混合動力汽車動力系統(tǒng)和策略研究發(fā)展現(xiàn)狀

唐建鵬 秦高林 段俊法

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

混合動力汽車動力系統(tǒng)和策略研究發(fā)展現(xiàn)狀

唐建鵬 秦高林 段俊法

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

動力系統(tǒng)的組成和能量流控制策略是混合動力系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，決定了能量傳輸?shù)男省⒖煽啃约罢嚦杀?。通過調(diào)研文獻，本文討論動力系統(tǒng)組成型式的特點及發(fā)展，并對混合動力系統(tǒng)能量流控制的策略進行分析和比較，指出當前混合動力動力系統(tǒng)組成方式及控制策略發(fā)展面臨的主要問題，以及動力系統(tǒng)組成和控制策略的優(yōu)化及發(fā)展方向。

混合動力汽車；動力系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)型式

能源緊缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為當今世界面臨的兩大問題，世界各國政府和學者已經(jīng)提出眾多的方法以解決由汽車行業(yè)造成的能源危機和環(huán)境污染問題。汽車應(yīng)用產(chǎn)生的燃油消耗和排放污染加劇了能源和環(huán)境問題，發(fā)展新能源汽車對于應(yīng)對能源和環(huán)境問題具有重要意義［1］。

新能源汽車主要包括純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力汽車等。其中純電動汽車和燃料電池電動汽車最為清潔，無污染，但電池和燃料電池技術(shù)復(fù)雜、使用壽命短、制造成本高、能量密度低，很難在短時間內(nèi)得到普遍應(yīng)用［2，3］。

混合動力汽車兼具傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的優(yōu)點，具有較強動力性和低污染的特點，并且整車成本遠低于純電動汽車，被認為是實現(xiàn)當前節(jié)能減排目標最具發(fā)展前景的技術(shù)。動力系統(tǒng)的匹配形式及能量管理控制策略決定了混合動力汽車的節(jié)能、環(huán)保性能的優(yōu)劣，因而得到了研究者的廣泛關(guān)注。

1 動力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

在混合動力汽車的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過多種不同的動力系統(tǒng)耦合方式，按照能量流的傳輸路徑，通常可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式4種類型［4］。

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)通常由發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能，電能經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器后通過電動機驅(qū)動車輪，多余的電能可以存儲到電池組中。這種系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換次數(shù)較多，效率較低，是一種較為低級的混合動力方式。代表車型有雪佛蘭沃藍達、寶馬i3增程版、傳祺GA5增程版。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)，電機和發(fā)動機可以單獨驅(qū)動，也可以同時驅(qū)動車輪。通常動力輸出以發(fā)動機為主，所以相對于串聯(lián)式混合動力汽車，并聯(lián)式對于電機的要求比較低。該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換次數(shù)較少，需要通過復(fù)雜的控制策略保證能量流動和高效率，控制策略相對比較復(fù)雜，代表車型有本田飛度hybrid、本田CR-Z、本田insight。

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)比串聯(lián)式增加了發(fā)動機到傳動裝置的機械動力傳遞路線；比并聯(lián)式增加了將動能直接轉(zhuǎn)化為電能的傳輸路線，兼具串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，可以使發(fā)動機、發(fā)電機和電動機等部件進行更優(yōu)化的配合，如此也造成其成本高、控制策略復(fù)雜，代表車型有豐田PRIUS、凱美瑞·尊瑞等。

復(fù)合式混合動力系統(tǒng)的電機既可以作為電動機又可以作為發(fā)電機，實現(xiàn)了功率流的雙向流動，且前軸和后軸可以單獨驅(qū)動，前后輪之間不需要機械傳動環(huán)節(jié)，因而效率更高。這種雙向流動的功率流可以對4個車輪均進行制動回收，大大提高了車輛的燃油利用率和燃油經(jīng)濟性，當然也就有成本高、控制策略復(fù)雜的缺點。

串聯(lián)式系統(tǒng)技術(shù)難度較低，但能量效率很低，主流的混合動力在汽車上很少采用。并聯(lián)式系統(tǒng)的能量效率較高，但電池的充電不足，純電池驅(qū)動的行駛里程較短，往往需要外界電源充電，逐漸發(fā)展為插電式混合動力系統(tǒng)，當前應(yīng)用較多?；炻?lián)式和復(fù)合式系統(tǒng)能夠采用靈活的策略，在絕大多數(shù)工況能獲得最優(yōu)的能量效率，并保證行駛里程，因而是最有前途的混合動力系統(tǒng)。豐田的PRIUS采用這種系統(tǒng)油耗可低至3.1L/100km，但這種系統(tǒng)控制策略非常復(fù)雜，國內(nèi)廠商還處于較低的研究和應(yīng)用水平。這兩種系統(tǒng)的策略研究也是當前及今后一段時間主要的研究方向。

2 混合動力汽車控制策略

混合動力系統(tǒng)的控制核心在于保證發(fā)動機和電池驅(qū)動兩種系統(tǒng)的耦合，保證動力源和傳動系統(tǒng)總體的最優(yōu)能量效率。當前，最常見的控制策略主要有基于規(guī)則的控制策略和基于最優(yōu)的控制策略。

