混合动力原理

混合动力原理 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 1.1.1工作模式及其能量流动 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,1.1.1.1纯蓄电池模式 各国政府纷纷制定相应的对策,力图开发新当混合动力汽车负荷小(空载)时，由电一代的清洁节能型汽车。从上世纪90年代池驱动电动机带动车轮转动，此时的能量流开始,全球各大汽公司首先把目光投放到电 车轮动汽车研究上,但由于车用蓄电池的能量密:机械能 :电能度低、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，而混合驱动轴控制器蓄电池电动机动力汽车的出现正好解决了这一难题。 整流换混合动力汽车(Hybrid-Electric 车轮发电机内燃机流器是将电动机与辅助动力Vehicel,缩写HEV)图 1单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力动如图1所示。 单元实际上是一台小型燃料发动机或动力 车轮:机械能发电机组。混合动力汽车结合了传统和电动:电能驱动系统的特点，即明显减少汽车排放和降驱动轴控制器蓄电池电动机低油耗，又有大的行程。 控制策略是混合动力汽车的核心,它根整流换车轮发电机内燃机流器据驾驶员意图和行驶工况,协调各部件间的图 2能量流动合理进行动力分配,优化车载能源,1.1.1.2纯发动机模式 提高整车经济性,适当降低排放,并在不牺载荷比较大时，则由发动机带动发电机牲整车性能的况下,实现两者之间的折中优发电驱动电动机带动车轮转动。此时的能量化。 流动如图2所示。 本文就混合动力汽车工作模式、能量流1.1.1.3混合驱动模式 动和控制策略作了初步的论述，使人们对混车轮:机械能合动力汽车技术有一定了解。 :电能1 混合动力汽车技术 驱动轴控制器蓄电池电动机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、发整流换车轮发电机内燃机电机和电动机三大主要部件总成组成。发动流器机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给 图 3 电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出当车处于启动、加速、爬坡的工况时，的部分电能向电池充电，来延长混合动力电发动机-发电机和蓄电池共同向电动机提供动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电能。能量流动图如图3所示。 电动机提供 电能驱动电动汽车，使混合动1.1.1.4发动机—蓄电池模式 力电动汽车在零污染状态下行驶。 当车处低速、滑行、减速的工况时，则 1 由蓄电池组驱动电动机，由发动机-发电机蓄电池提供的功率能满足车辆需求时,发动组向电池组充电。能量流动图如图4所示。 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车轮:机械能最小程度,因而蓄电池重量相对开关式策略:电能来说减轻了许多,从而在很大程度上减小了驱动轴控制器蓄电池电动机汽车行驶阻力;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。缺点是发动整流换车轮发电机内燃机机必须在从低到高的较大负荷区内运行,使流器 图 4得发动机效率和排放不如开关型控制策略。 1.1.2相应控制策略 1.1.2.3动态法能量优化 串联式混合动力汽车控制策略按控制该策略属于主动型能量控制，以汽车在性质可分为两大类:一类是被动型能量控制,给定的驾驶循环工况下最小油耗为优化目一类是主动型能量控制。 标,根据串联式混合动力的能量流动特点建 被动型能量控制是在保证电池和发动立适当的数学模型,按照时间顺序把整个循机工作于最佳工作区范围的条件下被动地环工况下的功率与效率以一定的时间间隔满足车辆功率需求的一种控制模式，这种控(通常为1s)分成若干个时间片段，然后从最制模式以提高能量流动效率为其主要目的。后一段状态开始逆向递推到初始段状态为主动型能量控制就是在注重提高汽车系统止,最后求出整个循环工况下发动机最优输内部能量流动效率的同时,再根据行车环境出功率序列。 主动减小车辆功率需求。 