混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合系統(tǒng)與能量控制策略研究概述

徐 凱 高惠東 呂金賀 褚亞旭

（北華大學(xué)土木與交通學(xué)院 吉林 吉林 132013）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，推進(jìn)可持續(xù)性發(fā)展是世界各國發(fā)展的首要前提。實(shí)現(xiàn)車輛的高動(dòng)力及低能耗成為現(xiàn)如今汽車工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，在此趨勢(shì)下混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）應(yīng)運(yùn)而生。

HEV目前特指內(nèi)燃機(jī)（Internal Combustion Engine，ICE）和電動(dòng)機(jī)（Electric Motor，EM）組合的混合驅(qū)動(dòng)類型汽車，兼顧電動(dòng)汽車（Electric Vehicle，EV）和內(nèi)燃機(jī)汽車（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）的優(yōu)勢(shì)。相比于EV，既有ICEV高比能量和比功率的特性，又有超長續(xù)航里程的優(yōu)勢(shì)。相比于ICEV，既有可瞬間產(chǎn)生峰值轉(zhuǎn)矩，又可改善ICEV的工作效率。作為ICEV與EV的中間產(chǎn)物，HEV已成為新能源汽車研發(fā)的焦點(diǎn)[1]。

1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合系統(tǒng)分類

針對(duì)HEV的系統(tǒng)配置形式及工作模式，HEV的動(dòng)力耦合系統(tǒng)可分成3種類型：機(jī)械式、電磁式及液壓式[2]，3種動(dòng)力耦合系統(tǒng)綜合對(duì)比如表1所示。

1.1 機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)

現(xiàn)如今，HEV搭載的機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)多為行星輪系結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)潔高效地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩集中與分配。機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)的代表為豐田THS系統(tǒng)，現(xiàn)已發(fā)展至THS-Ⅱ系統(tǒng)[3-4]。與THS系統(tǒng)的單行星輪系機(jī)構(gòu)不同，其采用雙行星輪系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。ICE輸出軸連接第一排行星架，MG1連接第一排太陽輪，MG2連接第二排太陽輪，第二排行星架固定，第一排齒圈與第二排齒圈連接，第二排齒圈連接主減速器及差速器驅(qū)動(dòng)半軸[5]，其動(dòng)力耦合系統(tǒng)原理[6]如圖2所示。

表1 動(dòng)力耦合系統(tǒng)對(duì)比

圖1 THS-Ⅱ系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 THS-Ⅱ系統(tǒng)動(dòng)力耦合原理框圖

豐田THS-Ⅱ系統(tǒng)屬于深度混合的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，其對(duì)變速器、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)進(jìn)行集成[7]，可實(shí)現(xiàn)的功能有：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，MG1處于起動(dòng)機(jī)模式帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至約1 000 r/min時(shí)，火花塞點(diǎn)火起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可有效降低廢氣排放。

2）行星輪系傳動(dòng)比的改變決定其分配比例。THS-Ⅱ系統(tǒng)采用多行星輪系結(jié)構(gòu)可改變ICE輸出轉(zhuǎn)矩分配，ICE與電動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的分配比例為72∶28。

3）豐田THS-Ⅱ系統(tǒng)不是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零件鎖止，而是利用IEG電動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)及ICE來改變轉(zhuǎn)矩比例，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)變化，故稱為電子無級(jí)變速器（Electronic Continuously Variable Transmission，ECVT）。

多行星輪系的機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)由于內(nèi)部各機(jī)構(gòu)配置復(fù)雜，控制技術(shù)難度大，成本高及可靠性的原因，目前還處于發(fā)展階段。目前代表車型有豐田Camry等。

1.2 電磁式動(dòng)力耦合系統(tǒng)

電磁式動(dòng)力耦合系統(tǒng)通過電磁力實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩耦合，屬于分離式耦合形式，工作原理與電磁耦合效應(yīng)相關(guān)。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)（Double Rotor Motor，DRM）動(dòng)力耦合系統(tǒng)為主要代表。

DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)是相關(guān)領(lǐng)域研究的新興技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳動(dòng)配置結(jié)構(gòu)如圖4所示。DRM為系統(tǒng)核心組成部分，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由內(nèi)轉(zhuǎn)子、中間轉(zhuǎn)子和定子組成，內(nèi)轉(zhuǎn)子和中間轉(zhuǎn)子組成內(nèi)部電機(jī)，中間轉(zhuǎn)子及定子組成外部電機(jī)，從結(jié)構(gòu)分析其為雙電機(jī)復(fù)合形式。最早荷蘭MartinHoeijmaker教授創(chuàng)新性的將DEM動(dòng)力耦合結(jié)合到HEV。后期，瑞典專家設(shè)計(jì)DRM結(jié)構(gòu)四象限能量轉(zhuǎn)換器（Four-Quadrant Transducer，4QT），并開發(fā)實(shí)驗(yàn)機(jī)型。4QT 由2個(gè)永磁同步電機(jī)復(fù)合而成，包括一個(gè)DRM，一個(gè)定子電機(jī)[8]。其建立有限元及仿真模型，對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、定位力矩、反電動(dòng)勢(shì)等做相應(yīng)論證及對(duì)比[9-10]。美國電機(jī)專家Xu L教授針對(duì)DRM研究其控制策略，開發(fā)雙機(jī)械端口電機(jī)（Dual Mechanical Port，DMP），并針對(duì)DPM研究電磁式動(dòng)力耦合系統(tǒng)的控制策略及流程[11]。埃及學(xué)者Abdelsalam Ahmed把模糊控制引入DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)的能量控制策略中。模糊規(guī)則可視為由研究人員綜合前期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合決策[12]。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)可取代行星輪系動(dòng)力耦合系統(tǒng)[13]。

圖3 DRM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 基于DRM的動(dòng)力耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)具有布置方便，控制靈活，造價(jià)低等特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)電機(jī)，DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)有功率密度高效化，輸出轉(zhuǎn)矩快速化，工作效率最大化等優(yōu)秀表現(xiàn)。特別是多端口機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，通過內(nèi)、外電機(jī)配合工作，在HEV上可代替變速器、起動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)ECVT及其他工作模式，理論上使ICE始終處于最高效率，使車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能更好。

1.3 液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)

液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)由雙向變量液壓馬達(dá)、高壓蓄能器、ICE等組件構(gòu)成，如圖5所示。可實(shí)現(xiàn)ICE、液壓、HEV等驅(qū)動(dòng)行駛模式。液壓油為能量傳遞介質(zhì)，其基本原理是通過改變液壓油路以完成轉(zhuǎn)矩的集中和分配。

圖5 液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，1980年后美國、德國和日本等國的汽車企業(yè)逐漸將液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)車。Ford公司和美國EPA于2004年聯(lián)合開發(fā)全球首輛全液壓HEV的SUV車型，對(duì)比同款I(lǐng)CEV車型，其燃油經(jīng)濟(jì)性提升約55%。澳大利亞Permo-Drive公司開發(fā)一款基于液壓控制技術(shù)的液壓再生驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Hydraulic Regenerative Drive System，HRDS），其針對(duì)大型貨車及城市客車有較好應(yīng)用，燃油經(jīng)濟(jì)性可提升約40%。目前美國軍用車輛已進(jìn)行基于HRDS的道路測(cè)試[14]。

液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)控制可靠，造價(jià)低廉，高壓蓄能裝置功率密度大，故轉(zhuǎn)換速度快且回收效率高。由于應(yīng)用環(huán)境相對(duì)不成熟，在我國液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)開發(fā)較晚。

2 混合動(dòng)力汽車能量控制策略

能量控制策略主要根據(jù)車輛在運(yùn)行時(shí)的能量需求情況，有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)分配ICE與EM的輸出功率流，以此保證最佳的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性等[15]。

