混合動(dòng)力汽車(chē)能量控制與管理存在問(wèn)題與對(duì)策建議

李建平

摘 要：混合動(dòng)力汽車(chē)集合了兩種動(dòng)力模式（發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)組）。其具備純電動(dòng)與傳統(tǒng)汽車(chē)的雙重優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同的能量管理策略分別管理著不同的部件之間的能量流動(dòng)。通過(guò)研發(fā)大容量能量?jī)?chǔ)備與高效率充放電的電池，進(jìn)而來(lái)更新與優(yōu)化整車(chē)的能源控制與管理系統(tǒng)，提高基于優(yōu)化PHEN能量管理策略的工程應(yīng)用性能是行業(yè)目前需解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē);能量控制與管理策略;超級(jí)電容電池

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.028

1 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展的現(xiàn)狀

（1）混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展的現(xiàn)狀。1900年至今，Hybrid Electric vehicle 混合電動(dòng)汽車(chē)已提出百年，基于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)欣榮發(fā)展的背景，國(guó)內(nèi)已重點(diǎn)扶持混合動(dòng)力的研發(fā)與生產(chǎn)。當(dāng)前汽車(chē)主流趨勢(shì)面臨著必須對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)進(jìn)行更新?lián)Q代，但同時(shí)純電動(dòng)與其余能源汽車(chē)的續(xù)航、成本、壽命與穩(wěn)定性均不足，原因是其電池與相關(guān)技術(shù)的儲(chǔ)備不充分。 混合動(dòng)力汽車(chē)集合了兩種動(dòng)力模式（發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)組）。其具備純電動(dòng)與傳統(tǒng)汽車(chē)的雙重優(yōu)勢(shì)，預(yù)測(cè)是國(guó)內(nèi)當(dāng)前20年的研究重點(diǎn)。

（2）能量控制與管理策略的現(xiàn)狀混合動(dòng)力根據(jù)其分類(lèi)方式，為并聯(lián)、串聯(lián)、復(fù)聯(lián)、混聯(lián)四種分類(lèi)方式。

根據(jù)不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同的能量管理策略分別管理著不同的部件之間的能量流動(dòng)。當(dāng)前主流的能量管理策略算法為：

1）基于規(guī)則的算法：此類(lèi)算法大多是預(yù)定義缺失的行駛循環(huán)工況下，采用的數(shù)學(xué)模型、創(chuàng)新式算法。此類(lèi)型的算法可以能源效率、排放方面取得良好的成果，但是一般并不是所有工況的最優(yōu)解。針對(duì)高非線性系統(tǒng)可采用模糊型基于規(guī)則的算法[1]，但是此種算法無(wú)軌跡可循。

2）基于優(yōu)化的算法：當(dāng)模型具有具體數(shù)值可分析時(shí)，并有形式固定工況時(shí)，一般使用全局最優(yōu)策略控制算法，而實(shí)時(shí)最優(yōu)策略控制算法一般用于瞬時(shí)代價(jià)函數(shù)時(shí)。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)能量控制與管理存在問(wèn)題

（1）與純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)比分析：從國(guó)家戰(zhàn)略角度，純電動(dòng)汽車(chē)是國(guó)家對(duì)于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的預(yù)期目標(biāo)，串聯(lián)（增程式）與并聯(lián)（插電混動(dòng)）等混合動(dòng)力汽車(chē)都是對(duì)于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)空白的過(guò)渡產(chǎn)品，基于純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)瓶頸電池容量與充電效率，混合動(dòng)力為了規(guī)避這些問(wèn)題，采用了發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)組，核心為解決對(duì)目標(biāo)的期望與被獲取的車(chē)輛中性能的轉(zhuǎn)換的控制。進(jìn)而對(duì)能量進(jìn)行控制與管理。

1）期望的目標(biāo)性能指標(biāo)：①燃油消耗。②有害氣體排放。③舒適性。④延長(zhǎng)電池組壽命。

2）串聯(lián)式能量傳遞結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行耦合，發(fā)動(dòng)機(jī)可工作在萬(wàn)有特性曲線圖上的任意一點(diǎn)。 而缺點(diǎn)：能量進(jìn)行二次傳遞，并不適合復(fù)雜的工況[2]。

3）并聯(lián)式能量傳遞結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)可分別控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，功率不被二次轉(zhuǎn)化。 而缺點(diǎn)：動(dòng)力源需要復(fù)雜的耦合機(jī)械，對(duì)動(dòng)力進(jìn)行能量分配，實(shí)際工作點(diǎn)難以被限定在所需的理想范圍內(nèi)。零件、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

