混合動(dòng)力汽車的控制策略研究

摘要：混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)是電池、電機(jī)及車輛的控制策略，它是混合動(dòng)力汽車整體性能的決定性因素。此外，HEV的控制策略有助于實(shí)現(xiàn)整車的最佳節(jié)油性，對(duì)于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排放、電池壽命、駕駛性能和其他組件的可靠性和成本等具有非常重要的影響。據(jù)此，從混合動(dòng)力汽車的控制工作入手，對(duì)混合動(dòng)力汽車的分類及特點(diǎn)進(jìn)行討論，同時(shí)介紹了相關(guān)的控制策略。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;控制;策略;研究

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2022-07-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.011

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)后，人類正面臨日益嚴(yán)重的能源短缺危機(jī)，為了緩解能源短缺危機(jī)，每個(gè)國(guó)家都結(jié)合自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力制定了能源節(jié)約戰(zhàn)略。隨著國(guó)民收入的大幅增加，人民群眾的經(jīng)濟(jì)水平得到了提升，我國(guó)的汽車銷量也迅速提高，并位居世界第一。由于汽車發(fā)動(dòng)常用的汽油、柴油等傳統(tǒng)燃料均屬于不可再生能源，如果長(zhǎng)時(shí)間使用汽車，會(huì)造成傳統(tǒng)燃料的儲(chǔ)量和可采量的日益枯竭。隨著國(guó)內(nèi)汽車保有量的逐年增加，還會(huì)導(dǎo)致城市地區(qū)交通擁堵問題的出現(xiàn)，并進(jìn)一步加劇能源危機(jī)，對(duì)于國(guó)家的能源供應(yīng)工作造成阻礙。例如，越來越多的城市PM2.5主要來自于汽車尾氣中微小顆粒物的排放，汽車尾氣現(xiàn)今已經(jīng)成為了影響城市空氣質(zhì)量和人們健康安全的主要危險(xiǎn)物。

我國(guó)正處于汽車尾氣排放向零排放發(fā)展的過渡時(shí)期，混合動(dòng)力汽車的研究得到了越來越多的關(guān)注。混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)是盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳工作狀態(tài)區(qū)域，以減輕汽車尾氣排放量及油耗量。因此，混合動(dòng)力汽車與其他類型汽車相比較，其具有排放量小、對(duì)于環(huán)境污染較低的良好優(yōu)勢(shì)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們的出行已經(jīng)離不開交通工具的使用，在此背景下，全球的能源消耗及使用量飛速提升，環(huán)境污染情況愈發(fā)嚴(yán)重，汽車是人們最常用、最方便的交通工具，其逐漸成為環(huán)境污染最為嚴(yán)重的交通工具，因此，越來越多的新能源汽車涌現(xiàn)，混合動(dòng)力汽車即是新能源汽車之中的一項(xiàng)。本文從混合動(dòng)力汽車的控制工作入手，探討混合動(dòng)力汽車的分類及特點(diǎn)，為后續(xù)混合動(dòng)力汽車控制策略研究奠定理論基礎(chǔ)。

2 混合動(dòng)力汽車的分類及特點(diǎn)

2.1 混合動(dòng)力汽車的基本概念

混合動(dòng)力汽車是由兩種或多種能源驅(qū)動(dòng)的汽車，可以有一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力汽車是指車輛以傳統(tǒng)燃料（指柴油、汽油等）和電力為動(dòng)力，這樣做的好處是，當(dāng)汽車電動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速才能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。常用的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及渦輪機(jī)等技術(shù)。例如使用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，如使用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)柴油電力列車，以及浮出水面時(shí)使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而在水下時(shí)使用電池的潛艇。其他儲(chǔ)存能量的方式包括液壓混合動(dòng)力中的加壓流體?；旌蟿?dòng)力汽車的基本原理表現(xiàn)為不同的動(dòng)力源的最佳工作轉(zhuǎn)速區(qū)間不同;電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)動(dòng)功率方面更有效率，而內(nèi)燃機(jī)在高速維持性能方面更好。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間從一個(gè)模式切換到另一個(gè)模式，能同時(shí)兼顧速度性能與能源效率，降低燃油消耗。

2.2 混合動(dòng)力汽車的分類

混合動(dòng)力汽車主要分為三種類型：

a.串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，又稱SHEV混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。SHEV混合動(dòng)力電動(dòng)汽車主要部件包括電池組、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等，各個(gè)部件之間通過相互聯(lián)系形成SHEV的動(dòng)力系統(tǒng)，配合發(fā)電機(jī)、電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及逆變器等組合而成的新能源汽車。它的工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，繼續(xù)在高效區(qū)工作，通過發(fā)電機(jī)為蓄電池發(fā)電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為車輛的動(dòng)力源，帶動(dòng)車輛行駛。串聯(lián)混合動(dòng)力汽車具有車輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)合理、廢氣排放少等優(yōu)點(diǎn)。

