并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制策略研究

麥鵬

西安汽車科技職業(yè)學(xué)院 陜西省西安市 710600

1 引言

由于混合動(dòng)力汽車可以將能車驅(qū)動(dòng)進(jìn)行合理搭配，而且油耗量小、污染程度低等方面的優(yōu)點(diǎn)，而被世界各國(guó)的汽車行業(yè)所認(rèn)可并被大量地推廣與普及。根據(jù)混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分的話，可以分成串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式以及復(fù)合式這四個(gè)類別。文中主要是針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的系統(tǒng)以及控制策 略進(jìn)行研究探討。

2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.1 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的定義

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)、車載能量源、連接部件等方面所構(gòu)成。所謂的混合動(dòng)力汽車，指的是汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)兩個(gè)、或者兩個(gè)以上的，能夠同時(shí)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所聯(lián)合組成的汽車。并且汽車在行駛上的功率是通過(guò)單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立、或者共同提供的。按照世界電子技術(shù)委員會(huì)的定義來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車就是在特定的工作環(huán)境中，能夠通過(guò)兩種、或者兩種以上的能量存儲(chǔ)設(shè)備、以及能量源、能量轉(zhuǎn)化設(shè)備中得到驅(qū)動(dòng)能量的汽車。并且當(dāng)中最少有一種存儲(chǔ)設(shè)備、或者轉(zhuǎn)化器必須要安裝在汽車中。當(dāng)前市場(chǎng)中的混合動(dòng)力汽車是基于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽車上，擴(kuò)增蓄電池組來(lái)儲(chǔ)存電能，然后再運(yùn)用電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能。

2.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與其他類型的汽車驅(qū)動(dòng)有著明顯的區(qū)別，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車是由發(fā)動(dòng)機(jī)以及電動(dòng)機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。而且這兩種不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以進(jìn)行機(jī)械能疊加，不但可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，還能夠進(jìn)行兩種系統(tǒng)混合驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。并且不管是采用哪一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的功率都能夠輕松滿足汽車的需求標(biāo)準(zhǔn)，因此在能量的利用效果上是相當(dāng)出色的。因此在汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以采用功率小一點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)，這樣不但能夠達(dá)到多選擇的驅(qū)動(dòng)方式，還可以確保汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)與尺寸、以及質(zhì)量會(huì)更加的合理化。

2.3 驅(qū)動(dòng)模式

通過(guò)對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的內(nèi)容，可以清楚地了解到有兩條驅(qū)動(dòng)線路，并且在這兩條驅(qū)動(dòng)線路當(dāng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)，全部是采用耦合裝置以及變速箱、汽車輪轂位置的驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行嚙合而成的結(jié)構(gòu)。所以并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)煞N不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行使用，并且將電動(dòng)力機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)作為汽車行駛的動(dòng)力源。如果汽車在正常行駛的過(guò)程當(dāng)中，其中某個(gè)部分的驅(qū)動(dòng)線路出現(xiàn)了問題或者故障，那么另外一條驅(qū)動(dòng)線路依然能夠進(jìn)行正常的運(yùn)作，這樣就起到了“雙重保險(xiǎn)”的作用。通過(guò)這種汽車驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì)方式，可以讓汽車在行駛的過(guò)程當(dāng)中采用純?nèi)加偷膭?dòng)力模式運(yùn)作，也可以使用環(huán)保型的電力能源來(lái)給汽車提供動(dòng)力。

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在通常情況之下，主要包括了以下幾個(gè)方面：（1）第一，動(dòng)力源合成式。這種方式是將汽車的前輪位置，安裝一個(gè)功率較低的內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)給汽車提供動(dòng)力。除此之外也必須要在汽車后輪的位置上再安裝一個(gè)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)槠嚨钠鸩脚c行駛提供更加穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力。特別是對(duì)于汽車在進(jìn)行加速、變速、或者坡陡路況的時(shí)候有著相當(dāng)良好的效果。除此之外，通過(guò)兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還能夠在出現(xiàn)突發(fā)事件或者車況不佳的時(shí)候提供另一種選擇。（2）第二，雙軸轉(zhuǎn)矩合成式。這種方式所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，必須要以發(fā)動(dòng)機(jī)為中心進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，然后把發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的能量給汽車中的大功率蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池充滿電之后又會(huì)將電能提供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）第三，單軸轉(zhuǎn)矩合成式。單軸式與雙軸式的工作原理在本質(zhì)上沒有多大的區(qū)別，就是發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)轉(zhuǎn)的時(shí)候帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)然后對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。（4）第四，轉(zhuǎn)速合成式。電動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)都是通過(guò)離合器與“驅(qū)動(dòng)結(jié)合器”來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。在這種運(yùn)作模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)本身的傳動(dòng)構(gòu)件可以使用內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行，而電動(dòng)機(jī)可以將“驅(qū)動(dòng)結(jié)合器”和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相互連接。所以不管是進(jìn)行維護(hù)或者改裝都是相當(dāng)便捷的，而且可行性相當(dāng)高。