该只能用于特定的驾驶循环,即必1.1.2.1开关型控制 须预先精确知道车辆的需求功率,因而不能 该策略属于被动型能量控制，特征是发用于在线控制,常用于离线优化,以帮助总动机开机后即恒定地工作于效率最高点，为结和提炼出能用于在线控制的能量管理策使蓄电池组工作于充放电性能良好的工作略。 区,预先设定了其充电状态SOC(State of 1.1.2.4路线适应性控制 charge)的最大值SOCmax与最小值SOCmin。该策略也属于主动型能量控制，是基于控制逻辑为: 车加减速频繁，路线固定,启动、停车时间 ,?蓄电池SOCSOCmin时,发动机进入设己知的特点,在能量管理的基本控制策略定的工作点(例如最低油耗或最低排放)工(开关型或功率跟随型策略)基础上增加两作,输出功率的一部分满足车辆行驶功率需个控制子策略:最佳加速子控制策略和最佳求,另一部分向蓄电池充电。 减速制动控制子策略。 ,?蓄电池SOCSOCmax时,发动机退出设最佳加速子控制策略,根据行车路线数定工作点,停机或减速时，由蓄电池单独向据(整个路线速度曲线,站点位置,实际车速电动机供电驱动汽车。 等)帮助驾驶员发出当前工况下的最佳加速 这种控制策略的优点是发动机的燃烧踏板请求。最佳减速制动控制子策略仅根据充分,排放低。缺点是蓄电池充放电频繁,加车辆停车信息确定停车前的速度,以使再生上发动机开关时的动态损耗,使得系统总体制动能量回收增加。这个策略特别适合城市的损失功率变大,能量转换效率趋低,因而公交车。 有可能抵消由发动机运行时工作效率最高1.1.2.5负荷预测型控制 所带来的好处。 这种控制策略是在基本控制策略(开关1.1.2.2功率跟随型控制 型或功率跟随型策略)的基础上添加一个车 该策略也属于被动型能量控制，在这种辆负荷预测器。预测器根据车辆运行工况预控制策略中由发动机全程跟踪车辆功率需测车辆需要的驱动功率，从而决定采用哪一 ,求。只有在蓄电池的SOCSOCmax时且仅由种工作模式。 2 该策略最大的特征是提供了一种根据在车轮:机械能线所预测的驱动功率参与系统能量管理，达:电能到油耗最低、排放最低的目的,可操作性强。驱动轴控制器蓄电池电动机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离合器内燃机车轮较大偏差。 图 71.2并联式混合动力汽车 1.2.1.3混合驱动模式 并联混合动力汽车采用发动机和电动 汽车在加速和爬坡时，发动机和电动机机两套独立的驱动系统，发动机和电动机通 同时工作，由电动机提供辅助功率使车辆加常通过不同的离合器来驱动车轮,既可以采 速和爬坡。能量流动图如图7所示。 用发动机单独驱动,也可以采用电动机单独 1.2.1.4发动机驱动+发电模式 驱动,或者两者混合驱动等3种驱动模式。 车轮1.2.1工作模式及其能量流动 :机械能 :电能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驱动轴控制器蓄电池电动机间,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。 离合器内燃机车轮 图 8车轮:机械能当蓄电池荷电状态SOC值较低时，发动:电能机可以驱动启动电机对电池组充电，汽车正驱动轴控制器蓄电池电动机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离合器发动机车轮工作的电动机向蓄电池充电。能量流动图如 图 5图8所示。 1.2.1.5回馈制动模式 1.2.1.1纯蓄电池模式 车辆减速和制动时，可以利用电动机的图5为并联式混合动力汽车纯电动机模 反拖作用，一方面使车辆减速，同时电动机式时能量流动图。在汽车起步时，利用电动 以发电状态工作，回收部分制动能量，实现机低速大扭矩的特性使车辆起步;在车辆低 再生制动。能量流动图如图9所示。 速运行时，可以避免发动机工作在低效率和 1.2.1.6停车充电模式 高排放的工作范围，高效并且动态特性好的 起步前或停车后，如果电池SOC很低，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 车轮:机械能汽车在高速稳定行驶的工况下，发动机:电能工作在高效和低排放工作区域，或者汽车行驱动轴控制器蓄电池电动机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。并联式混合动力离合器内燃机车轮汽车纯发动机机模式时能量流动图如图6所车轮:机械能图 9示。 :电能车轮:机械能驱动轴控制器蓄电池电动机:电能 驱动轴控制器蓄电池电动机 离合器内燃机车轮 离合器内燃机车轮图 10 图 6可以进行停车充电，能量流动图如图10所 3 示。 瞬时优化控制策略可以综合考虑燃油1.2.2相应控制策略 消耗和排放,它通过一组权值来描述各自的 早期的控制策略，由于技术的限制大多重要性,用户可以根据自己的要求来设定这是基于速度的控制,但由于控制参数单一，组权值,从而在燃油消耗和排放之间获得折动态特性差，没有充分利用混合动力系统的中。比如,在排放法规比较严格的地区,可以优势，通常整车的燃油经济性不是最优，而适当地提高排放的权值比重,放弃一点燃油且没有考虑排放等缺点，目前已不采用。 经济性;注重燃油消耗,但排放法规比较宽 现在的控制策略基本上是基于转矩或松的地区,则可以适当提高燃油消耗的权值功率的控制。目前已经提出的控制策略主要比重。 可以分为4类:基于规则的逻辑门限控制策当然,这种控制策略也有它的缺点:需略;瞬时优化控制策略;智能控制策略;全局要大量的浮点运算,计算量大,实现起来困最优控制策略。 难,成本比较高。此外,在计算过程中,需要1.2.2.1基于规则的逻辑门限控制 对未来的行驶工况中由制动产生的回收能 这类控制策略的主要思想是:根据发动量进行预估,这就需要建立一个比较精确的机的静态效率曲线图,通过控制选定的几个预测模型,这一点实现起来也比较困难,它变量,如车功率需求、加速信号、电池等等,需要两个前提:一是对典型工况的统计,并根据预先设定的规则,判断并选择混合动二是实时判断行车工况。 力系统的工模式,使车辆运行在高效区,提1.2.2.3智能控制 高汽车的燃油经济性。 智能控制的基本出发点是模仿人的智 基于规则的逻辑门限控制策略算法简能,根据复杂被控动态过程的定性信息和定单,易实现,且具有很好的鲁棒性,但从理论量信息,进行定性定量综合集成推理决策,上讲,动态的控制策略不是最优的,它不考以实现对难以建模的复杂非线性不确定系虑工况的动态变化,而且一般只考虑燃油经统的有效控制。由于混合动力汽车的能量消济性而不考虑排放。另外,当低于设定门限耗模型正是这么一个系统,因此它非常适合值时就要进行充电,没有考虑电池充放电能于智能控制。目前提出的基于智能控制的并量的损失。 联混合动力汽车控制策略主要有3种:模糊1.2.2.2瞬时优化控制 逻辑控制策略、神经网络控制策略、遗传算 规则的逻辑门限控制策略是基于工程法控制策略。 师的经验及静态的能耗图来制定的,由于它1.2.2.4全局最优控制 不考虑工况的动态变化,因此它不是最优瞬时优化控制策略在每一步长内可能的。为了克服这些缺点,人们又提出了一种是最优的,但无法保证在整个运行区间内是新的控制策略——瞬时优化控制策略,也叫最优的。于是又提出了一种在整个运行区间实时控制策略。目前提出来的瞬时控制策略内寻优的全局最优控制策略。 主要有:等效燃油消耗最少和功率损失最小全局最优控制策略是应用最优化方法两种。虽然这两种方法的出发点不同,但其和最优控制理论开发出来的混合驱动动力原理是一样的。 分配控制策略。其主要思想是基于某种优化 等效燃油消耗最小控制策略的主要思理论,建立以整车燃油经济性与排放为目标想是:在某一瞬时工况,将电机消耗的电量系统状态变量为约束的全局优化数学模型,折算成发动机提供相等能量所消耗的燃油运用相关的优化算法,求得最优的混合驱动和产生的排放,再加上制动回收的能量与发动力分配控制策略。 动机实际的燃油消耗和排放组成总的整车目前研究较多的有基于多目标数学规燃油消耗与排放模型,计算此模型的最小值,划动态规划理论以及最小值原理的全局最并选在此工况下最小值所对应的点作为当优控制策略。这些控制策略还不成熟,需要前发动机的工作点。 大量计算,且依赖于预定的运行工况,实时 4 性较差,主要用于:在行驶循环下,参考动如图12所示。 全局最优控制策略,对实时控制策略进行分1.3.1.3混合驱动模式 车轮析与评估,并从中派生出适用的实时控制策:机械能 :电能略。 1.3 混联式混合动力汽车 驱动轴逆变器蓄电池电动机 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,这样发动机发出的行星齿轮车轮发电机机构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, 内燃机进而驱动电动机。混联式混合动力系统结合 图 13了两种结构的优点,在能量流的控制上有更 大的灵活性,可以实现油耗和排放的最佳优在汽车加速爬坡时，此时发动机的工作化目标。 