b.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，即PHEV混合動(dòng)力汽車。PHEV混合動(dòng)力汽車是在傳統(tǒng)汽車上配合先進(jìn)的汽車控制技術(shù)，將內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械連接與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連接。新能源汽車具有純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)。并聯(lián)混合動(dòng)力車有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)內(nèi)燃機(jī)和一個(gè)電動(dòng)機(jī)。它們可以單獨(dú)工作，也可以協(xié)同工作，共同推動(dòng)。因此，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車可用于更復(fù)雜的工況，應(yīng)用范圍更廣。與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相比，具有效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。

c.SPHEV型混合動(dòng)力汽車。SPHEV型混合動(dòng)力汽車是將前兩者進(jìn)行結(jié)合的混合動(dòng)力汽車類型。混聯(lián)混合系統(tǒng)包括串聯(lián)和并聯(lián)的特點(diǎn)。根據(jù)助力裝置的不同，分為發(fā)動(dòng)機(jī)型和電機(jī)型兩種動(dòng)力形式，共同進(jìn)行車輛驅(qū)動(dòng)工作?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有一個(gè)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，通過齒輪系或行星輪結(jié)構(gòu)相結(jié)合，綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)速度之間的關(guān)系。該類車通常使用傳統(tǒng)燃料，加上電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)以改善低速功率輸出和燃料消耗，兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，其無論是在汽車結(jié)構(gòu)還是控制方式上都是最優(yōu)的，排放及油耗都是最低的[3]。

3 混合動(dòng)力汽車的控制策略

控制策略是HEV通過合理分配能源及油耗，從而達(dá)到混合動(dòng)力汽車低排放、低油耗的目標(biāo)，對(duì)混合動(dòng)力汽車的油耗及排量進(jìn)行盡可能降低。通過最低的經(jīng)濟(jì)消耗保證混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力，每種操作模式下的能量流和扭矩分配使混合動(dòng)力汽車的能量消耗最小化。

在我國(guó)，由于混合動(dòng)力汽車控制策略研究起步較晚，混合動(dòng)力汽車控制策略研究還未成熟，大部分研究仍處于在理論研究階段，符合汽車橫向控制策略，混合動(dòng)力汽車的研究深度具有相當(dāng)大的差距。熟練地把握混合動(dòng)力汽車的核心關(guān)鍵技術(shù)，通過優(yōu)化混合動(dòng)力汽車的控制策略，有效地推動(dòng)我國(guó)混合動(dòng)力汽車研究工作的進(jìn)展，對(duì)混合動(dòng)力汽車的制造具有重要意義。對(duì)汽車的能耗進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)和分配，可實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車的最低油耗和排放。

3.1 以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略

以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略是最早也是最常用的混合動(dòng)力汽車控制策略，以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略將混合動(dòng)力汽車的速度作為控制的主要依據(jù)。當(dāng)混合動(dòng)力汽車的車速低于設(shè)定車速時(shí)，混合動(dòng)力汽車的車輪由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng);當(dāng)混合動(dòng)力汽車的車速高于設(shè)定車速時(shí)，電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，改由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪;當(dāng)輪載較大、車輛爬坡或高速爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同工作，以保證混合動(dòng)力汽車的安全行駛。

以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略利用混合動(dòng)力汽車電機(jī)的低速和高扭矩效應(yīng)來避免發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和低負(fù)載情況。在高車速幫助發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作的情況下，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以避免混合動(dòng)力汽車由于高速行駛而導(dǎo)致電池快速放電損耗情況的出現(xiàn)。以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略，能夠使混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)定速度始終保持在固定值左右。耗電的混合動(dòng)力車，設(shè)定速度越低，混合動(dòng)力車一次充電的續(xù)航里程就越長(zhǎng)。

還有一個(gè)功能是將混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的速度設(shè)置為電池組放電深度的函數(shù)[4];混合動(dòng)力汽車基于速度的控制策略，混合動(dòng)力汽車低速行駛時(shí)，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪。當(dāng)車速高于設(shè)定速度時(shí)，使用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定的節(jié)氣門開度保持運(yùn)轉(zhuǎn)，車輪所需的動(dòng)態(tài)動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供。

通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的設(shè)定速度并在行駛循環(huán)前后保持電池組的SOC不變，可以減少汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略有利于減少車輛的尾氣排放量，但電機(jī)和電池組的功率比較大，增加了車輛的重量和成本[5]。

3.2 以功率為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略

當(dāng)混合動(dòng)力汽車車輪的平均功率低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，混合動(dòng)力汽車由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng);當(dāng)混合動(dòng)力汽車車輪的平均功率高于設(shè)定值時(shí)，混合動(dòng)力汽車改由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)，混合動(dòng)力汽車的電機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳時(shí)間是在汽車變速箱換擋期間，此時(shí)啟動(dòng)最有助于保證混合動(dòng)力汽車的平穩(wěn)行駛。一旦汽車的平均車輪功率超過發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供的功率，汽車的電動(dòng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)以幫助發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的動(dòng)力。

