插電式混合動力汽車能量控制策略

李曉飛

摘要：環(huán)境污染和能源短缺成為近幾年來汽車工業(yè)發(fā)展面臨的兩大難題，各國政府和汽車使用人員的節(jié)能減排意識在不斷加強，大力發(fā)展新能源汽車成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大勢所趨。作為一種介于傳統(tǒng)混合動力電動汽車HEV和純電動汽車EV之間的新型混合動力汽車，插電式混合動力電動汽車（Plug-inHEV）因既可以利用非車載充電裝置充電來保證一定距離的純電動續(xù)駛里程，又可以用混合動力模式長途行駛來降低燃油消耗率，而成為最終向清潔能源汽車過度的最佳選擇。

關(guān)鍵詞：插電式混合動力汽車；能量管理；策略研究

引言

隨著我國汽車保有量的逐年增加，汽車能夠給人們帶來更多的方便。同時人類也面臨著許多問題，例如，石油資源的短缺和大氣污染等。所以純電動汽車以及混合動力汽車越來越受到人們的關(guān)注。純電動汽車之所以能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，因為純電動汽車是解決石油資源短缺和大氣污染問題的理想途徑之一。由于電池技術(shù)、充電站以及續(xù)駛里程的種種因素限制了純電動汽車的發(fā)展。由于插電式混合動力汽車即可以做到短途行駛零排放，節(jié)能環(huán)保，又可以做到增加續(xù)駛里程，不影響長途駕駛的需求，所以成為發(fā)展的重點。所以本文重點對插電式串聯(lián)混合動力汽車的能量管理控制策略進行研究。

1能量管理控制策略研究

插電式串聯(lián)混合動力汽車與燃油汽車相比有多種工作模式，插電式混合動力汽車的核心內(nèi)容是在多種工作模式下的控制策略的制定?？刂撇呗圆粌H直接決定了汽車整車的動力性能，也決定著汽車的經(jīng)濟性，所以本文與傳統(tǒng)控制策略相比，提出了一種基于駕駛員需求的能量管理控制策略。

1.1插電式串聯(lián)混合動力汽車的工作模式

插電式串聯(lián)混合動力汽車具有兩個能量源，一個是電池，一個是發(fā)動機-發(fā)電機組，因此它有多種工作模式。又由于混合動力汽車能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回饋，所以在整車行駛過程中，插電式串聯(lián)混合動力汽車具有以下幾種工作模式。

1）純電動模式

插電式串聯(lián)混合動力汽車的常用模式是純電動模式，光由電池提供電能給驅(qū)動電機，這種模式常用于短途行駛，其工作原理與純電動汽車完全相同。這種工作模式下可以做到整車零排放和零污染，并且電能來源于電網(wǎng)充電，經(jīng)濟性比較好。

2）發(fā)動機-發(fā)電機組單獨驅(qū)動模式

發(fā)動機-發(fā)電機組單獨驅(qū)動模式是利用發(fā)動機-發(fā)電機組提供電能。能量來源于發(fā)動機將化學能轉(zhuǎn)化為動能，再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，并且沒有多余的能量給電池充電。

3）電池與發(fā)動機-發(fā)電機組共同驅(qū)動模式

在這種工作模式下需要驅(qū)動電機提供較大的功率，而且電池還得提供電能的情況下，這時電池和發(fā)動機-發(fā)電機組共同提供電能給驅(qū)動電機。這種模式常用在汽車爬坡或急加速等功率需求較大的情況下。

4）發(fā)動機-電機組驅(qū)動+充電模式

這種模式是當電池組的SOC值低于門限值時，發(fā)動機-發(fā)電機組工作。發(fā)動機-發(fā)電機組提供的電功率遠遠大于整車的驅(qū)動需求，因此把多余的能量給電池充電。

5）能量回收模式

這種模式是當汽車在下坡或制動過程中，由車輪反拖驅(qū)動電機發(fā)電給電池充電，而且驅(qū)動電機也會提供一定的反拖制動力。這種模式下電池和發(fā)動機-發(fā)電機組均不提供電能。