情况与正常行驶工况一样,而电动机不仅由1.3.1工作模式及其能量流动 发电机提供能量还要从电池获得能量,此时1.3.1.1纯蓄电池模式 系统工作在混合模式。能量流动图如图13 车轮所示。 :机械能 :电能1.3.1.4回馈制动模式 驱动轴逆变器蓄电池电动机 车轮:机械能 行星齿轮:电能车轮发电机机构驱动轴逆变器蓄电池电动机 内燃机 行星齿轮车轮图 11发电机机构启动及低速运行时，从静止起步到车速 低于一定的车速,如低于30km/h时,发动机内燃机不启动,行星系统只有一个自由度,车辆由 图 14驱动电机驱动,为纯电动模式。能量流动如 图11所示。 在减速或制动时，利用电动机的反拖作 用，电机作为发电机发电,向蓄电池充电,同 时产生制动转矩。能量流动图如图14所示。车轮:机械能 1.3.1.5停车充电模式 :电能 驱动轴逆变器蓄电池电动机车轮:机械能 :电能 行星齿轮车轮驱动轴逆变器蓄电池电动机发电机机构 行星齿轮车轮内燃机发电机机构 图 12 1.3.1.2发动机+发电机+充电模式 内燃机 在正常行驶时，发动机功率通过行星系图 15统分为二条路线,一条是通过齿圈直接传到 起步前或停车后如果电池SOC很低，可变速器,另一条是驱动发电机发电,给蓄电 以进行停车充电。能量流动图如图15所示。 池充电或者通过电动机驱动。此时的能量流 5 1.3.2相应控制策略 策略的算法往往都比较复杂,计算量也很大,1.3.2.1发动机恒定工作点模式 在实际车辆的实时控制中很难得到应用。 这种策略采用发动机作为主要动力源,通常的作法是把应用全局优化算法得到电机和电池通过提供附加转矩的形式进行的控制策略作为参考,再与其它的控制策略,功率调峰,使系统获得足够的瞬时功率。由如发动机最优工作曲线模式等相结合,在保于采用了行星齿轮机构使发动机转速可以证可靠性和实际可能性的前提下进行优化不随车速变化,这样使发动机工作在最优的控制。常用的控制理论有变分法、极小值原工作点,提供恒定的转矩输出,而剩余的转理和动态规划三种。 矩则由电机提供。这样电动机来负责动态部2 结论 分,避免了发动机动态调节带来的损失。而 混合动力电动汽车既保持了电动汽且与发动机相比,电机的控制也更为灵敏,车超低排放的优点,又发挥了传统内燃机汽也更容易实现。 车高比能量的长处,在电池技术瓶颈未被突1.3.2.2发动机最优工作曲线模式 破的情况下,它代表21世纪初汽车发展的方 这种策略从静态条件下的发动机万有向。研究其控制策略对提高混合动力汽车的特性出发，经过动态校正后,跟踪由驱动条燃油性、机动性、加速性以及减少排放，提件决定的发动机最优工作曲线,从而实现对高整车的综合性能都有重要的意义，是混合发动机及整车的控制。在这种策略下,让发动力汽车研究的主要内容之一。 动机工作在万有特性图中最佳油耗线上。发 动机在高于某个转矩或功率限值后才会打参考文献 [1]舒红,秦大同,胡建军.混合动力汽车控制策略开;发动机关闭后,离合器可以脱开(避免损 研究现状及发展趋势[J].重庆大学学失)或接合(工况变化复杂时,发动机起动更 报,2001.24，30. 为容易)，只有当发电机电流需求超出电池 [2]王东,田光宇,陈全世.混合动力电动汽车动力的 系统选型策略分析[J].汽车工业研接受能力或者当电机驱动电流需求超出电 究,2001(2).12，15 机或电池的允许限制时,才调整发动机的工 [3]钱立军.混合动力汽车传动系结构分析[J].合作点。 肥工业大学学报(自然科学版),2003,(1).12，15. 1.3.2.3瞬时优化模式 [4]姜帆,黄鼎友.从功率流分配探讨混合电动汽车在发动机最优工作曲线模式思想的基 控制策略[J].先进制造与智能控础上,对混合动力车的在特定工况点下整个 制,2003.(12).32，36 动力系统的优化目标(如效率损失、名义油 [5]刘金玲,宋健,于良耀等.并联混合动力客车控耗)进行优化,便可得到瞬时最优工作点,然 制策略比较[J].公路交通科技,2005,(1).22. 后基于系统的瞬时最优工作点,对各个状态 [6]杜兴山.并联式混合动力电动汽车动力系统的变量进行动态再分配。 建模与仿真[D].北京:清华大学硕士论文,2000. 通常的瞬时优化策略采用名义油耗和功 率损失作为控制目标。 1.3.2.4全局优化模式策略 由优化理论可知,瞬时最小值之和并不 等于和的最小值,因此瞬时优化模式并不能 导致全局最优的控制策略。全局优化模式实 现了真正意义上的最优化。但实现这种控制 作者简介:王志杰,1969- ,男～福建福州人～讲师～研究方向:混合动力汽车 6