2.1 基于規(guī)則的能量管理控制策略

2.1.1 基于確定規(guī)則的能量管理控制策略?；诖_定規(guī)則的能量管理控制策略包括恒溫器控制策略、功率跟蹤策略、發(fā)動機最佳工作點策略等。其中恒溫器控制策略、功率跟蹤策略是應(yīng)用較多的兩種策略。

在恒溫器控制策略中，發(fā)動機一旦運轉(zhuǎn)，便一直處于其高效工作點上，而電池組通過控制發(fā)動機的開啟和關(guān)閉以保持SOC處于其預(yù)設(shè)的上下界限之間。雖然恒溫器控制策略能保證發(fā)動機—電機系統(tǒng)處于高效狀態(tài)，但混合動力汽車的整體系統(tǒng)效率較低。此外，要求電動機和電池組具有較強的性能表現(xiàn)以滿足不同運行工況對能量的需求。所以，恒溫器控制策略主要用于串聯(lián)式混合動力汽車［5］。功率跟蹤策略以發(fā)動機為主要能量提供源，發(fā)動機盡可能工作在其最佳工作曲線上，而電機提供額外的能量并保持電池的SOC狀態(tài)。相較于恒溫器控制策略，功率跟蹤策略提高了整體系統(tǒng)的效率，并提高電池組和其他電氣設(shè)備的使用壽命。功率跟蹤策略也主要用于串聯(lián)式混合動力汽車，但也在少數(shù)并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動力汽車中得到應(yīng)用［6］。為了克服恒溫器控制策略和功率跟蹤策略的缺點，進一步提高串聯(lián)式混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性，提出結(jié)合恒溫器控制策略和功率跟隨控制策略的混合恒溫器控制策略［7］。

對于基于確定規(guī)則的能量管理策略，由于其規(guī)則是確定的，其缺乏對不同工況的適應(yīng)性且易受不確定性因素的影響。

2.1.2 基于模糊規(guī)則的能量管理控制策略。模糊規(guī)則控制策略是對確定規(guī)則控制策略的一種延伸。這種策略是把人們的常識和推斷進行收集整合，并提供可控系統(tǒng)的定性描述。這就解除了確定規(guī)則控制策略對控制系統(tǒng)中精確數(shù)學模型的依賴。早在1998年，作為模糊規(guī)則控制策略的先驅(qū)，Baumann［8］、Sul［9］等提出了應(yīng)用于并聯(lián)式混合動力汽車的基于模糊規(guī)則的轉(zhuǎn)矩控制策略。之后基于模糊規(guī)則的能量管理控制策略也被應(yīng)用于串聯(lián)和混聯(lián)式混合動力汽車［10］。

由于模糊規(guī)則是根據(jù)人們的經(jīng)驗推斷出來的，這就決定了它并不能保證良好的控制性能。為了更好地提高燃油經(jīng)濟性和排放性能，將比例因子法、遺傳算法、粒子群優(yōu)化法和蜂群算法用以優(yōu)化模糊規(guī)則。然而，上述優(yōu)化程序是建立在特定的行駛循環(huán)基礎(chǔ)上的。為了進一步提高基于模糊規(guī)則的能量管理控制策略的魯棒性和適應(yīng)性，自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)被應(yīng)用于控制策略以提高其駕駛循環(huán)改變引起的魯棒效應(yīng)。

2.2 基于最優(yōu)的能量管理控制策略

2.2.1 全局優(yōu)化控制策略?；谌肿顑?yōu)的能量管理控制策略是以給定循環(huán)工況下的燃油經(jīng)濟性或者排放性能達到最優(yōu)為目標。這種技術(shù)依賴于駕駛循環(huán)的先驗知識；此外，其運算量要比基于規(guī)則的控制策略的運算量大。盡管其預(yù)見性差，計算復(fù)雜，但基于全局最優(yōu)的控制策略仍然是研究最多的能量管理控制策略。解決上述問題常見的方法有兩種：第一，把能量管理問題轉(zhuǎn)化為動態(tài)非線性約束優(yōu)化問題，又稱最佳控制問題，可以通過動態(tài)優(yōu)化方法進行解決；第二，優(yōu)化基于規(guī)則的控制策略參數(shù)，則能量管理問題便成為參數(shù)優(yōu)化問題，也被稱為靜態(tài)優(yōu)化問題，可以通過靜態(tài)優(yōu)化方法得到解決。