2.1 能量控制策略的類型

近年來在HEV發(fā)展過程中，國內(nèi)外專家學(xué)者以不同方向及視角對(duì)能量控制策略進(jìn)行一系列具體研究，其分類方式如圖6所示[16-18]。根據(jù)能量控制策略優(yōu)化實(shí)時(shí)性，可分在、離線控制策略兩類，在線控制策略可分為基于規(guī)則型控制策略及基于最優(yōu)化型控制策略。幾種能量控制策略綜合對(duì)比如表2所示。

2.2 幾種典型能量控制策略

2.2.1 模型預(yù)測(cè)能量控制策略

圖6 能量控制策略分類框圖

表2 幾種能量控制策略對(duì)比

模型預(yù)測(cè)能量控制（Model Predictive control，MPC）策略通過分析車輛前期運(yùn)行數(shù)據(jù)、道路綜合信息及相關(guān)地域環(huán)境因素等，預(yù)測(cè)車輛在未來運(yùn)行過程中階段性的功率期望，以便對(duì)能量進(jìn)行合理匹配。張昕等提出一階齊次Markovprocess預(yù)測(cè)模型，對(duì)城市主要道路交通網(wǎng)構(gòu)建車輛運(yùn)行工況特征參數(shù)做相應(yīng)預(yù)測(cè)[19]。Chao Sun等通過建立隨機(jī)Markovprocess預(yù)測(cè)模型，對(duì)車輛相關(guān)速度指標(biāo)做相應(yīng)預(yù)測(cè)[20-21]。羅禹貢等針對(duì)行車安全性、油耗經(jīng)濟(jì)性和駕乘舒適性等方面提出基于非線性MPC理論的混合動(dòng)力預(yù)測(cè)巡航控制算法，在巡航的安全性及經(jīng)濟(jì)性存在明顯優(yōu)勢(shì)[22]。SUNC等提出動(dòng)力電池組荷電狀態(tài)監(jiān)控及功率平衡的系統(tǒng)模型，制定基于實(shí)時(shí)交通信息的混合動(dòng)力預(yù)測(cè)控制策略[23]。

MPC可在車輛處于運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)能量匹配實(shí)時(shí)優(yōu)化，但因具有較強(qiáng)特殊性，控制算法存在明顯缺點(diǎn)。目前代表車型有豐田Prius等。

2.2.2 模糊邏輯規(guī)則能量控制策略

模糊邏輯（Fuzzy logic，F(xiàn)L）規(guī)則控制策略根據(jù)數(shù)理邏輯及模糊數(shù)學(xué)，通過模擬駕駛者的邏輯推導(dǎo)及決策判斷，可解決非線性系統(tǒng)控制難的問題。ZHAO D Z等提出將FL與等效燃油消耗最小控制策略進(jìn)行適當(dāng)結(jié)合，對(duì)其中等效因素采用模糊控制，優(yōu)化深度混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性[24]。PEIJZ等提出基于量子混沌鴿群優(yōu)化算法的FL策略，同時(shí)對(duì)FL動(dòng)力匹配控制系統(tǒng)的策略及相關(guān)隸屬度函數(shù)做相應(yīng)改進(jìn)，對(duì)比普通FL策略其經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)更佳[25]。NCT通過使模糊邏輯算法與遺傳算法、學(xué)習(xí)矢量量化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)結(jié)合，提出了以最小燃油消耗和動(dòng)力電池組荷電狀態(tài)為雙優(yōu)化目標(biāo)的等效燃油消耗最小控制策略[26]。

因FL策略制定時(shí)無法脫離工程經(jīng)驗(yàn)，且無法保證策略最優(yōu)，故將FL和其他策略結(jié)合可得到更佳效果。但其最終獲得的均為相應(yīng)近似最優(yōu)，且制定模糊邏輯規(guī)則表的工作量較大。