4）混聯(lián)、復(fù)聯(lián)式能量傳遞結(jié)構(gòu)：效果好，但結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)復(fù)雜程度更甚。

（2）與傳統(tǒng)燃油對(duì)比分析：混合動(dòng)力汽車(chē)與傳統(tǒng)燃油對(duì)比的關(guān)鍵，是保證先進(jìn)的控制技術(shù)其如前所述，是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的一種過(guò)渡性車(chē)型，控制技術(shù)涵蓋多學(xué)科。混合動(dòng)力汽車(chē)的核心技術(shù)包含驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)、動(dòng)力電池與管理系統(tǒng)、整車(chē)的能量流動(dòng)管理系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、現(xiàn)代車(chē)輛自動(dòng)控制技術(shù)等[3]。

混合動(dòng)力汽車(chē)依據(jù)不同的工況，具有相當(dāng)靈活的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力模式，大程度的提升各種期望目標(biāo)，但其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)切實(shí)涉及發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)與斷路。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜的“連續(xù)變量的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)”“離散變量系統(tǒng)”[5]等，因此具有典型的特征：混雜特性。

3 混合動(dòng)力汽車(chē)能源控制與管理促進(jìn)發(fā)展的對(duì)策建議

（1）超級(jí)電容電池[4]：純電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力對(duì)車(chē)載電池的強(qiáng)大性能都具有依賴性，具有突破式性能的車(chē)載電池對(duì)整車(chē)的能源經(jīng)濟(jì)性、能源動(dòng)力性都程線性比例指數(shù)上升，是目前國(guó)內(nèi)外迫切的一個(gè)研發(fā)課題，超級(jí)電容電池?zé)o疑是改變混合汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)良好途徑，通過(guò)研發(fā)大容量能量?jī)?chǔ)備與高效率充放電的電池，進(jìn)而來(lái)更新與優(yōu)化整車(chē)的能源控制與管理系統(tǒng)。

目前主流的車(chē)載電池有鎳氫電池與鋰離子電池等，難以保證充放電效率和電池使用循環(huán)壽命，而超級(jí)電容電池，具有不錯(cuò)的溫度特性且擁有良好的高比功率，超長(zhǎng)的使用循環(huán)壽命。超級(jí)電容電池目前具有非常大的潛能。目前國(guó)內(nèi)做過(guò)的高性能超級(jí)電容與普通鎳氫電池對(duì)比，其中充放電效率為60-240倍數(shù)。超級(jí)電容電池目前是被社會(huì)、行業(yè)廣泛關(guān)注的機(jī)動(dòng)平臺(tái)的電能載體，但針對(duì)于超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型等研發(fā)還處于發(fā)展中階段。

（2）開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力整車(chē)能量控制策略：要制定混合動(dòng)力能量控制策略，首先必須制定目標(biāo)控制對(duì)象、控制方式。主流目標(biāo)控制對(duì)象為：整車(chē)燃油消耗與排放、電池電量消耗最小。而第一個(gè)控制對(duì)象則是混合動(dòng)力汽車(chē)能量控制策略的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前，基于規(guī)則的能量管理策略已經(jīng)處于實(shí)車(chē)中開(kāi)發(fā)應(yīng)用，開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，但是此規(guī)則算法拘泥于算法其本身的局限性質(zhì)，使得此類(lèi)型控制策略本身在實(shí)際中并不能完全滿足實(shí)際需求。而基于優(yōu)化HEV的能量管理策略中，PD控制策略類(lèi)型雖然已經(jīng)趨向成熟，但是其在實(shí)際運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的不可預(yù)測(cè)性的全局?jǐn)_動(dòng)使得此算法在無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，ECMS/PMP算法則未達(dá)到工程應(yīng)用的程度。[6]提高基于優(yōu)化PHEN能量管理策略的工程應(yīng)用性能是行業(yè)目前需解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洋.基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量管理研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2018.

[2]荊紅娟.基于模型預(yù)測(cè)控制的四驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)能量管理策略研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[3]尚志誠(chéng)，劉一鳴.混合動(dòng)力汽車(chē)能量?jī)?yōu)化綜述[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)（新能源汽車(chē)），2019（07）：29-31.

[4]趙竟園.車(chē)用超級(jí)電容建模及在混合動(dòng)力汽車(chē)中的應(yīng)用[D].吉林：吉林大學(xué)，2018.

[5]田翔.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制與能量管理優(yōu)化研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2018.

[6]徐賽培.ISG混合動(dòng)力汽車(chē)模型預(yù)測(cè)控制能量管理策略[J].火力與指揮控制（工程實(shí)踐），2018（06）：171-174.