對于動態(tài)優(yōu)化方法，動態(tài)規(guī)劃理論（DP）和龐特里亞金極小值原理（PMP）是研究最為廣泛的兩種數(shù)學方法。20世紀50年代，貝爾曼為解決非線性動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題提出了動態(tài)規(guī)劃。動態(tài)規(guī)劃通過依次將原始優(yōu)化問題離散化而把動態(tài)優(yōu)化問題分解為一系列子問題，優(yōu)化控制可以通過逆序求解子問題而得以實現(xiàn)。所以，動態(tài)規(guī)則（又被稱為確定性動態(tài)規(guī)劃，DDP）要求完整駕駛循環(huán)的先驗知識。由于HEV傳動系統(tǒng)的非線性特性，DDP要求近似的數(shù)值解。最常用的近似法有量化和插值。所以，確定性動態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化以及其計算量與網(wǎng)格密度有直接關(guān)系，而且其優(yōu)化性能與計算量之間要有一定的權(quán)衡。盡管對駕駛循環(huán)的依賴性和眾所周知的“維數(shù)災(zāi)難”限制了確定性動態(tài)規(guī)劃在HEV瞬時控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，但從其衍生出的全局最優(yōu)仍然得到很多研究者的關(guān)注。如張炳力等［11］采用離散動態(tài)規(guī)劃法對并聯(lián)式混合動力汽車進行仿真計算。歐陽易時、張平平、趙韓等［12］應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃算法最優(yōu)目標函數(shù)進行求解。龐特里亞金極小值原理是另一種基于優(yōu)化控制理論的優(yōu)化算法，是從古典變分法引申而來的。

2.2.2 瞬時優(yōu)化控制策略。瞬時優(yōu)化控制策略使發(fā)動機工作在最優(yōu)工作曲線上，然后對混合動力汽車在某種特定工況下的整體優(yōu)化目標進行優(yōu)化。常見的整體優(yōu)化目標有名義油耗和功率損失等。其中研究較多的瞬時優(yōu)化策略方法有等效燃油消耗最少法（ECMS）、功率損失最小法等。等效燃油消耗最少法是Paganelli等［13］提出的以名義油耗最優(yōu)為控制目標的控制方法，這種方法將電動機的電消耗量轉(zhuǎn)化為等效的發(fā)動機燃油消耗量。在某一工況瞬時，以保證系統(tǒng)在該時刻名義燃油消耗最小為目標，確定電動機及發(fā)動機的工作點，進而實現(xiàn)對發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)矩的合理控制。由電動機電量的消耗向發(fā)動機油耗轉(zhuǎn)化的當量因子很大程度上決定了控制策略的優(yōu)劣。當量因子的優(yōu)化受到駕駛循環(huán)、電池組SOC以及電路中電流的流向等諸多因素的影響，因此當量因子的確定成為ECMS算法的關(guān)鍵，并得到學者們的廣泛研究。

2.3 能量管理控制策略的發(fā)展前景

由于基于規(guī)則的控制策略較為容易實現(xiàn)，所以它是最早實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的能量管理控制策略，但是這種策略并不能給出最優(yōu)的解決方案。雖然基于最優(yōu)的能量管理控制策略通過優(yōu)化控制理論克服了基于規(guī)則的控制策略的一些缺點，但是仍未能很好地解決實時控制系統(tǒng)的瞬時優(yōu)化控制問題。

首先，現(xiàn)存的各種控制策略都受到駕駛循環(huán)的影響，工況識別和工況預(yù)測是提高HEV控制性能最有前景的解決方案。工況識別和預(yù)測算法將會增加控制策略的計算量，并且可能會增加一些不確定因素的干擾。因此，簡單實用高效而又有較強魯棒性的工況識別和預(yù)測算法是HEV能量管理控制策略的一個重要研究方向。

其次，目前多數(shù)控制策略可行方案中都是以實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性為唯一目標，只有少數(shù)策略的研究兼顧了車輛的排放性能和操控性能，然而這些性能指數(shù)也只是以權(quán)重的方式加入到優(yōu)化問題中。因此，綜合優(yōu)化問題也應(yīng)得到進一步研究。

最后，計算的復(fù)雜性和控制策略的優(yōu)化之間的折中也是受到廣泛關(guān)注的問題之一。多數(shù)控制策略算法都是以犧牲優(yōu)化性能為代價的簡化算法。云計算或者不影響現(xiàn)存控制策略優(yōu)化性能的新的簡化算法也非常值得關(guān)注。

3 結(jié)論

①串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)在當前混合動力汽車中較少使用，插電式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)應(yīng)用較多，但混聯(lián)式和復(fù)合式混合動力系統(tǒng)更具發(fā)展前景。

②工況識別和預(yù)測算法對控制策略的優(yōu)化更具深遠意義，值得研究者們深入研究。在今后研究提高控制策略燃油經(jīng)濟性的同時，應(yīng)兼顧車輛的排放性、操縱性和電池組壽命。

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The Development of Hybrid Electric Vehicle Powertrain and Energy Management Strategy Research

Tang JianpengQin GaolinDuan Junfa
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011）

The composition of powertrain and the energy management strategy are the important contents of hybrid power system,it determines the efficiency of energy transfer,reliability and cost.Through research literature,the characteristics and development of powertrain components were discussed,the control strategy of energy flow control of hybrid system was analyzed and compared,the main problems in the development of hybrid power system and its control strategy were pointed out,and optimization and development direction of powertrain components and control strategies were revealed.

hybrid electric vehicle；powertrain；powertrain

U469.7

A

1003-5168（2017）05-0066-03

2017-04-15

唐建鵬（1990-），男，碩士，研究方向：混合動力汽車。