并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的分析與研究

張勇斌

（鄭州鐵路技師學(xué)院河南鄭州450041）

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的分析與研究

張勇斌

（鄭州鐵路技師學(xué)院河南鄭州450041）

對(duì)基于能源短缺和環(huán)境惡化而開(kāi)發(fā)的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，研究了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作模式，同時(shí)研究了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的設(shè)計(jì)原則及控制策略的現(xiàn)狀，對(duì)各控制策略的原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)已成為人們必不可少的交通工具，汽車(chē)給人類(lèi)進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)，但也給全球環(huán)境帶來(lái)了危害。面對(duì)日趨嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境惡化問(wèn)題，世界各國(guó)的汽車(chē)公司都在積極研究、開(kāi)發(fā)和推廣電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)一般分為純電動(dòng)汽車(chē)（EV）、燃料電池汽車(chē)（FCEV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，全球各大汽車(chē)公司首先把目光投放到純電動(dòng)汽車(chē)上，但由于車(chē)用蓄電池能量密度低、質(zhì)量較重，使純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短且成本較高，很難大面積推廣。燃料電池汽車(chē)以通過(guò)電池反應(yīng)生成的氫氣做為能源，目前控制存在困難且在使用中存在一定危險(xiǎn)性，仍處于研究之中。混合動(dòng)力汽車(chē)雖然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零排放，但其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等綜合指標(biāo)能滿足當(dāng)前的苛刻要求，可以緩解汽車(chē)需求和環(huán)境污染及石油短缺的矛盾，所以混合動(dòng)力汽車(chē)從90年代以來(lái)發(fā)展很快[1]。

1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作模式[2]

混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）將內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)與一定容量的蓄電池通過(guò)控制系統(tǒng)組合形成一個(gè)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)可補(bǔ)充提供車(chē)輛起步、加速時(shí)所需扭矩，并可以存儲(chǔ)吸收內(nèi)燃機(jī)富余功率和車(chē)輛制動(dòng)能量，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)，從而大幅度降低油耗，減少污染物排放?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三類(lèi)。串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式目前幾乎沒(méi)人研究，混聯(lián)驅(qū)動(dòng)十分復(fù)雜，目前各個(gè)國(guó)家主要研究并投入使用的是并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的主要特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)根據(jù)路況扭矩的需求不同，同時(shí)或單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)通過(guò)不同的離合器與汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)相連接，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有不同的工作效率區(qū)間，這就決定了汽車(chē)在不同的行駛工況下，具有不同的工作模式。就汽車(chē)的正常行駛情況來(lái)看，主要有5種工作模式，如表1所示。

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

表1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)工作模式及能量流動(dòng)

2 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的設(shè)計(jì)原則[3]

控制策略是混合動(dòng)力汽車(chē)的核心。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的5種工作模式如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在何種工況下實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力裝置的對(duì)接是并聯(lián)混合汽車(chē)的控制策略問(wèn)題。它是根據(jù)駕駛員的意圖和行駛工況，協(xié)調(diào)各部件間的能量流動(dòng)，合理進(jìn)行動(dòng)力分配，優(yōu)化車(chē)載能源，提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放，在不犧牲整車(chē)性能的情況下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩種動(dòng)力之間的折中，是一個(gè)集機(jī)械、電器、化學(xué)和熱力學(xué)系統(tǒng)于一體的復(fù)雜而高度非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略總的設(shè)計(jì)原則是：

1）盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)工作，最好始終運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域。如圖2所示。

無(wú)論哪種發(fā)動(dòng)機(jī)，在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下，都有一個(gè)最省油工作點(diǎn)。把這些點(diǎn)連接起來(lái)，可得到一條最低油耗線，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在這條線附近最省油。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，HEV只用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)；在此區(qū)域之外，則視情況來(lái)確定控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域越小，發(fā)動(dòng)機(jī)在兩種驅(qū)動(dòng)之間的切換就越頻繁；若增大該區(qū)域，油耗會(huì)上升。因此，經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)的標(biāo)定，需要綜合考慮并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的油耗和各零部件的使用壽命。

