浅谈混合动力汽车工作模式和控制策略王志杰（福建信息职业技术学院 福州，350003）摘 要：依据混合动力电动汽车发展现状,介绍串联式、并联式和混联式的混合动力电动汽车的概况,探讨三种结构方式下的工作模式及其能量流动和几种典型控制策略。关键词:混合动力汽车；HEV；控制策略；0 前言近几十年来,世界各国汽车工业都一直面对能源安全与环境保护两大挑战,为此,各国政府纷纷制定相应的对策,力图开发新一代的清洁节能型汽车。从上世纪90年代开始,全球各大汽公司首先把目光投放到电动汽车研究上,但由于车用蓄电池的能量密度低、质量较大,使得纯电动汽车的续驶里程短且成本较高,很难实现市场化，而混合动力汽车的出现正好解决了这一难题。混合动力汽车（Hybrid-Electric Vehicel,缩写HEV）是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。混合动力汽车结合了传统和电动驱动系统的特点，即明显减少汽车排放和降低油耗，又有大的行程。控制策略是混合动力汽车的核心,它根据驾驶员意图和行驶工况,协调各部件间的能量流动合理进行动力分配,优化车载能源,提高整车经济性,适当降低排放,并在不牺牲整车性能的况下,实现两者之间的折中优化。本文就混合动力汽车工作模式、能量流动和控制策略作了初步的论述，使人们对混合动力汽车技术有一定了解。1 混合动力汽车技术1.1串联式混合动力汽车 串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机和电动机三大主要部件总成组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给 电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供 电能驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。1.1.1工作模式及其能量流动1.1.1.1纯蓄电池模式当混合动力汽车负荷小(空载)时，由电池驱动电动机带动车轮转动，此时的能量流动如图1所示。1.1.1.2纯发动机模式载荷比较大时，则由发动机带动发电机发电驱动电动机带动车轮转动。此时的能量流动如图2所示。1.1.1.3混合驱动模式当车处于启动、加速、爬坡的工况时，发动机-发电机和蓄电池共同向电动机提供电能。能量流动图如图3所示。1.1.1.4发动机蓄电池模式当车处低速、滑行、减速的工况时，则由蓄电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。能量流动图如图4所示。1.1.2相应控制策略串联式混合动力汽车控制策略按控制性质可分为两大类:一类是被动型能量控制,一类是主动型能量控制。被动型能量控制是在保证电池和发动机工作于最佳工作区范围的条件下被动地满足车辆功率需求的一种控制模式，这种控制模式以提高能量流动效率为其主要目的。主动型能量控制就是在注重提高汽车系统内部能量流动效率的同时,再根据行车环境主动减小车辆功率需求。1.1.2.1开关型控制该策略属于被动型能量控制，特征是发动机开机后即恒定地工作于效率最高点，为使蓄电池组工作于充放电性能良好的工作区,预先设定了其充电状态SOC（State of charge）的最大值SOCmax与最小值SOCmin。控制逻辑为：蓄电池SOCSOCmin时,发动机进入设定的工作点(例如最低油耗或最低排放)工作,输出功率的一部分满足车辆行驶功率需求,另一部分向蓄电池充电。蓄电池SOCSOCmax时,发动机退出设定工作点,停机或减速时，由蓄电池单独向电动机供电驱动汽车。这种控制策略的优点是发动机的燃烧充分,排放低。缺点是蓄电池充放电频繁,加上发动机开关时的动态损耗,使得系统总体的损失功率变大,能量转换效率趋低,因而有可能抵消由发动机运行时工作效率最高所带来的好处。