王偉 王磊 李鵬飛 陜西汽車集團(tuán)股份有限公司

混合動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)不再局限于上述問(wèn)題，它是目前技術(shù)上最工業(yè)化、最有發(fā)展前景的新能源汽車。由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其關(guān)鍵技術(shù)包括配置分析、參數(shù)自適應(yīng)、能量分析、電池技術(shù)等，而電子控制技術(shù)則從根本上解決了大多數(shù)其他新能源汽車發(fā)展過(guò)程中存在的共性問(wèn)題。因此，混合動(dòng)力電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)在整個(gè)新能源汽車系列中最具代表性。

一、混合動(dòng)力重型卡車優(yōu)化策略研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的重型混合動(dòng)力卡車相對(duì)于家庭用車和轎車來(lái)說(shuō)，發(fā)展比較晚，雖然還處于起步階段，但發(fā)展速度很快。在理論設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有關(guān)技術(shù)可以借鑒混合動(dòng)力客車的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

混合動(dòng)力技術(shù)是在過(guò)去二十多年中發(fā)展起來(lái)的。電動(dòng)汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略是目前混合動(dòng)力領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。穩(wěn)態(tài)控制以能量管理策略為核心，不斷產(chǎn)生新的思想。伴隨著智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，優(yōu)化方法與 ITS 的結(jié)合逐漸成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，從最初的規(guī)則優(yōu)化和單優(yōu)化算法的應(yīng)用，到目前的基于傳統(tǒng)策略的多種優(yōu)化算法的改進(jìn)。到目前為止，混合電源管理策略已經(jīng)分為規(guī)則型策略和優(yōu)化策略。優(yōu)化策略與規(guī)則化策略的主要區(qū)別在于規(guī)則化策略不是建立在精確的物理或數(shù)學(xué)模型上，而是將可測(cè)量的相關(guān)信息集成到描述車輛狀態(tài)的系統(tǒng)中，通過(guò)知識(shí)規(guī)則或某種推理方法來(lái)確定車輛能量流的規(guī)律。利用模糊邏輯進(jìn)行能量分配的另一種方法也是有規(guī)律的，規(guī)則型因其運(yùn)行速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

大型混合動(dòng)力卡車的優(yōu)化策略一般都是基于最優(yōu)控制的思想，這就需要建立車輛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，近年來(lái)，研究者們?cè)噲D設(shè)定不同的優(yōu)化目標(biāo)或考慮不同的因素，探索一種適用于不同類型混合動(dòng)力系統(tǒng)的算法，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化和按函數(shù)值或隨時(shí)間變化的全局觸發(fā)優(yōu)化。

二、混合動(dòng)力重型卡車構(gòu)型方案與特點(diǎn)

（一）混合動(dòng)力重型卡車構(gòu)型分類

像轎車一樣，重型混合動(dòng)力卡車也有兩種不同的分類方式：首先，是電力與傳統(tǒng)能源的混合；另外，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率占整個(gè)系統(tǒng)輸出功率的比例，如表1 所示，根據(jù)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式和接線方式，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

表1 混合動(dòng)力重卡按混合度分類

（二）三種構(gòu)型方案的特點(diǎn)

1.串聯(lián)式

重型串聯(lián)混合動(dòng)力卡車由發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)和引擎組成。串聯(lián)式重型串聯(lián)混合動(dòng)力卡車可以將發(fā)動(dòng)機(jī)與路面負(fù)載分開(kāi)，從而大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)的變換頻率，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)更容易控制。發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)穩(wěn)定、高效、低排放。但引擎的機(jī)械能被引擎轉(zhuǎn)化為電力，電力再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)卡車。因此，通常只有兩種情況會(huì)采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)：（1）驅(qū)動(dòng)能量主要來(lái)自動(dòng)力電池，僅用于發(fā)動(dòng)機(jī)；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)和引擎的整體效率高于傳統(tǒng)能源汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)換效率。

2.并聯(lián)式

與串聯(lián)式相比，并聯(lián)式具有容量小、電池質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在汽車高速、平穩(wěn)運(yùn)行的情況下獨(dú)立工作，這種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高性能、省油、直驅(qū)、高效傳動(dòng)等方面，在汽車加速或上升時(shí)，就要求高性能，為能量電池充電，將回收的制動(dòng)器能量?jī)?chǔ)存在動(dòng)力電池中，必要時(shí)釋放車輛并聯(lián)行駛，可提高整車能耗。

3.混聯(lián)式

混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)兩種優(yōu)點(diǎn)。在三個(gè)動(dòng)力源之間存在著更多的能量平衡模式，而汽車為保證：在復(fù)雜的工作環(huán)境中，混合動(dòng)力系統(tǒng)仍然可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能調(diào)節(jié)。但在混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)中，行星傳動(dòng)作為一種動(dòng)力耦合結(jié)構(gòu)，其控制策略要求更加嚴(yán)格，車輛布置更加困難，解決了這些問(wèn)題后，它的應(yīng)用將更加有價(jià)值。

