混合動力汽車動力系統(tǒng)和策略研究發(fā)展現狀

孫哲浩 張彤

科力遠混合動力技術有限公司 上海市 201501

環(huán)境污染和能源緊缺已逐漸成為世界性的兩大難題之一，在此情況下，很多國家紛紛提出解決汽車行業(yè)污染的對策。這主要是因為該行業(yè)在不斷發(fā)展的過程中，不僅會排放出大量的污染，同時還會還會消耗很多燃油原料，可見，發(fā)展新能源汽車勢在必行，而混合動力汽車便是其中的重要組成部分，具有污染地、動力強等優(yōu)勢特征，新時期背景下，對其系統(tǒng)進行研究具有很重要的現實意義。

1 混合動力汽車動力系統(tǒng)發(fā)展現狀分析

在混合動力汽車不斷發(fā)展的過程中，產生了很多動力系統(tǒng)耦合方式，結合能量流的傳輸路徑，一般可劃分為以下類型：即復合式、混聯式、并聯式、串聯式等等。

其中，串聯式動力系統(tǒng)是借助發(fā)電機驅動產生電能，并通過功率轉換器設備帶動電動機車輪運轉，在電池組中妥善的存儲剩余的電能。該系統(tǒng)的能量轉換效率相對較低，但次數較多。比較具有代表性的車如傳祺GA5增程版[1]。

并聯式混合動力系統(tǒng)，涵蓋2套獨立的驅動系統(tǒng)，發(fā)電機和電機均可單獨的驅動，也可對車輪進行同時驅動。正常情況下，該系統(tǒng)在正常運行過程中，是通過發(fā)電機來帶動，并輸出電力，因此，與串聯式混合動力系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在運行的過程中，并不會對電機提出較高要求。具體實踐中，能量轉換頻率相對較少，一般需要選擇合適的控制策略進行輔助，以此保證系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行，控制流程相對較為繁瑣，代表性車型包括本田insight、本田飛度等等[2]。

混聯式混合動力系統(tǒng)，它與其他的系統(tǒng)相比，增加了傳動設備到發(fā)動機之間的機械動力傳輸線路。相比于并聯式混合動力系統(tǒng)，增加了能夠將動能轉化為電能的傳輸線路，由此也使得該系統(tǒng)具備了并聯式和串聯式的特征，可對電動機、發(fā)電機以及發(fā)動機等部件進行優(yōu)化配合。該系統(tǒng)具有控制程序復雜、成本高昂等特征，具有代表性的車型如豐田PRIUS。

復合式混合動力系統(tǒng)，可將其作為發(fā)電機，對功率流進行雙向流動，再具體運行過程中，前后輪可進行獨立的驅動中，且彼此之間無需機械傳動環(huán)節(jié)，可以最大限度的提升運行效率。與此同時，還可大幅度提升車輛的燃油經濟性和燃油利用率，使其具備控制程序復雜、成本高的特點[3]。

串聯式系統(tǒng)技術難度較大。并聯式系統(tǒng)能量效率相對較高，但是經常會由于電池電量的問題，而導致駕駛里程數的大幅度縮減，車輛在行駛的過程中，常常要借助一些外部電源，目前應用較為廣泛。復合式以及混聯式系統(tǒng)在運行過程中，均可對靈活策略加以采用，在大多的情況之下，都能夠獲得較為顯著的能量效率，并可對里程數進行保證，因此，也是現階段比較具有發(fā)展前途的混合動力系統(tǒng)。具有代表性的車型如豐田PRIUS，實踐表明，該系統(tǒng)的能耗約為3.1L/100km。但該系統(tǒng)的缺陷在于，控制程序較為復雜，因此，我國對于該系統(tǒng)的應用和研究正處于低水平的狀態(tài)之下。