1.1.2.2功率跟随型控制该策略也属于被动型能量控制，在这种控制策略中由发动机全程跟踪车辆功率需求。只有在蓄电池的SOCSOCmax时且仅由蓄电池提供的功率能满足车辆需求时,发动机才停机或减速运行。这种策略的优点是蓄电池容量被减小到最小程度,因而蓄电池重量相对开关式策略来说减轻了许多,从而在很大程度上减小了汽车行驶阻力;此外由于蓄电池充放电次数减少而使得系统内部损失减少。缺点是发动机必须在从低到高的较大负荷区内运行,使得发动机效率和排放不如开关型控制策略。1.1.2.3动态规划法能量优化该策略属于主动型能量控制，以汽车在给定的驾驶循环工况下最小油耗为优化目标,根据串联式混合动力的能量流动特点建立适当的数学模型,按照时间顺序把整个循环工况下的功率与效率以一定的时间间隔(通常为1s)分成若干个时间片段，然后从最后一段状态开始逆向递推到初始段状态为止,最后求出整个循环工况下发动机最优输出功率序列。该方法只能用于特定的驾驶循环,即必须预先精确知道车辆的需求功率,因而不能用于在线控制,常用于离线优化,以帮助总结和提炼出能用于在线控制的能量管理策略。1.1.2.4路线适应性控制该策略也属于主动型能量控制，是基于车加减速频繁，路线固定,启动、停车时间己知的特点,在能量管理的基本控制策略(开关型或功率跟随型策略)基础上增加两个控制子策略:最佳加速子控制策略和最佳减速制动控制子策略。最佳加速子控制策略,根据行车路线数据(整个路线速度曲线,站点位置,实际车速等)帮助驾驶员发出当前工况下的最佳加速踏板请求。最佳减速制动控制子策略仅根据车辆停车信息确定停车前的速度,以使再生制动能量回收增加。这个策略特别适合城市公交车。1.1.2.5负荷预测型控制这种控制策略是在基本控制策略(开关型或功率跟随型策略)的基础上添加一个车辆负荷预测器。预测器根据车辆运行工况预测车辆需要的驱动功率，从而决定采用哪一种工作模式。 该策略最大的特征是提供了一种根据在线所预测的驱动功率参与系统能量管理，达到油耗最低、排放最低的目的,可操作性强。但由于所预测的驱动功率是由己耗功率推测得到的,与车辆功率的即时需求值仍会有较大偏差。1.2并联式混合动力汽车并联混合动力汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统，发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮,既可以采用发动机单独驱动,也可以采用电动机单独驱动,或者两者混合驱动等3种驱动模式。1.2.1工作模式及其能量流动由于并联混合动力汽车有两套驱动系统,且不同的驱动系统有不同的工作效率区间,这就使得汽车在不同的行驶工况下,具有多种不同的工作模式及其能量流动。1.2.1.1纯蓄电池模式图5为并联式混合动力汽车纯电动机模式时能量流动图。在汽车起步时，利用电动机低速大扭矩的特性使车辆起步;在车辆低速运行时，可以避免发动机工作在低效率和高排放的工作范围，高效并且动态特性好的电动机可以单独驱动汽车低速运行。1.2.1.2纯发动机模式汽车在高速稳定行驶的工况下，发动机工作在高效和低排放工作区域，或者汽车行驶在郊外等对排放状况要求不高的地区，可以用发动机单独驱动汽车。并联式混合动力汽车纯发动机机模式时能量流动图如图6所示。1.2.1.3混合驱动模式汽车在加速和爬坡时，发动机和电动机同时工作，由电动机提供辅助功率使车辆加速和爬坡。能量流动图如图7所示。1.2.1.4发动机驱动+发电模式当蓄电池荷电状态SOC值较低时，发动机可以驱动启动电机对电池组充电，汽车正常运行工况下当发动机输出功率大于车辆需求功率时，发动机也可以驱动以发电状态工作的电动机向蓄电池充电。能量流动图如图8所示。1.2.1.5回馈制动模式车辆减速和制动时，可以利用电动机的反拖作用，一方面使车辆减速，同时电动机以发电状态工作，回收部分制动能量，实现再生制动。能量流动图如图9所示。1.2.1.6停车充电模式起步前或停车后，如果电池SOC很低，可以进行停车充电，能量流动图如图10所示。