3 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略的分析

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)當(dāng)要具備以下幾個(gè)部分：（1）首先，不管是采用哪一種的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，都必須要將發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、以及關(guān)閉次數(shù)進(jìn)行控制，不能夠頻繁啟動(dòng)、關(guān)閉。（2）其次，要把發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的工作效率進(jìn)行合理安排，以提升動(dòng)力系統(tǒng)的使用壽命。（3）第三，對(duì)于沒有經(jīng)常使用的、或者不使用的運(yùn)行模式，必須要對(duì)電池的SOC進(jìn)行相應(yīng)的選取。（4）將汽車的車況以及汽車的整體性能進(jìn)行全面性地優(yōu)化與整理，將功率進(jìn)行合理地進(jìn)行分配，確保子系統(tǒng)內(nèi)部的能量流通速率能夠有效地提升。（5）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持穩(wěn)定，在不同的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，都可以有出色的適應(yīng)性能以及學(xué)習(xí)能力。

3.2 控制策略的優(yōu)化與分析

系統(tǒng)控制策略長(zhǎng)期以來(lái)都是混合動(dòng)力汽車行業(yè)內(nèi)部的熱門話題。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，混合動(dòng)力汽車的生產(chǎn)與制造技術(shù)也在不斷地完善，目前市面上絕大多數(shù)混合動(dòng)力汽車的控制策略主要是通過(guò)轉(zhuǎn)矩以及功率的方面來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制的。

3．2．1 靜態(tài)邏輯門限控制策略

靜態(tài)邏輯門限控制策略是先把電池SOC、以及所需要汽車的總功率、加速信號(hào)（當(dāng)然也能夠使用其他的參數(shù)）來(lái)當(dāng)成事前所確定的變量，然后按照先前所確立好的流程，對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所使用的工作方式進(jìn)行選擇，從而全面性地提升汽車的整體運(yùn)作效率以及所產(chǎn)生的油耗。施行這種策略的方式與過(guò)程比較簡(jiǎn)單而且操作容易，因此在運(yùn)用范圍上也相當(dāng)廣闊?？墒瞧渌O(shè)定的門限靜態(tài)參數(shù)通常都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)得出的，所以也不能夠全面性地把具體的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行完整而真實(shí)地進(jìn)行反映出來(lái)，所以也不能夠讓汽車得到最大最好的功作效率。

3．2．2 瞬時(shí)優(yōu)化控制策略

現(xiàn)階段在汽車行業(yè)內(nèi)主流的瞬時(shí)優(yōu)化策略無(wú)非就是“等效燃油消耗最少”法、或者“功率損耗最小”法這兩種，而這兩種瞬時(shí)優(yōu)化策略所使用的工作原理的內(nèi)部構(gòu)架與外部機(jī)制具有較高的相似度。“等效燃油消耗最少”法這要是對(duì)于某個(gè)瞬時(shí)工作情況，把電動(dòng)機(jī)所消耗的電量按照嚴(yán)格的公式進(jìn)行換算成為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油量與排放量，然后再算上發(fā)動(dòng)機(jī)制過(guò)程中所造成的回收能量和燃油量、以及排放量來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的模型，最后再對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算并得出其最小值，再把與其相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)來(lái)當(dāng)成瞬時(shí)工況中的工作點(diǎn)。

3．2．3 模糊能量控制策略

模糊能量控制策略是進(jìn)行確定運(yùn)行模式、以及相關(guān)的功率大小。把當(dāng)前現(xiàn)有的“權(quán)威”的規(guī)則，通過(guò)固定的方式將其傳輸?shù)侥：刂圃O(shè)備當(dāng)中，通過(guò)控制器內(nèi)部強(qiáng)大的運(yùn)算能力把速度、以及功率等輸入量進(jìn)行模糊處理，并且再按照原先所確立的規(guī)則來(lái)選擇其中最合適的。而對(duì)于一些不能夠精確定量的理論規(guī)則，那么就能夠采用這種策略來(lái)進(jìn)行表述，并且還可以對(duì)各種不同的因素與問題進(jìn)行折中化解決。

3．2．4 全局最優(yōu)能量控制策略

對(duì)于整個(gè)運(yùn)行區(qū)間而言，全局最優(yōu)控制策略的核心定義就是按照某一種最合適的優(yōu)化理論，構(gòu)建一個(gè)以經(jīng)濟(jì)價(jià)值、排放做為主要目的的，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變量做為限制規(guī)則的合理化數(shù)學(xué)模型，然后再使用嚴(yán)謹(jǐn)而高精確的算法來(lái)進(jìn)行全局化的最優(yōu)設(shè)計(jì)。由于全局控制策略對(duì)于硬件設(shè)備上的要求相當(dāng)高，而且現(xiàn)階段的全局控制策略在技術(shù)攻關(guān)上仍然有著不小的阻力，而且在計(jì)算量上也相當(dāng)龐大，因此在實(shí)時(shí)工況當(dāng)中的性能表現(xiàn)并不太好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做為混合動(dòng)力汽車當(dāng)中眾多驅(qū)動(dòng)方式中的一種，并且該驅(qū)動(dòng)方式在實(shí)際的運(yùn)作過(guò)程中，或者在內(nèi)部機(jī)制上仍然有一些不足與缺陷尚未解決。所以必須要對(duì)混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取更加深入的性能與技術(shù)研發(fā)。而控制策略是整個(gè)混合動(dòng)力汽車的重要核心，由于種種原因，當(dāng)前的世面上所有的能量控制策略都不能夠達(dá)到盡善盡美，而且在實(shí)際運(yùn)用的效果上也不太盡如人意。因此要怎么樣才能夠研發(fā)出一種既能夠保障整車性能達(dá)到最優(yōu)，又具有良好的實(shí)用效果，還能夠做到最佳的能耗與排放控制，是當(dāng)前混合動(dòng)力汽車所面臨的重要課題。