混合動力重型卡車構型方案與控制策略研究

王偉 王磊 李鵬飛 陜西汽車集團股份有限公司

混合動力技術已經不再局限于上述問題，它是目前技術上最工業(yè)化、最有發(fā)展前景的新能源汽車。由于混合動力電動汽車結構復雜，其關鍵技術包括配置分析、參數自適應、能量分析、電池技術等，而電子控制技術則從根本上解決了大多數其他新能源汽車發(fā)展過程中存在的共性問題。因此，混合動力電動車的關鍵技術在整個新能源汽車系列中最具代表性。

一、混合動力重型卡車優(yōu)化策略研究現狀

國內的重型混合動力卡車相對于家庭用車和轎車來說，發(fā)展比較晚，雖然還處于起步階段，但發(fā)展速度很快。在理論設計和開發(fā)過程中，有關技術可以借鑒混合動力客車的開發(fā)經驗。

混合動力技術是在過去二十多年中發(fā)展起來的。電動汽車混合動力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制策略是目前混合動力領域的研究熱點。穩(wěn)態(tài)控制以能量管理策略為核心，不斷產生新的思想。伴隨著智能領域的快速發(fā)展，優(yōu)化方法與 ITS 的結合逐漸成為一個新的研究熱點，從最初的規(guī)則優(yōu)化和單優(yōu)化算法的應用，到目前的基于傳統(tǒng)策略的多種優(yōu)化算法的改進。到目前為止，混合電源管理策略已經分為規(guī)則型策略和優(yōu)化策略。優(yōu)化策略與規(guī)則化策略的主要區(qū)別在于規(guī)則化策略不是建立在精確的物理或數學模型上，而是將可測量的相關信息集成到描述車輛狀態(tài)的系統(tǒng)中，通過知識規(guī)則或某種推理方法來確定車輛能量流的規(guī)律。利用模糊邏輯進行能量分配的另一種方法也是有規(guī)律的，規(guī)則型因其運行速度快、可靠性高等優(yōu)點在實際技術領域得到了廣泛的應用。

大型混合動力卡車的優(yōu)化策略一般都是基于最優(yōu)控制的思想，這就需要建立車輛系統(tǒng)的數學模型，近年來，研究者們試圖設定不同的優(yōu)化目標或考慮不同的因素，探索一種適用于不同類型混合動力系統(tǒng)的算法，以實現實時優(yōu)化和按函數值或隨時間變化的全局觸發(fā)優(yōu)化。

二、混合動力重型卡車構型方案與特點

（一）混合動力重型卡車構型分類

像轎車一樣，重型混合動力卡車也有兩種不同的分類方式：首先，是電力與傳統(tǒng)能源的混合；另外，發(fā)動機輸出功率占整個系統(tǒng)輸出功率的比例，如表1 所示，根據電力系統(tǒng)的結構型式和接線方式，可分為串聯式、并聯式和混聯式。

表1 混合動力重卡按混合度分類

（二）三種構型方案的特點

1.串聯式

重型串聯混合動力卡車由發(fā)動機，發(fā)電機和引擎組成。串聯式重型串聯混合動力卡車可以將發(fā)動機與路面負載分開，從而大大降低了發(fā)動機工作區(qū)的變換頻率，使發(fā)動機工作狀態(tài)更容易控制。發(fā)動機工作區(qū)穩(wěn)定、高效、低排放。但引擎的機械能被引擎轉化為電力，電力再轉化為機械能來驅動卡車。因此，通常只有兩種情況會采用串聯式結構：（1）驅動能量主要來自動力電池，僅用于發(fā)動機；（2）發(fā)動機和引擎的整體效率高于傳統(tǒng)能源汽車的動力轉換效率。

2.并聯式

與串聯式相比，并聯式具有容量小、電池質量好、成本低等優(yōu)點。發(fā)動機獨立驅動發(fā)動機可以在汽車高速、平穩(wěn)運行的情況下獨立工作，這種模式下，發(fā)動機工作在高性能、省油、直驅、高效傳動等方面，在汽車加速或上升時，就要求高性能，為能量電池充電，將回收的制動器能量儲存在動力電池中，必要時釋放車輛并聯行駛，可提高整車能耗。

3.混聯式

混合結構結合了串聯和并聯兩種優(yōu)點。在三個動力源之間存在著更多的能量平衡模式，而汽車為保證：在復雜的工作環(huán)境中，混合動力系統(tǒng)仍然可以實現最優(yōu)的性能調節(jié)。但在混合動力結構中，行星傳動作為一種動力耦合結構，其控制策略要求更加嚴格，車輛布置更加困難，解決了這些問題后，它的應用將更加有價值。

