并聯(lián)混合動力系統(tǒng)及能量管理概述

王瀚州， 靳 珊， 李 銳， 王麗萍， 劉 濤

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

隨著世界各國環(huán)境保護的措施越來越嚴格，混合動力系統(tǒng)由于其節(jié)能、低排放等特點成為汽車研究與開發(fā)的一個重點?；旌蟿恿ο到y(tǒng)即發(fā)揮了發(fā)動機持續(xù)工作時間長、動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的好處，取長補短，汽車的熱效率可提高10%以上，廢氣排放可以改善30%以上。

混合動力一般指油電混合動力，即燃料 （汽油、柴油等） 和電能的混合。電動馬達作為發(fā)動機輔助動力驅(qū)動車輛，可以在啟動的瞬間產(chǎn)生強大的動力，同時還可以降低油耗。

1 混動系統(tǒng)分類

混動系統(tǒng)有3種分類方式：按外接充電分類、按混合度分類、按結(jié)構(gòu)形式分類。

1.1 按外接充電分類

插電式混合動力需要容量大的電池BMS系統(tǒng)，可以支持很長的行駛里程，如果有較好的充電條件，可以不用加油，當(dāng)作純電車輛使用。

非插電式混合動力必須加油，通過發(fā)動機發(fā)電來給電池充電。在低速時可以通過電機來行駛，高速時油電共同驅(qū)動。

1.2 按混合度分類

混合度指的是電機功率占總功率的比值：

混合度小于20%為輕混或弱混，混合度達到30%左右為中混，混合度達到50%為重混。

1.3 按結(jié)構(gòu)分類

混動系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)可以分為3種結(jié)構(gòu)：串聯(lián)混動、并聯(lián)混動、混聯(lián)混動系統(tǒng)。

串聯(lián)混動指發(fā)動機不直接參與驅(qū)動，發(fā)電機組只給電機充電，存在能量的二次轉(zhuǎn)換，造成功率的浪費。

并聯(lián)混動指車輛具有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，發(fā)動機和電機通過離合器具有機械連接關(guān)系，發(fā)動機和電機都可以單獨驅(qū)動車輛，也可以共同驅(qū)動車輛，功率可進行疊加。并聯(lián)混動沒有功率浪費的問題，且具備電動車和柴油車的優(yōu)點，尤其在混動模式下有很好的起步扭矩，加速性能更好。

混聯(lián)混動即存在串聯(lián)模式也存在并聯(lián)模式，在并聯(lián)的基礎(chǔ)上，混動系統(tǒng)有兩個電機，一個用于驅(qū)動車輛，另外一個電機既可以在極限狀態(tài)下驅(qū)動車輛，也可以在電力不足時用于給電池充電?；炻?lián)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但動力性和燃油經(jīng)濟性能突出。

根據(jù)各系統(tǒng)的優(yōu)缺點，不同的結(jié)構(gòu)形式對車輛的動力性和經(jīng)濟性有很大的區(qū)別。商用車多采用并聯(lián)混動模式，在機械結(jié)構(gòu)變動不是很大的基礎(chǔ)上既可以保證動力性，又可以提高燃油經(jīng)濟性。本論文針對非插電式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的能量分配的方法及原則進行介紹。圖1為并聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)形式。

圖1 并聯(lián)混合動力結(jié)構(gòu)形式

2 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)

2.1 并聯(lián)系統(tǒng)簡介

并聯(lián)混動系統(tǒng)中根據(jù)電機的位置又可分為5種狀態(tài)，如表1所示。

表1 并聯(lián)混動系統(tǒng)按照電機的位置分類

考慮在傳統(tǒng)柴油車型機械結(jié)構(gòu)改制較小的基礎(chǔ)上，商用車一般采用P2結(jié)構(gòu)并聯(lián)混動系統(tǒng)，既可提高駕駛感受，又達到節(jié)油的效果。

2.2 P2結(jié)構(gòu)能量管理策略

為了達到節(jié)油效果，關(guān)鍵體現(xiàn)在能量管理策略上，將SOC控制在一定范圍之內(nèi)節(jié)油效果最佳。如圖2所示。在整車電子架構(gòu)中一般采用整車控制器HCU來控制和協(xié)調(diào)低壓與高壓部分各控制器的能量管理，一般通用策略如下。

圖2 并聯(lián)P2結(jié)構(gòu)整車能量管理架構(gòu)

1） 在低車速時采用純電模式的電機起步及扭矩控制，此時離合器處于斷開狀態(tài)，既可以提高車輛起步時的舒適性，避免離合器結(jié)合所產(chǎn)生的卡頓沖擊，又可以避免發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下非經(jīng)濟區(qū)域工作，節(jié)省燃油消耗。

2） 在考慮車速和SOC的情況下，車輛制動或滑行時，發(fā)動機不工作，電機以發(fā)電機方式工作，盡可能地回收能量，將機械能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能，給電池BMS系統(tǒng)充電，提高續(xù)航里程。

3） 在電機驅(qū)動的狀態(tài)下，發(fā)動機會自動啟?？刂?，基于當(dāng)前車輛的實際工況考慮，包括制動氣壓、水溫、低壓電池電壓等參數(shù)，發(fā)動機適時停機可以減少燃油的損失降低排放。