1.2.2相应控制策略早期的控制策略，由于技术的限制大多是基于速度的控制,但由于控制参数单一，动态特性差，没有充分利用混合动力系统的优势，通常整车的燃油经济性不是最优，而且没有考虑排放等缺点，目前已不采用。现在的控制策略基本上是基于转矩或功率的控制。目前已经提出的控制策略主要可以分为4类:基于规则的逻辑门限控制策略;瞬时优化控制策略;智能控制策略;全局最优控制策略。1.2.2.1基于规则的逻辑门限控制这类控制策略的主要思想是:根据发动机的静态效率曲线图,通过控制选定的几个变量,如车功率需求、加速信号、电池等等,并根据预先设定的规则,判断并选择混合动力系统的工模式,使车辆运行在高效区,提高汽车的燃油经济性。基于规则的逻辑门限控制策略算法简单,易实现,且具有很好的鲁棒性,但从理论上讲,动态的控制策略不是最优的,它不考虑工况的动态变化,而且一般只考虑燃油经济性而不考虑排放。另外,当低于设定门限值时就要进行充电,没有考虑电池充放电能量的损失。1.2.2.2瞬时优化控制规则的逻辑门限控制策略是基于工程师的经验及静态的能耗图来制定的,由于它不考虑工况的动态变化,因此它不是最优的。为了克服这些缺点,人们又提出了一种新的控制策略瞬时优化控制策略,也叫实时控制策略。目前提出来的瞬时控制策略主要有：等效燃油消耗最少和功率损失最小两种。虽然这两种方法的出发点不同,但其原理是一样的。等效燃油消耗最小控制策略的主要思想是:在某一瞬时工况,将电机消耗的电量折算成发动机提供相等能量所消耗的燃油和产生的排放,再加上制动回收的能量与发动机实际的燃油消耗和排放组成总的整车燃油消耗与排放模型,计算此模型的最小值,并选在此工况下最小值所对应的点作为当前发动机的工作点。瞬时优化控制策略可以综合考虑燃油消耗和排放,它通过一组权值来描述各自的重要性,用户可以根据自己的要求来设定这组权值,从而在燃油消耗和排放之间获得折中。比如,在排放法规比较严格的地区,可以适当地提高排放的权值比重,放弃一点燃油经济性;注重燃油消耗,但排放法规比较宽松的地区,则可以适当提高燃油消耗的权值比重。当然,这种控制策略也有它的缺点:需要大量的浮点运算,计算量大,实现起来困难,成本比较高。此外,在计算过程中,需要对未来的行驶工况中由制动产生的回收能量进行预估,这就需要建立一个比较精确的预测模型,这一点实现起来也比较困难,它需要两个前提:一是对典型工况的统计分析,二是实时判断行车工况。1.2.2.3智能控制智能控制的基本出发点是模仿人的智能,根据复杂被控动态过程的定性信息和定量信息,进行定性定量综合集成推理决策,以实现对难以建模的复杂非线性不确定系统的有效控制。由于混合动力汽车的能量消耗模型正是这么一个系统,因此它非常适合于智能控制。目前提出的基于智能控制的并联混合动力汽车控制策略主要有3种:模糊逻辑控制策略、神经网络控制策略、遗传算法控制策略。1.2.2.4全局最优控制瞬时优化控制策略在每一步长内可能是最优的,但无法保证在整个运行区间内是最优的。于是又提出了一种在整个运行区间内寻优的全局最优控制策略。全局最优控制策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合驱动动力分配控制策略。其主要思想是基于某种优化理论,建立以整车燃油经济性与排放为目标系统状态变量为约束的全局优化数学模型,运用相关的优化算法,求得最优的混合驱动动力分配控制策略。目前研究较多的有基于多目标数学规划动态规划理论以及最小值原理的全局最优控制策略。这些控制策略还不成熟,需要大量计算,且依赖于预定的运行工况,实时性较差,主要用于：在标准行驶循环下,参考全局最优控制策略,对实时控制策略进行分析与评估,并从中派生出适用的实时控制策略。1.3 混联式混合动力汽车混联式结构通常是在并联式结构的基础上增加一套发电机构,这样发动机发出的功率不仅可以与电动机的功率复合后直接驱动车辆,还可以转换成电能储存到蓄电池,进而驱动电动机。混联式混合动力