混合動(dòng)力汽車動(dòng)力切換控制技術(shù)研究

解埡嶺 王震

摘要：隨著現(xiàn)代人們節(jié)能、環(huán)保理念的提升，汽車制造業(yè)也越來(lái)越重視開發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車?；旌蟿?dòng)力汽車具備傳統(tǒng)汽車以及電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，具有耗油少、排放低、動(dòng)力性能不弱于傳統(tǒng)汽車且造價(jià)成本顯著低于電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，成為現(xiàn)代各大汽車生產(chǎn)公司以及相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。本文主要探討了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力切換控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車；動(dòng)力切換

1. 混合動(dòng)力汽車類型、特點(diǎn)及控制策略

混合動(dòng)力汽車主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式這三種類型，因此，文章主要針對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制策略展開分析：

1.1串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成。電動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)電實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)，在此過(guò)程中，電池起到平衡電動(dòng)機(jī)輸入、輸出功率的效果：當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電功率超過(guò)驅(qū)動(dòng)汽車所需功率時(shí)，控制器能夠控制電流進(jìn)入電池；若電動(dòng)機(jī)發(fā)電功率低于驅(qū)動(dòng)汽車所需功率時(shí)，控制器則控制電池提供所需功能[3]。該系統(tǒng)具有自由性高、操縱簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在效率低、持續(xù)時(shí)間短的問(wèn)題。

在串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車行駛工作無(wú)直接影響，因此，控制策略的主要任務(wù)是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和減少排放。筆者主要針對(duì)功率跟蹤式控制模式展開分析，該控制模式主要是根據(jù)電池的電量以及電荷來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與否，并能夠有效調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而滿足汽車驅(qū)動(dòng)的需求[4]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率低于驅(qū)動(dòng)所需功率時(shí)，控制器可以將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率適當(dāng)調(diào)高；當(dāng)電量下降，驅(qū)動(dòng)汽車所需功率超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)，可以通過(guò)提高電池的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式

并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的共同運(yùn)行或獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)電動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力來(lái)源時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)功率。其與串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式相比，具有較高的運(yùn)行效率，且經(jīng)濟(jì)性能顯著優(yōu)于串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益，并且能夠有效提高汽車的穩(wěn)定性。但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂等因素的影響，導(dǎo)致其在混合動(dòng)力汽車中的實(shí)際應(yīng)用受到限制。

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略仍存在一定的問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。筆者主要闡述實(shí)際運(yùn)用最廣泛的以車速為參數(shù)的控制策略：該方法主要根據(jù)車速進(jìn)行控制，當(dāng)車速低于一定標(biāo)準(zhǔn)的車速時(shí)，電動(dòng)機(jī)能夠單獨(dú)承擔(dān)驅(qū)動(dòng)車輛的任務(wù)；當(dāng)車速高于標(biāo)準(zhǔn)車速后，電動(dòng)機(jī)停止工作，并由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛；當(dāng)車載負(fù)荷量較大時(shí)，可以采用聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式，能夠有效保障驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)作效率。

1.3混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式

混聯(lián)式是綜合了上述兩種模式，當(dāng)汽車慢速行駛時(shí)，汽車主要采用串聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)；當(dāng)汽車快速行駛時(shí)，主要采用并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)[5]。這種模式能夠有效滿足汽車行駛的各方面需求，但是由于使用技術(shù)較為高端，對(duì)于汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)的要求較高。這種方式能夠有效保障驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，并且實(shí)現(xiàn)了低排放和低能耗，具有較高的綠色環(huán)保效果。

2. 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略分析

2.1 基線控制策略

基線控制策略在實(shí)際使用過(guò)程中能夠結(jié)合不同的工況來(lái)決定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作狀態(tài)，需要將二者的運(yùn)行參數(shù)控制在有限區(qū)域范圍內(nèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。當(dāng)實(shí)際車速小于設(shè)定車速時(shí)，需要運(yùn)用電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力矩。如果車輛的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力大于發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域中的最大力矩，需要由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行彌補(bǔ)。

2.2 實(shí)時(shí)控制策略

為了提高車輛運(yùn)行性能，需要明確排放量和燃油經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，結(jié)合排放運(yùn)行特點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)燃油消耗和排放物較少的目標(biāo)。需要了解并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能，構(gòu)建實(shí)時(shí)適應(yīng)控制的目標(biāo)函數(shù)，促進(jìn)目標(biāo)函數(shù)的最小化。通過(guò)實(shí)時(shí)適應(yīng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，提升汽車控制系統(tǒng)性能。