2）根據(jù)汽車(chē)的使用場(chǎng)合和常用工況設(shè)定最低車(chē)速，盡可能減少發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。從圖2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速（1 500 r/min以下）和高轉(zhuǎn)速（4 000 r/min以上）時(shí)燃油消耗率都比較高。當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)，電機(jī)本身的效率和輸出扭矩也不高，若使用電機(jī)進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，有些得不償失。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，恰好發(fā)揮了電機(jī)低轉(zhuǎn)速、高扭矩的特點(diǎn)。所以，應(yīng)標(biāo)定一個(gè)最低車(chē)速，當(dāng)車(chē)輛速度低于這個(gè)最低車(chē)速時(shí)，僅用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于這個(gè)最低車(chē)速應(yīng)考慮兩點(diǎn)，一是電機(jī)的效率，二是能滿足車(chē)輛的扭矩需要和加速要求。

圖2 某發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域（常用區(qū)域）

3）選擇合適的電池SOC（荷電狀態(tài)，也叫電池剩余容量），并維持在一定范圍內(nèi)。在一般情況下，SOC應(yīng)盡可能高一些。用于公交車(chē)上的混合動(dòng)力汽車(chē)經(jīng)常在復(fù)雜的工況下頻繁加速，導(dǎo)致蓄電池快速放電，使SOC下降很快，對(duì)電池的壽命影響很大。但對(duì)電池SOC的選擇需考慮電池的容量、匹配以及發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等因素。

4）合理分配汽車(chē)所需功率，優(yōu)化車(chē)載能源，提高各子系統(tǒng)間的能量流動(dòng)效率。

5）動(dòng)態(tài)性能好，有良好的自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力。

3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的研究[4-5]

早期的控制策略大多是基于車(chē)速的控制，即設(shè)定一個(gè)車(chē)速作為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)瞬時(shí)工況車(chē)速判定整車(chē)的工作模式。當(dāng)車(chē)速低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)單獨(dú)工作；當(dāng)車(chē)速高于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作；當(dāng)車(chē)輪的負(fù)荷較大，汽車(chē)急加速或爬坡時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。這種基于車(chē)速的控制策略，比較簡(jiǎn)單，容易被控制工程師理解，技術(shù)門(mén)檻低，所以在混合動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)發(fā)初期得到較為廣泛的研究和應(yīng)用。但它存在很多缺點(diǎn)，如控制參數(shù)單一，動(dòng)態(tài)特性差，整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性不是最優(yōu)，沒(méi)有考慮排放，有時(shí)車(chē)速雖然高，但驅(qū)動(dòng)力的要求很低，高速滑行或勻速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷較低，效率不高。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的控制策略除了考慮車(chē)速（最低車(chē)速）外，同時(shí)考慮扭矩和功率的控制。目前已經(jīng)提出的控制策略大致可以分為四類(lèi)：基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略、瞬時(shí)優(yōu)化控制策略、全局最優(yōu)控制策略、智能控制策略等。

3.1 基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略

這類(lèi)控制策略的主體思想是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)效率曲線圖，通過(guò)控制整車(chē)功率需求、電池的SOC和加速信號(hào)等幾個(gè)變量，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷并選擇混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，使車(chē)輛運(yùn)行在高效區(qū)，提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。主要有電力輔助控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)控制策略和最大電池SOC控制策略等。

3.1.1 電力輔助控制策略

電力輔助控制策略來(lái)源于數(shù)學(xué)中的平均值和方差概念，將整車(chē)的功率需求分為平均功率需求和動(dòng)態(tài)功率需求兩部分。平均功率需求由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，動(dòng)態(tài)功率需求由電機(jī)提供。由于傳統(tǒng)汽車(chē)在一般工況下所需要的平均功率為發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率的20%左右，所以汽車(chē)行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)處于低效區(qū)工作，如果平均功率需求由運(yùn)行在高效區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供，而爬坡或加速時(shí)所需要的額外動(dòng)態(tài)功率由電機(jī)提供，便可以大大提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。但由于電池SOC在不同的車(chē)輛工作模式下，需要其他的控制策略進(jìn)行輔助才能達(dá)到預(yù)期的效果。