本文插電式串聯(lián)混合動力汽車將遵循控制策略在5種工作模式中進行變換，以實現(xiàn)在不同工況下兼顧汽車整車動力性和經(jīng)濟性。

2現(xiàn)有能量管理控制策略的發(fā)展過程與分析

本文針對插電式串聯(lián)混合動力汽車的能量管理控制策略進行研究，首先從現(xiàn)有的能量管理控制策略出發(fā)。

現(xiàn)在的控制策略都是通過對發(fā)動機-發(fā)電機組的開關(guān)控制，然后以電池SOC值作為門限值，根據(jù)SOC值的變化來判定發(fā)動機-發(fā)電機組的開關(guān)。當汽車以純電動模式行駛一段時間后電池的SOC值會降低，當汽車電池的SOC值小于最低門限值SOC_min時，發(fā)動機-發(fā)電機組開始工作從而為整車提供電能，使整車進入混合動力工況。如果汽車在行駛過程中，電池的SOC值高于最高門限值SOC_max時，發(fā)動機-發(fā)電機組將關(guān)閉，使整車進入純電動工況。當汽車電池電量在SOC_min與SOC_max之間時，發(fā)動機-發(fā)電機組將維持之前的工作模式，進入保持模式。

這種控制策略是各種控制策略的基礎(chǔ)，任何控制策略都要遵循這個大原則。這種控制策略的目的是盡可能的讓整車保持純電動行駛，這樣就可以保證汽車在電池電量比較充足時處于純電動行駛，并且可以獲得較好的經(jīng)濟性和低排放。

隨著對控制策略的不斷研究，人們希望在混合動力工況下能追求更好的經(jīng)濟性，并且兼顧動力性。首先是發(fā)動機單工作點的控制策略，又稱為“恒溫器”式控制策略。也就是混合動力模式下發(fā)動機只工作在一個預(yù)先設(shè)定好的工作點上，發(fā)動機的工作點不會隨汽車整車的行駛工況而發(fā)生變化，這樣就可以為整車提供穩(wěn)定的電能。對于此工作點的選擇將會成為影響整車經(jīng)濟性和動力性的關(guān)鍵因素。因此，這種控制策略的核心就在于發(fā)動機工作點的選擇，不僅要滿足整車動力還要具有良好的經(jīng)濟性。

3發(fā)動機多工作點控制策略分析

3.1能量管理控制策略的確定

本文根據(jù)汽車整車使用的需求，決定選擇發(fā)動機多工作點的控制策略。這種控制策略的優(yōu)點是可以控制發(fā)動機的有限個工作點，使其都工作在發(fā)動機效率較高的區(qū)域，并且可以根據(jù)使用需求調(diào)整工作點。這種控制策略結(jié)合了恒溫器式控制策略和功率跟隨式控制策略，是目前比較好的控制策略之一，選擇了3個點作為發(fā)動機的工作點。根據(jù)整車的使用需求，發(fā)動機的工作點可以在這3個點中進行任意的切換。這樣不僅兼顧了汽車整車的電能需求，而且還能獲得較好的經(jīng)濟性。

3.2發(fā)動機工作點的確定

發(fā)動機工作點的確定是發(fā)動機多工作點控制策略的一個核心問題，所以發(fā)動機工作點的確定需要遵循以下幾個步驟：endprint

1）需要從汽車整車的能量需求出發(fā)，分析整車在不同工況下對電能的需求。

2）通過分析發(fā)動機MAP圖，能夠找到發(fā)動機工作效率比較高的區(qū)域。

3）結(jié)合整車對于電能的需求和發(fā)動機工作效率比較高的區(qū)域，初選發(fā)動機的3個工作點。在選擇發(fā)動機工作點的過程中，要盡可能的使工作點落在發(fā)動機的高效區(qū)，這樣可以保證較好的經(jīng)濟性。

3.3發(fā)動機工作點變化分析

確定發(fā)動機工作點后，在控制策略中至關(guān)重要的一個問題是根據(jù)什么改變工作點。一般來說就是根據(jù)整車的動力性需求來改變工作點。如果整車對電能的需求大則需要發(fā)動機-發(fā)電機組提供的電能也大。當整車對電能的需求小時，由于考慮經(jīng)濟性，則要減少發(fā)動機-發(fā)電機組提供的電能。但是，落實到實際控制策略中，如何體現(xiàn)整車對電能需求和發(fā)動機工作點的聯(lián)系是本文關(guān)注的重點。