2 混合動力汽車控制策略

在具體實踐的過程中，最為關鍵的問題便是保證電池驅動和發(fā)電機系統(tǒng)的耦合，從而大幅度提升系統(tǒng)的能量效率[4]。

2.1 基于規(guī)則能量控制策略

2.1.1 確定規(guī)則的能量控制策略

在控制策略具體實踐的過程中，主要內容包括發(fā)動機的運行特征、功率跟蹤、恒溫器設備管理等等。其中，功率跟蹤、恒溫器設備管理在現階段應用較為廣泛。

在恒溫控制策略中，發(fā)動機在日常運行時，將會長時間的集中在高效工作電上，電池組通過對發(fā)電機的關閉和開啟進行控制，可確保SOC長時間的滿足預設要求。通過恒溫器控制策略，可為電機和發(fā)電機系統(tǒng)的高效平穩(wěn)運行提供保障。另外，還對電池組和電動機的性能提出較高要求，其要能夠滿足各種工況下的能量需求。因此，恒溫器控制策略一般在串聯式混合動力汽車中較為常見。功率跟蹤策略在實踐中，主要是將發(fā)電機作為主要的能量提供源，電機可對額外的能量進行提供，并始終確保電池保持在SOC的狀態(tài)下。相比于恒溫器控制策略，功率跟蹤控制策略可大幅度提升系統(tǒng)運行效率，并延長相關電氣設備和電池組的應用壽命。功率跟蹤策略一般在串聯式混合動力車中較為常見。為對功率跟蹤控制策略和恒溫器控制策略的應用缺陷進行克服，并提升動力汽車燃油經濟實惠性，混合恒溫器控制策略應運而生[5]。

2.1.2 模糊規(guī)則的能量控制策略

該控制策略實則是確定規(guī)則控制策略的拓展和延伸，實踐過程中，常將人們的推斷和意識進行整合，并以此為基礎提供出系統(tǒng)化描述。如此便可有效避免確定規(guī)則控制策略在應用過程中，對精準數學模型過于依賴的問題。目前，在混聯式混合動力汽車合串聯式混合動力汽車中，該混合管理策略應用十分廣泛。

從某種程度上來看，模糊規(guī)則是由相關人員結合以往的實踐經驗制定出來，由此也決定了其無法具備良好的控制性能。為了更好的提升排放性能和燃油經濟性。一般可將蜂群算法、粒子群優(yōu)化法、遺傳算法等等應用其中。但上述所有的程序都是建立在規(guī)定行駛循環(huán)基礎上。為提升模糊規(guī)則能量控制策略的適應性和魯棒性，一般可在控制策略中應用自適應神經模糊推理系統(tǒng)[6]。

2.2 最優(yōu)能量控制策略

2.2.1 全局優(yōu)化控制

該控制策略在具體應用過程中，對于駕駛循環(huán)的依賴程度較高。主要是將特定工況下的排放性能和燃油經濟性最優(yōu)化作為發(fā)展目標。另外，相比于規(guī)則控制策略，全局優(yōu)化控制的運算量更大，盡管運算程序較為復雜，且預見性較查，但其依然是研究內容最多的控制策略。為對上述問題進行解決，一般可從以下幾方面入手：第一，轉化能量管理問題為非線性優(yōu)化問題，同時也可稱之為“最佳控制問題”，實踐中可通過動態(tài)化的方式加以解決。第二，對規(guī)則控制策略的相關參數進行優(yōu)化，可實現能量管理問題到參數優(yōu)化問題的轉變，同時也可將其稱之為“靜態(tài)優(yōu)化問題”，實踐中可通過靜態(tài)化的方式加以解決[7]。

2.2.2 瞬時優(yōu)化控制策略

該方式在具體實踐中，可確保發(fā)動機一直處于最優(yōu)化工作曲線上，之后再特定的工況之下，對混合動力汽車的整體目標進行優(yōu)化。最為常見的優(yōu)化目標包括功率損失、名義油耗等等。其中，最為常見的瞬時優(yōu)化控制策略包括功率損失最小法、燃油消耗最少法等等，前者的主要目標是為了實現油耗控制的最優(yōu)化。

2.3 能量控制策略發(fā)展前景

現存的控制策略在具體實踐的過程中，經常會受到駕駛循環(huán)的限制和影響。工況預測和工況識別是提升控制性能的關鍵性手段。預測算法和工況識別會對控制策略計算量進行增加，同時也會產生一系列不確定的干擾因素。為此，高效、簡單的預測算法和工況識別是今后的能量控制策略發(fā)展的重要方向。

此外，在目前的很多控制策略中，基本都是將燃油經濟性的實現作為主要目標，很少有控制策略能夠兼顧到車輛的操控性能和排放性能。而這也是能量控制策略今后發(fā)展的主要方向。

3 結語

綜上所述，在目前的混合動力汽車中，串聯式混合動力系統(tǒng)并不常見，應用最多的要屬插電式混合動力系統(tǒng)。但相比之下，復合式混合動力系統(tǒng)和混聯式動力系統(tǒng)的發(fā)展情景最為廣闊。預測算法和工況識別在優(yōu)化控制策略方面具有著十分重要的現實意義。在今后的研究工作中，在對控制策略進行優(yōu)化的同時，還應提升對車輛電池組壽命、操縱性等因素的重視程度。