在上述兩種控制策略中，存在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的混合情況，這種情況一般發(fā)生在車輪平均功率較高時(shí)（如急加速或高速爬坡）;電機(jī)功率已增至最大值，重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供補(bǔ)充動(dòng)力;控制發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在低油耗區(qū)大功率運(yùn)行，汽車此階段所需的所有補(bǔ)充動(dòng)力均由電動(dòng)機(jī)提供。上述混合動(dòng)力汽車的控制策略比較簡(jiǎn)單，但不能保證汽車各部件的最佳匹配，也不能獲得整車系統(tǒng)的最大效率[6-7]。

3.3 以混合度為目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車控制策略

混合動(dòng)力汽車的混合度控制策略，配備低功率電機(jī)和小容量電池組，以最大限度地降低混合動(dòng)力汽車電池組的成本和質(zhì)量。在混合動(dòng)力汽車的混合動(dòng)力控制策略中，混合動(dòng)力汽車的電動(dòng)機(jī)通常僅在車輛快速加速時(shí)啟動(dòng)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)為汽車車輪提供加速度所需的動(dòng)力?；旌蟿?dòng)力汽車的典型駕駛條件僅由小排量發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電池組的SOC下降到一定水平時(shí)，汽車就會(huì)自行進(jìn)行充電，進(jìn)一步提高了混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載率。當(dāng)混合動(dòng)力汽車在減速時(shí)，汽車的電池組吸收制動(dòng)能量并充電。

以混合度為目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車控制策略的缺點(diǎn)在于HEV發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎一直在運(yùn)行，它避免了發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)控制導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降的問題，但并沒有消除發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)排放的問題[8]。當(dāng)混合動(dòng)力汽車就地啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)，當(dāng)車速增加到一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始提供所需的動(dòng)力和輔助加速。當(dāng)混合動(dòng)力汽車快速啟動(dòng)或急劇加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來為車輪提供驅(qū)動(dòng)力。此時(shí)運(yùn)用以混合度為目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車控制策略，將會(huì)極大地減少混合動(dòng)力汽車的尾氣排放量。但是為了滿足未來更加嚴(yán)格的HEV排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步降低HEV的發(fā)動(dòng)機(jī)排量，從而進(jìn)一步提高HEV的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放。

3.4 以效率為目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車控制策略

考慮效率的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略，應(yīng)結(jié)合混合動(dòng)力汽車的油耗或綜合效率，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)此規(guī)則合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩要求，以達(dá)到優(yōu)化工況的目的，混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，以效率為目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車控制策略具體可以描述HEV發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)效率和工作狀態(tài)、排放裝置的工作狀態(tài)、電機(jī)和電池的動(dòng)態(tài)特性都包含在HEV優(yōu)化范圍內(nèi)。

混合動(dòng)力汽車以效率為目標(biāo)的控制策略是根據(jù)行駛工況動(dòng)態(tài)調(diào)整其工作模式。電池的溫度、電池的使用年限、制動(dòng)能量回收的比例都是需要考慮的因素;HEV控制系統(tǒng)由用戶定義，具有燃油經(jīng)濟(jì)性和效率目標(biāo);對(duì)每個(gè)工作點(diǎn)，以效率為目標(biāo)的HEV控制策略結(jié)合電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來定義最佳工作點(diǎn);整體性能由每個(gè)操作點(diǎn)決定，最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和排放逐漸疊加。

4 結(jié)語(yǔ)

HEV工況的控制策略要兼具燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)排放、汽車壽命、駕駛性能和零部件的可靠性。通過構(gòu)建以車速為主要參數(shù)的混合動(dòng)力汽車控制策略，混合動(dòng)力汽車可以幫助減少車輛的尾氣及油耗排放，但由于混合動(dòng)力汽車的電機(jī)和電池組的功率較大，增加了混合動(dòng)力汽車的重量和成本。如果使用較為單一的混合動(dòng)力汽車的控制策略，會(huì)導(dǎo)致混合動(dòng)力汽車控制策略不能保證各個(gè)汽車部件的最佳匹配，也不能得到整車系統(tǒng)的最大效率。動(dòng)力汽車的排放，仍需要進(jìn)一步降低HEV的發(fā)動(dòng)機(jī)排量，從而進(jìn)一步提高HEV的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放。

通過構(gòu)建以效率為目標(biāo)的混合動(dòng)力汽車控制策略，有助于達(dá)到優(yōu)化工況的目的。由于我國(guó)對(duì)混合動(dòng)力汽車的控制策略的研究尚不十分成熟，相關(guān)部門需要加強(qiáng)其研究，以尋求更加經(jīng)濟(jì)、可行的混合動(dòng)力汽車控制策略。

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作者簡(jiǎn)介：

楊大舉，男，1971年生，講師，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)與維修、新能源汽車運(yùn)用與維修。