4） 在混動模式下驅(qū)動行駛時，SOC較高的情況下優(yōu)先使用電機驅(qū)動車輛；當(dāng)發(fā)動機和電機共同驅(qū)動時，需要采用一定的控制策略對發(fā)動機和電機的扭矩進行分配，原則為保證發(fā)動機始終在經(jīng)濟區(qū)工作，當(dāng)需求扭矩低于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)下限時，適當(dāng)控制電機發(fā)電給動力電池充電，當(dāng)需求扭矩高于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)上限時，通過電機助力，保證發(fā)動機仍在經(jīng)濟區(qū)工作。

3 扭矩分配原則

并聯(lián)混動系統(tǒng)扭矩分配的原則通常有兩種：一種是基于規(guī)則的扭矩分配，一種基于優(yōu)化的扭矩分配策略?；谝?guī)則的扭矩分配包含確定性規(guī)則和以SOC高效區(qū)間為基準(zhǔn)的動態(tài)變化規(guī)則。如圖3所示。這些規(guī)則基于發(fā)動機與電機外特性曲線，根據(jù)實際工程經(jīng)驗或離線優(yōu)化標(biāo)定策略制定。基于優(yōu)化的控制策略可以分為全局優(yōu)化和實時優(yōu)化。常用的全局優(yōu)化算法包括動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、粒子群算法、變分法和智能型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。雖然全局優(yōu)化算法可以得到理論上的全局最優(yōu)解，但是計算量太大，未能實時應(yīng)用。實時優(yōu)化控制，其最具代表性的優(yōu)化方法是等效油耗最小值原理分配方法，它比全局優(yōu)化的計算量小、實時性強。

圖3 基于規(guī)則扭矩分配原理圖

無論哪種分配原則都是盡可能保證發(fā)動機和電機都在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)工作，同時又要控制SOC在一定范圍之內(nèi)，實驗數(shù)據(jù)表明，將SOC控制在50%左右，電池充放電時內(nèi)阻值最小，工作效率最高。

3.1 基于規(guī)則的扭矩分配原理

基于規(guī)則的扭矩分配原理主要是盡可能保證發(fā)動機工作在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)。發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)通過萬有特性曲線獲取。

整車需求扭矩即駕駛員踏板需求扭矩作用在車輪上的扭矩計算如下：

式中：Tw——車輪需求扭矩；Te——發(fā)動機扭矩；Tm——電機扭矩；Tb——制動扭矩；η——傳遞效率；it——變速器傳動比；if——減速器傳動比。

基于規(guī)則的扭矩分配原則為根據(jù)當(dāng)前SOC值和需求扭矩是否在發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域上下限值內(nèi)進行分配。

1） 當(dāng)?shù)退贂r，SOC較高且需求扭矩小于電機最大扭矩值，則扭矩完全分配給電機。

2） 當(dāng)SOC較低，且需求扭矩大于電機最大扭矩值時，則扭矩完全分配給發(fā)動機。

3） 當(dāng)SOC較低，且需求扭矩小于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域下限值時，則需要給電機進行充電，將發(fā)動機扭矩提高到經(jīng)濟區(qū)域下限值。

4） 當(dāng)SOC較高，且需求扭矩大于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域上限值時，則需要電機助力，將發(fā)動機扭矩降低到經(jīng)濟區(qū)域上限值。

3.2 等效油耗最小值分配原理

最小值分配原理也叫等效燃油消耗方法，即將要消耗的電量等效于燃油消耗量，通過等效因子來獲取優(yōu)化控制。

式中：Pf（t）——發(fā)動機消耗燃油對應(yīng)的功率；Pbp（t）——電機消耗功率所對應(yīng)的的電池功率；λ（t）——等價因子，反映的是對當(dāng)前電量需求的大小，如果λ（t）越大，表示系統(tǒng)對電量的使用需求越大，如果λ（t）越小，表示系統(tǒng)更傾向于燃油的消耗，所以在車輛運行中，λ（t）的取值決定扭矩分配的關(guān)鍵因素。

式 （3） 中，當(dāng)λ取定值時J*可以得到最小值，可以通過SOC查表來選擇對應(yīng)的λ值，當(dāng)SOC＞標(biāo)定值時，則選擇較小的λ值，當(dāng)SOC較小時，則選擇較大的λ值，這樣車輛在一個駕駛循環(huán)內(nèi)既可以保證發(fā)動機和電機在經(jīng)濟區(qū)域工作，也可以讓SOC值維持在一定的范圍之內(nèi)。

4 總結(jié)

本論文介紹了混動系統(tǒng)的種類劃分和能量管理策略，重點介紹了主流的兩種扭矩分配的方法和原則?；谝?guī)則的扭矩分配主要是對發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域進行優(yōu)化，等效油耗最小值原理通過計算燃油轉(zhuǎn)化為電量的最小等效因子。兩種方法均可應(yīng)用在實際中，相信隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，混動系統(tǒng)會出現(xiàn)更可靠、更易實現(xiàn)、更經(jīng)濟的能量管理方案。