的低閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并在最低油耗或排放點(diǎn)輸出恒功率。部分電源用于滿足車輪驅(qū)動(dòng)電源的要求，另一部分用于給電池充電。當(dāng)電池組的荷電狀態(tài)上升到設(shè)定的高閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。此類控制方式，對(duì)電池具有較高的要求，各類瞬時(shí)功率電池都要能瞬間達(dá)到。但長(zhǎng)期作業(yè)時(shí)，電池的這類循環(huán)充放電會(huì)不可避免地對(duì)其造成損耗，進(jìn)而影響車輛的行駛效率。

2.1.2 功率跟蹤式控制模式

采用這類模式進(jìn)行控制，要根據(jù)電池的荷電狀態(tài)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)狀態(tài)和輸出功率的大小，目的是滿足設(shè)備的功率需求。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求小于輸出功率時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率調(diào)節(jié)到最小值。當(dāng)荷電狀態(tài)高于下限值時(shí)，整車總需求負(fù)荷不超過電池容量，但超過發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，則需要將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率調(diào)整到最大。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率緊跟車輪功率的變化，這與傳統(tǒng)的汽車操作類似。通過這種控制策略，電池的工作周期將會(huì)消失，與充放電相關(guān)的電池組損耗將會(huì)減少到最小。但發(fā)動(dòng)機(jī)必須在整個(gè)負(fù)荷區(qū)域內(nèi)從低到高運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化快、動(dòng)態(tài)大，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和排放性能。解決的辦法是采用自動(dòng)無級(jí)變速傳動(dòng)（CVT）無級(jí)變速器，控制發(fā)動(dòng)機(jī)沿最小油耗曲線運(yùn)行，這樣同時(shí)減少了HC和CO的排放量。

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力車的控制策略

采用這類結(jié)構(gòu)的車輛，其內(nèi)部一般配備有兩套獨(dú)立的傳動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)。它有三種不同的工作模式：發(fā)動(dòng)機(jī)可以讓汽車啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)也可以直接讓汽車啟動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)聯(lián)合進(jìn)行汽車驅(qū)動(dòng)。并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車作為一種電力作為輔助動(dòng)力燃料的汽車，當(dāng)電源提供的功率大于正常運(yùn)行所需的能源和汽車的制動(dòng)，發(fā)電機(jī)發(fā)電，引擎提供的剩余能量存儲(chǔ)到電池。當(dāng)車輛處于加速或爬坡狀態(tài)時(shí)，需要較大的驅(qū)動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同工作，以保證車輛所需的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)車輛處于低速工況，如城市工況時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)無法在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域內(nèi)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)提供了車輛的驅(qū)動(dòng)力。并行混合動(dòng)力汽車的控制策略包括邏輯門控制策略、瞬時(shí)優(yōu)化策略、全局優(yōu)化策略和智能算法。本文主要介紹了瞬時(shí)控制策略和全局最優(yōu)控制策略。

2.2.1 瞬時(shí)控制策略

通過實(shí)時(shí)計(jì)算瞬時(shí)油耗率和排放的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)在不同功率分布組合和不同的工作分，電動(dòng)機(jī)的等效燃油消耗和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗統(tǒng)稱為名義的燃料消耗，以及最優(yōu)混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式和工作點(diǎn)確定在保證最低的前提下名義燃料消耗。具體如下，在某一時(shí)刻將能量轉(zhuǎn)化成為發(fā)動(dòng)機(jī)汽車消費(fèi)的能量消耗的燃料和排放，以及制動(dòng)能量的恢復(fù)和時(shí)間消耗的燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)排放和燃料消耗模型和排放模型，計(jì)算出最小值和最小條件最優(yōu)工作點(diǎn)。

2.2.2 全局優(yōu)化控制策略

利用最優(yōu)控制理論和最優(yōu)方法，提出了混合動(dòng)力分配控制策略。建立了以車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放為目標(biāo)，以系統(tǒng)狀態(tài)量為約束條件的全局優(yōu)化模型，即動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制，并利用相關(guān)優(yōu)化方法計(jì)算出最優(yōu)混合分配策略。

2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力車的控制策略

混聯(lián)式的控制策略有發(fā)動(dòng)機(jī)恒工作點(diǎn)策略和發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線策略。

2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)恒工作點(diǎn)策略

控制策略是指車輛采用行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)車輪速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，提供恒轉(zhuǎn)矩，所提供的剩余轉(zhuǎn)矩電機(jī)，由電機(jī)提供加速或爬坡時(shí)，避免動(dòng)態(tài)調(diào)整損壞引擎和電動(dòng)機(jī)控制更敏感、快速、困難。

2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線策略

使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在通用特性油耗線上，從靜態(tài)通用特性曲線出發(fā)，根據(jù)跟蹤條件確定最優(yōu)工作曲線。當(dāng)需要的功率或轉(zhuǎn)矩高于某一設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流超過電池可接受的電流，或當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過電機(jī)或電池可接受的容量時(shí)，離合器分離或嚙合來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，我們了解了當(dāng)前的混合動(dòng)力汽車的控制策略，知道了其利弊?；旌蟿?dòng)力的控制策略不僅要達(dá)到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能和動(dòng)力性能，還要適應(yīng)不同的工況和駕駛方式，同時(shí)考慮電池壽命、各部件的可靠性和整車的成本。今天的混合動(dòng)力汽車變得越來越流行，人們更青睞于它的優(yōu)越性，而能量?jī)?yōu)化控制算法的發(fā)展將進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)和混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能，以便進(jìn)一步促進(jìn)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展。

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