三、混合動(dòng)力重型卡車能量計(jì)算模型

傳統(tǒng)的重卡能耗計(jì)算可以采用機(jī)械齒輪和電機(jī)能耗管理模式。電力系統(tǒng)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、逆變器和蓄電池）的能量計(jì)算模型必須定義為混合動(dòng)力重型卡車。通過(guò)對(duì)各個(gè)傳動(dòng)系的功率積分來(lái)計(jì)算混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能耗，從而使其基于功率流分析來(lái)計(jì)算。

（一）電機(jī)能量計(jì)算模型

考慮到直流電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如下：

電動(dòng)機(jī)定子處的電壓分別為轉(zhuǎn)子電壓、VA 和 VF。由該公式可確定發(fā)動(dòng)機(jī)的能量比，并計(jì)算其機(jī)械功率和電氣功率。另外，還可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與輸入功率的比值來(lái)計(jì)算效率。它是定子電平和電流的乘積，輸出功率是轉(zhuǎn)子電平和轉(zhuǎn)矩的乘積，而輸入功率是轉(zhuǎn)矩電平和轉(zhuǎn)矩電平和轉(zhuǎn)矩電平的機(jī)械功率。

（二）電機(jī)逆變器能量計(jì)算模型

逆變器的主要功能是控制蓄電池，以便通過(guò)電力電子設(shè)備向發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的變頻器電流。對(duì)于直流電機(jī)，逆變器主要通過(guò)設(shè)定電壓來(lái)控制電機(jī)電流；對(duì)于交流電機(jī)，逆變器主要產(chǎn)生所需的頻率和相應(yīng)的相電壓。因此，逆變器可以看作是一個(gè)電源故障的變換器。

四、混合動(dòng)力重型卡車控制策略簡(jiǎn)述

混合動(dòng)力重型卡車的節(jié)能減排效果取決于各系統(tǒng)的協(xié)同效率和效率。盡管混合動(dòng)力電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)各不相同，但汽車控制策略起著關(guān)鍵作用，其目標(biāo)是減少能源消耗，節(jié)約能源。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合循環(huán)模式識(shí)別，提出了基于規(guī)則的控制策略、模糊控制策略和最優(yōu)工作點(diǎn)能量管理策略。

（一）基于規(guī)則的控制策略

在混合動(dòng)力發(fā)展的早期階段，普遍采用通用的能源管理策略，其數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，適用于大多數(shù)中小型車?；疽?guī)則包括：

1）小功率、低速汽車只能采用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；

2）使用高性能發(fā)動(dòng)機(jī)；

3）如車輛以高速或平穩(wěn)的速度行駛，則只允許使用發(fā)動(dòng)機(jī)；

4）發(fā)動(dòng)機(jī)是用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車還是用來(lái)給蓄電池充電，取決于電池的 SOC 狀態(tài)；如果 SOC 較高，則不需要為蓄電池充電。

5）充分利用再生動(dòng)力；

6）調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，優(yōu)化整車性能系統(tǒng)的效率：①正確選擇發(fā)動(dòng)機(jī)，使之在高效范圍內(nèi)工作；

②如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在最佳范圍內(nèi)，則將蓄電池充電；

③瓶體的荷電狀態(tài)在0.5～0.7 之間，其充放電效率最高，電池壽命長(zhǎng)；

④汽車需要少量電能，可以給瓶體充電。

（二）基于模糊邏輯的控制策略

①建立模糊規(guī)則；

②根據(jù)模糊if-then 規(guī)則，用公式表示模糊關(guān)系；

③采用模糊推理控制發(fā)動(dòng)機(jī)，以滿足整車性能要求。首先采用模糊邏輯運(yùn)算，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提供需要的功率，計(jì)算出需要的功率和電池系統(tǒng)的 SOC 狀態(tài)。決策模塊通過(guò)計(jì)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，決策模塊通過(guò)模糊邏輯對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能調(diào)整，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能在預(yù)定的工作點(diǎn)上運(yùn)轉(zhuǎn)。

（三）結(jié)合循環(huán)模式識(shí)別的最優(yōu)工作點(diǎn)能量管理策略

該轉(zhuǎn)向策略的主要缺點(diǎn)是，決策僅以車輛的現(xiàn)狀為依據(jù)，不考慮駕駛員的駕駛風(fēng)格，根據(jù)車輛當(dāng)前的速度、要求、蓄電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，采用基于模式識(shí)別算法的動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的動(dòng)力分配進(jìn)行優(yōu)化。將車輛的性能曲線所給出的代價(jià)函數(shù)作為最小化原則，確定發(fā)動(dòng)機(jī)和引擎在任意時(shí)刻的精確控制功率。針對(duì)重載車輛在各細(xì)分市場(chǎng)中的復(fù)雜情況，在不斷優(yōu)化算法、突破關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合循環(huán)模式識(shí)別的最佳工作點(diǎn)能量管理策略將成為重載車輛混合動(dòng)力控制策略的優(yōu)先選擇。

五、結(jié)論

今后，隨著智能領(lǐng)域的迅速發(fā)展，有必要進(jìn)一步探索混合動(dòng)力重型卡車在不同條件下的適應(yīng)性，如能與智能交通系統(tǒng)結(jié)合，為混合動(dòng)力重型卡車的研究提供更精確的實(shí)時(shí)路況信息，將有助于重型卡車燃料經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提高。