2.3 模糊控制策略

模糊控制與智能控制方式和紙質(zhì)的提煉精度有直接關(guān)系，能夠展現(xiàn)出混合動(dòng)力系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，混合動(dòng)力汽車模糊控制建立在發(fā)動(dòng)機(jī)需求和電池組的SOC狀態(tài)值基礎(chǔ)上，需要將扭矩Treq和功率Preq作為輸入變量輸出控制量，運(yùn)用輸入條件和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。

3. 混合動(dòng)力切換控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力切換系統(tǒng)與車輛動(dòng)力學(xué)建模

將混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備在不同的工作情況下，建立各自的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)轉(zhuǎn)矩模型觀測(cè)器對(duì)汽車內(nèi) 部的主要運(yùn)行設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化模型，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)和電 動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性進(jìn)行專業(yè)分析，研究混合動(dòng)力 電動(dòng)汽車的動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的各個(gè)供 能裝置與耗能裝置之間的關(guān)系。

2.2 基于模型預(yù)測(cè)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制

通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力汽車的駕駛狀態(tài)、動(dòng) 力的切換穩(wěn)定時(shí)間和駕駛工作狀況進(jìn)行分析，得出這些因素對(duì)動(dòng)力切換協(xié)調(diào)系統(tǒng)的影響，將汽車在正常運(yùn)行過(guò)程中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償確保動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)定的問(wèn)題進(jìn)行解決，確?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力切換處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)研究

在混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)研究過(guò)程中，通過(guò)進(jìn)行仿真模擬研究得到 一定的經(jīng)驗(yàn)，但這種研究方式得到的數(shù)據(jù)與混合動(dòng)力汽車實(shí)際使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)之間依 然存在一定的差距，這對(duì)科研研究項(xiàng)目的調(diào)整提出了一定的要求。通過(guò)搭建硬件設(shè)施盡可能 的貼近混合動(dòng)力汽車正式投入使用時(shí)的數(shù)據(jù)，通過(guò)驗(yàn)證和修改典型狀態(tài)下混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，研究出相關(guān)的混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

2.4混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力切換時(shí)的瞬態(tài)穩(wěn)定性

在進(jìn)行混合動(dòng)力汽車動(dòng)力切換時(shí)的瞬態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮到混合動(dòng)力汽車在正常行駛過(guò)程中的動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式和動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)。在汽車正常行駛過(guò) 程中準(zhǔn)備進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)切換時(shí)，考慮相關(guān)數(shù)據(jù)的瞬態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)建立一個(gè)將汽車進(jìn)行動(dòng)力切換數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄的動(dòng)態(tài)分析模型，將汽車在各種動(dòng)力切換模式工作之間的臨界值找到。掌握混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制技術(shù)的過(guò)程，需要通過(guò)軟件仿真試驗(yàn)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，在科研項(xiàng)目研究后期時(shí)，要通過(guò)硬件設(shè)施對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中所需的零件到對(duì)整個(gè)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的試驗(yàn)都要進(jìn) 行分析處理，當(dāng)經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可以 使混合動(dòng)力汽車在正常路況行駛，通過(guò)施加真實(shí)的道路負(fù)載，對(duì)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)況運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)控，確?；旌蟿?dòng)力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。將混合動(dòng)力汽車在進(jìn)行動(dòng)力切換時(shí)的瞬態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行有效的控制，保障混合動(dòng)力汽車在進(jìn)行動(dòng)力切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)故障，確保汽車在正常行駛過(guò)程中的絕對(duì)安全。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，人們的環(huán)保意識(shí)增加，汽車尾氣控制得到了人們的廣泛關(guān)注，運(yùn)用節(jié)能環(huán)保型汽車來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輛，對(duì)提升混合動(dòng)力汽車的環(huán)保性能具有重要作用。該文對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式的汽車工作模式和原理進(jìn)行了深入分析，對(duì)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的基線控制策略、實(shí)時(shí)控制策略和模糊控制策略進(jìn)行分析，并對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力切換控制技術(shù)進(jìn)行了分析，明確了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉和開啟對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的影響，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。

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