三、混合動力重型卡車能量計算模型

傳統(tǒng)的重卡能耗計算可以采用機械齒輪和電機能耗管理模式。電力系統(tǒng)（包括發(fā)動機、逆變器和蓄電池）的能量計算模型必須定義為混合動力重型卡車。通過對各個傳動系的功率積分來計算混合動力電動汽車的能耗，從而使其基于功率流分析來計算。

（一）電機能量計算模型

考慮到直流電機，感應電機功率和轉矩之間的關系如下：

電動機定子處的電壓分別為轉子電壓、VA 和 VF。由該公式可確定發(fā)動機的能量比，并計算其機械功率和電氣功率。另外，還可以根據發(fā)動機的輸出功率與輸入功率的比值來計算效率。它是定子電平和電流的乘積，輸出功率是轉子電平和轉矩的乘積，而輸入功率是轉矩電平和轉矩電平和轉矩電平的機械功率。

（二）電機逆變器能量計算模型

逆變器的主要功能是控制蓄電池，以便通過電力電子設備向發(fā)動機提供所需的變頻器電流。對于直流電機，逆變器主要通過設定電壓來控制電機電流；對于交流電機，逆變器主要產生所需的頻率和相應的相電壓。因此，逆變器可以看作是一個電源故障的變換器。

四、混合動力重型卡車控制策略簡述

混合動力重型卡車的節(jié)能減排效果取決于各系統(tǒng)的協同效率和效率。盡管混合動力電動車的結構各不相同，但汽車控制策略起著關鍵作用，其目標是減少能源消耗，節(jié)約能源。在此基礎上，結合循環(huán)模式識別，提出了基于規(guī)則的控制策略、模糊控制策略和最優(yōu)工作點能量管理策略。

（一）基于規(guī)則的控制策略

在混合動力發(fā)展的早期階段，普遍采用通用的能源管理策略，其數學模型較為簡單，適用于大多數中小型車?；疽?guī)則包括：

1）小功率、低速汽車只能采用一臺發(fā)動機；

2）使用高性能發(fā)動機；

3）如車輛以高速或平穩(wěn)的速度行駛，則只允許使用發(fā)動機；

4）發(fā)動機是用來驅動汽車還是用來給蓄電池充電，取決于電池的 SOC 狀態(tài)；如果 SOC 較高，則不需要為蓄電池充電。

5）充分利用再生動力；

6）調節(jié)發(fā)動機輸出，優(yōu)化整車性能系統(tǒng)的效率：①正確選擇發(fā)動機，使之在高效范圍內工作；

②如果發(fā)動機轉速在最佳范圍內，則將蓄電池充電；

③瓶體的荷電狀態(tài)在0.5～0.7 之間，其充放電效率最高，電池壽命長；

④汽車需要少量電能，可以給瓶體充電。

（二）基于模糊邏輯的控制策略

①建立模糊規(guī)則；

②根據模糊if-then 規(guī)則，用公式表示模糊關系；

③采用模糊推理控制發(fā)動機，以滿足整車性能要求。首先采用模糊邏輯運算，根據發(fā)動機轉速提供需要的功率，計算出需要的功率和電池系統(tǒng)的 SOC 狀態(tài)。決策模塊通過計算確定發(fā)動機輸出功率，決策模塊通過模糊邏輯對發(fā)動機進行性能調整，從而使發(fā)動機能在預定的工作點上運轉。

（三）結合循環(huán)模式識別的最優(yōu)工作點能量管理策略

該轉向策略的主要缺點是，決策僅以車輛的現狀為依據，不考慮駕駛員的駕駛風格，根據車輛當前的速度、要求、蓄電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)，采用基于模式識別算法的動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法，對發(fā)動機和發(fā)動機之間的動力分配進行優(yōu)化。將車輛的性能曲線所給出的代價函數作為最小化原則，確定發(fā)動機和引擎在任意時刻的精確控制功率。針對重載車輛在各細分市場中的復雜情況，在不斷優(yōu)化算法、突破關鍵技術的同時，結合循環(huán)模式識別的最佳工作點能量管理策略將成為重載車輛混合動力控制策略的優(yōu)先選擇。

五、結論

今后，隨著智能領域的迅速發(fā)展，有必要進一步探索混合動力重型卡車在不同條件下的適應性，如能與智能交通系統(tǒng)結合，為混合動力重型卡車的研究提供更精確的實時路況信息，將有助于重型卡車燃料經濟性的進一步提高。