2.2.3 動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量控制策略

動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量控制策略對(duì)未來工況信息具有較大的依賴性，有著全局優(yōu)化效果，且計(jì)算量較大。LarssonV，Lee H等人通過基于2～3次樣條近似動(dòng)態(tài)規(guī)則算法的混合動(dòng)力能量控制優(yōu)化問題，使迭代計(jì)算過程有效簡(jiǎn)化[27-28]。LEEH，CHA SW提出基于隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的并聯(lián)式混合動(dòng)力能量控制策略，用Markovprocess反映駕駛者的實(shí)時(shí)功率需要，依據(jù)隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃得出結(jié)果，通過優(yōu)化功率分配比例，使燃油經(jīng)濟(jì)性有較好表現(xiàn)[29-30]。QINF，LIW提出基于神經(jīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的能量控制策略，同時(shí)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力電池組荷電狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，相比隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，有更佳的性能表現(xiàn)[31]。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量控制策略對(duì)未來工況數(shù)據(jù)有較強(qiáng)依附性及工作處于離線狀態(tài)的弊端，通過算法優(yōu)化或結(jié)合其他能量控制策略，以減小計(jì)算量及實(shí)現(xiàn)對(duì)未來工況信息的預(yù)測(cè)。

3 總結(jié)與展望

混合動(dòng)力汽車的混合驅(qū)動(dòng)類型、動(dòng)力耦合系統(tǒng)和能量管理策略直接影響著混合動(dòng)力汽車的綜合性能。因此合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)匹配對(duì)混合動(dòng)力汽車的開發(fā)至關(guān)重要。總體來說：

在動(dòng)力耦合系統(tǒng)方面：DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)尚存在部分問題有待解決，包括ICE的冷卻問題、車輛協(xié)同能量控制策略的進(jìn)一步優(yōu)化問題及DRM的升級(jí)改進(jìn)問題等，都是導(dǎo)致DRM動(dòng)力耦合系統(tǒng)無法大規(guī)模應(yīng)用的因素。液壓式動(dòng)力耦合系統(tǒng)同樣明顯存在問題：由于蓄能器的能量密度相對(duì)較小，故單位體積內(nèi)儲(chǔ)存能量少，導(dǎo)致純液壓行駛工況下的續(xù)航里程短。由于液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性相對(duì)較差，存在液壓油泄露的可能，故需定期進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。目前部分汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)研究時(shí)間較長，如豐田及通用等國際車企已成功研發(fā)出基于單行星輪系、雙行星輪系及三行星輪系的機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)。

現(xiàn)階段，基于行星輪系的機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)仍為主要研究?jī)?nèi)容，尤其是基于多行星輪系。通過行星輪系的增加可以實(shí)現(xiàn)更多不同工作模式，更好地結(jié)合車輛的使用工況將能量輸出，盡可能使車輛始終工作在高效能區(qū)間內(nèi)，更好地協(xié)調(diào)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。由于機(jī)械式動(dòng)力耦合系統(tǒng)內(nèi)部各機(jī)構(gòu)配置復(fù)雜，控制難度較高，在我國還處于研究的初級(jí)階段，可在零部件的加工制造、新型材料的應(yīng)用技術(shù)及控制策略等方面做相應(yīng)技術(shù)提升。

在能量控制策略方面：HEV能量控制策略的研究對(duì)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐和改進(jìn)方向。在今后的研究工作中，能量控制策略要在結(jié)合駕駛員的駕駛習(xí)慣、車輛行駛工況、動(dòng)力電池組性能等的前提下，保證各方面綜合性指標(biāo)。

總之，單一的能量控制策略均存在部分問題，因此將多種能量控制策略進(jìn)行系統(tǒng)性判斷，取各策略優(yōu)勢(shì)將不同策略進(jìn)行綜合是目前能量控制策略研究的重點(diǎn)。綜合選擇最佳的能量控制策略，將近似全局優(yōu)化、固定工況下的預(yù)測(cè)算法，依據(jù)未來運(yùn)行工況信息下的動(dòng)態(tài)規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)及智能交通技術(shù)等綜合結(jié)合在優(yōu)化能量控制策略上具有更好前景。