3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)控制策略也稱(chēng)恒溫器控制策略，最早用于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)上。當(dāng)汽車(chē)在公路上高速行駛時(shí)，不需要頻繁地加減速，大大減少了使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概率，此時(shí)車(chē)輛功率需求常常低于發(fā)動(dòng)機(jī)滿載時(shí)，即發(fā)動(dòng)機(jī)具有一部分富余功率，使電池的SOC容易達(dá)到上限。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低效區(qū)工作，此時(shí)應(yīng)該關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)；當(dāng)電池SOC達(dá)到設(shè)定的下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，富余的功率用于給電池充電。

3.1.3 最大電池SOC控制策略

最大電池SOC控制策略的目標(biāo)是使電池SOC盡可能維持在最高允許值附近，發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能運(yùn)行，盡可能少地使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種控制策略考慮了延長(zhǎng)電池壽命，但額外增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，對(duì)減少燃油消耗的作用不大。

基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略算法簡(jiǎn)單，容易控制，也具有很好的魯棒性。但沒(méi)有考慮工況的動(dòng)態(tài)變化，不是最優(yōu)的控制，也沒(méi)有考慮排放，當(dāng)SOC低時(shí)需要進(jìn)行充電，沒(méi)考慮電池充放電的能量損失。

3.2 瞬時(shí)優(yōu)化控制策略

瞬時(shí)優(yōu)化控制策略也叫實(shí)時(shí)控制策略[6]。目前有等效燃油消耗最少和功率損失最小兩種。

等效燃油消耗最少是在某一瞬時(shí)工況，將電機(jī)消耗的電量折算成發(fā)動(dòng)機(jī)提供相同能量所消耗的燃油和產(chǎn)生的排放，加上制動(dòng)回收的能量與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃油消耗和排放，組成總的整車(chē)燃油消耗與排放模型，計(jì)算此模型的最小值，并選在此工況下最小值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。

瞬時(shí)優(yōu)化控制策略綜合考慮了油耗和排放，通過(guò)一組權(quán)值來(lái)描述各自的重要性，用戶可根據(jù)自己的要求來(lái)設(shè)定這組權(quán)值，實(shí)現(xiàn)燃油消耗和排放之間的折中。但需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，成本高。對(duì)于制動(dòng)產(chǎn)生的回收能量的預(yù)測(cè)需要建立精確的模型，既要對(duì)典型工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，又要實(shí)時(shí)判斷車(chē)況，實(shí)現(xiàn)也比較困難。

3.3 全局最優(yōu)控制策略

全局最優(yōu)控制策略是應(yīng)用最優(yōu)控制理論和最優(yōu)化方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配控制策略。其主要思想是基于某種優(yōu)化理論，建立以整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性與排放為目標(biāo)，系統(tǒng)狀態(tài)變量為約束的全局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用相關(guān)的優(yōu)化算法，求得最優(yōu)的混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配控制策略。目前有基于多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃、最小值原理和Bellman動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論等全局最優(yōu)控制策略，發(fā)展還不成熟，主要用在標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)下，參考全局最優(yōu)控制策略，對(duì)實(shí)時(shí)控制策略進(jìn)行分析和評(píng)估，從中派生出適用的實(shí)時(shí)控制策略。

3.4 智能控制策略

智能控制策略是模仿人的智能，根據(jù)復(fù)雜被控動(dòng)態(tài)過(guò)程的定性信息和定量信息，進(jìn)行定性定量綜合集成推理決策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)難以建模的復(fù)雜非線性不確定系統(tǒng)的控制。目前提出的智能控制策略有:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略、模糊邏輯控制策略和遺傳算法控制策略等。