根據(jù)現(xiàn)有的控制思路，借鑒功率跟隨式控制策略可以時時根據(jù)整車的工況來判斷此時整車的能量需求，用來改變發(fā)動機工作點，這是比較直接的方式，也就是說整車行駛受到的阻力越大驅(qū)動電機消耗的電能也就越大，那么發(fā)動機-發(fā)電機組就會輸出更多的電能。也有一些人提出了根據(jù)不同的車速的改變不同的工作點。這種思路來源于整車車速越高，驅(qū)動電機需要的電能也就越大，因此根據(jù)車速的不同來調(diào)整不同的工作點。但是，這兩種控制策略都存在弊端。不管是根據(jù)行駛工況還是根據(jù)車速來調(diào)整發(fā)動機工作點，發(fā)動機的工作點變化永遠是滯后于整車的需求，即只有路況或車速變化后整車才會根據(jù)變化來做出改變。并且對于根據(jù)車速改變發(fā)動機工作點的控制思路，就不能做到在低速時發(fā)動機提供高功率輸出，這就使得在急加速或者低速爬坡時，本應(yīng)需求發(fā)動機-發(fā)電機組提供較多的電能，但是卻無法實現(xiàn)。并且此時電池被迫提供較大能量進行大電流放電，不僅影響電池使用壽命，而且又不能獲得理想的能量分配。所以，本文希望控制策略不僅能做到發(fā)動機工作點的改變不滯后于整車需求，即任何時刻發(fā)動機-發(fā)電機組都能及時提供合適的電能，并且無論低速或者高速，在整車需求發(fā)動機-發(fā)電機組高功率輸出時都能提供充足的電能。

4基于駕駛員需求的能量管理控制策略

根據(jù)加速踏板對驅(qū)動電機的控制原理，結(jié)合本文給出的基于駕駛員需求的能量管理控制策略，本文最終確定將加速踏板的行程分為3個階段，而且跟發(fā)動機設(shè)置的3個工作點相對應(yīng)。根據(jù)加速踏板行程的改變，完成發(fā)動機3個工作點的改變。該控制策略可以根據(jù)駕駛員控制油門踏板調(diào)整發(fā)動機工作在低功率、中功率和高功率輸出點，具體控制策略圖如圖1.9所示。

當電池SOC值低于SOC_min時進入混合動力工況，混合動力工況下控制策略為：

加速踏板行程處于0%-x%之間時，發(fā)動機將以低功率工作點工作。

加速踏板行程處于x%-y%之間時，發(fā)動機將以中功率工作點工作。

加速踏板行程處于y%-100%之間時，發(fā)動機將以高功率工作點工作。

當電池SOC值高于SOC_max時，進入純電動工況。

這種控制策略不僅引入了駕駛員的控制，而且使發(fā)動機工作點的切換不再滯后于整車的性能需求。只要駕駛員深踩下油門踏板，發(fā)動機-發(fā)電機組便會提高輸出功率以滿足駕駛員的需求。

當然，這種控制策略是第一次引入了駕駛員控制，并非能夠完全的自動控制。但是，這也不會增加駕駛員的駕駛難度，駕駛員只需和操縱普通燃油車一樣，在需要加速時深踩下油門踏板，控制電腦便會同時完成增大發(fā)動機一發(fā)電機組電能輸出和增大驅(qū)動電機扭矩輸出兩個工作。

5結(jié)論

本文通過對插電式混合動力汽車資料的搜集、整理與歸納總結(jié)，詳細分析目前插電式串聯(lián)混合動力汽車的能量管理控制策略的發(fā)展與利弊，得到如下結(jié)論：

1）由于插電式混合動力汽車具有兩個動力源，而且能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回饋，所以具有六種工作模式，整車可以在這幾種模式中不斷轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)汽車在不同工況下的經(jīng)濟性和動力性。

2）根據(jù)現(xiàn)有控制策略，依據(jù)需求扭矩和蓄電池荷電狀態(tài)SOC，得出系統(tǒng)最高效率下對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩分配情況，控制發(fā)動機和電機相應(yīng)轉(zhuǎn)矩輸，可以獲得良好的經(jīng)濟性和低排放性，而且能夠獲得足夠的續(xù)駛里程。

3）綜合以往的控制策略，提出了基于駕駛員需求的能量管理控制策略，不僅彌補了以前控制策略的不足，并且通過控制策略使汽車整車具有良好的動力性和經(jīng)濟性。endprint