3.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從微觀結(jié)構(gòu)和功能上模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)信息進(jìn)行分布式存儲(chǔ)和并行處理的算法數(shù)學(xué)模型。在許多方面更接近人對(duì)信息的處理方法，有很強(qiáng)的逼近非線性函數(shù)的能力，并具有自學(xué)習(xí)功能，但采用的是典型的黑箱式學(xué)習(xí)模式，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所獲得的輸入、輸出關(guān)系無(wú)法以容易被人接受的方式表達(dá)出來(lái)。

3.4.2 模糊邏輯控制策略[7-8]

模糊邏輯控制的核心是模糊控制器。模糊控制器將各個(gè)傳感器發(fā)來(lái)的精確信號(hào)轉(zhuǎn)換成模糊量，根據(jù)專(zhuān)家制定的推理機(jī)制，應(yīng)用基于控制知識(shí)與專(zhuān)家工程經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則庫(kù)中的相關(guān)規(guī)則，得出模糊結(jié)論，作為控制指令，協(xié)調(diào)車(chē)輛各部件的能量流動(dòng)，使整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放達(dá)到最佳。

模糊邏輯控制策略不需要精確的整車(chē)能量消耗數(shù)學(xué)模型，避免了常規(guī)控制方法中復(fù)雜的查表和插值計(jì)算，能夠提供相應(yīng)速度和控制精度，解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題?？梢詫?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和蓄電池同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化控制，盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)曲線上運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電池SOC不足或過(guò)高，電機(jī)不能滿足整車(chē)扭矩要求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)改變最優(yōu)工作曲線，保持電機(jī)工作高效和維持電池的SOC在其合理區(qū)間內(nèi)變化。但在模糊推理過(guò)程中會(huì)增加模糊性，一方面在整個(gè)過(guò)程中，各變量的論域等級(jí)是固定的，控制規(guī)律是固定的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性較差，無(wú)法滿足不同駕駛員的意圖和不同路面環(huán)境下汽車(chē)的自動(dòng)控制。另一方面對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的模糊規(guī)則的建立還沒(méi)有確定的方法可以遵循，隸屬度函數(shù)的確定需要反復(fù)進(jìn)行。

3.4.3 遺傳算法控制策略

遺傳算法是建立在自然選擇和自然遺傳學(xué)機(jī)理基礎(chǔ)上的迭代自適應(yīng)概率性搜索算法。它能同時(shí)搜索空間的許多點(diǎn)，能夠快速全局收斂。遺傳算法的優(yōu)化是對(duì)優(yōu)化參數(shù)的集合進(jìn)行編碼，不是對(duì)參數(shù)本身優(yōu)化，其遺傳操作均在字符串上進(jìn)行。遺傳算法對(duì)問(wèn)題的適應(yīng)能力強(qiáng)，只需要評(píng)價(jià)用的適應(yīng)函數(shù)，不需要其它形式信息。

4 結(jié)論

目前提出的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略還不成熟，有待完善，只有基于工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的邏輯門(mén)限控制策略在實(shí)際中得以應(yīng)用。已開(kāi)發(fā)的控制策略各具優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)性強(qiáng)，但都沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)。從不同的控制策略比較中，模糊邏輯控制策略實(shí)用性好，魯棒性強(qiáng)，能克服其它控制策略的不足，如果能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，具有很好的推廣價(jià)值。

1石舒婭.混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展階段研究[J].北京汽車(chē)，2010（3）：5-11

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Parallel Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Situation and Analysis

Zhang Yongbin
Technician College of Zhengzhou Railway(Zhengzhou,Henan,450041,China)

This paper introduces the current situation of parallel hybrid electric vehicle developed based on the energy shortage and environmental worsening.The system configuration and operating mode of parallel hybrid cars are explained,as well as its control strategy and design principles.The principles and the advantages and disadvantages of each control strategy have been described and compared with each other.

Parallel,Hybrid electric,Vehicle,Control strategy

U469.72

A

2095-8234（2016）05-0074-04

2016-08-26）

張勇斌（1983-），男，講師，主要研究方向?yàn)樵O(shè)備綜合工程學(xué)和汽車(chē)節(jié)能。