3种类型混合动力汽车控制策略的分析

第6卷增刊2008年12月福建工程学院学报JournalofFujianUniversityofTechnologyVol.6Suppl.Dec.2008

文章编号:1672-4348(2008)S0-0096-06

3种类型混合动力汽车控制策略的分析

余捷1,黄键2(1.福州大学机械工程及自动化学院,福建　福州　350002;2.福建工程学院机电及自动化工程系,福建　福州　350014)摘要:简述了混合动力汽车几种典型的布置结构,并对各种布置型式的控制系统的控制策略作了相关介绍和优缺点分析。在此基础上,探讨了混合动力汽车还需要解决的问题和应用前景。关键词:混合动力汽车;控制策略;分析中图分类号:U469.72文献标识码:A

Analysisofstrategiesforcontrollinghybridelectricvehicles(HEV)YuJie1,HuangJian2(1.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;

2.ElectromechanicalandAutomationEngineeringDepartment,FujianUniversityofTechnology,Fuzhou350014,China)

Abstract:Thestructureandinstallationofthreebasictypesofhybridelectricvehicle(HEV)wereelaborated.TheproblemstobesolvedforHEVandtheapplicationprospectsofHEVwereexplored.Keywords:hybridelectricvehicle(HEV);controlstrategy;analysis

0　引言20世纪90年代以来,在能源和环境的双重压力下,电动汽车迎来了发展的良机。由于电池技术尚未突破技术难关,纯电动驱动有车速低、续驶里程短和价格较高等缺点,限制了纯电动汽车的发展。此时,“准绿色”的新型产品———混合动力型汽车(HEV)成为最佳选择。目前,混合动力汽车在发达国家已经日益成熟,有些国家已进入实用阶段。日本丰田公司的“COASTER”“PRIUS”、美国通用公司的“EV21”、法国雷诺公司的“KANGOO”和意大利的“IVE2CO”等混合动力汽车均已上市。与传统型汽车相比,HEV在节能和排放上胜出一筹。虽然HEV的价格比传统汽车高出20%左右,但随着各国环境立法的日趋严厉,混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低,混合动力汽车的市场份额将逐渐增大。先进的驱动技术是混合动力汽车取得成功并实现其优越性的关键。混合动力汽车是将电池与辅助动力单元(auxiliarypowerunit简称APU)合用到一辆汽车上。目前,混合动力汽车的布置型式主要有串联式、并联式和混联式等。

1　串联式混合汽车1.1　定义串联式系统由发动机、发电机、储能装置、电机控制器和车辆传动系组成,其基本结构如图1

所示。由图1可知,串联式系统的基本结构是由发动机到发电机,然后由发电机把电能传递给电机控制器,或是储能装备(动力电池组或超级电容组),电机控制器再把电能传递给驱动电机,再由驱动电机机械连接传动系进行工作。

收稿日期:2008-05-15

基金项目:福建省科技平台建设项目(2007H2009)第一作者简介:余捷(1984-),男(汉),福建福州人,硕士研究生,研究方向为汽车电子技术.增刊余捷,等:3种类型混合动力汽车控制策略的分析图1　串联式系统的基本结构Fig.1　BasicstructureoftheserialHEVsystem

该系统包括以下特点:(1)驱动电机是整车唯一驱动动力源;(2)不需变速机构,可实现无极变速;(3)不需要离合器;(4)发动机与整车传动系完全机械解耦;(5)发动机工作点集中在最佳油耗区;(6)可取消发动机怠速工况。1.2　电能分配机构形式串联混合动力汽车电能分配机构有3种形式,如图2所示。不同的结构采用不同的控制策略。图2(a)的结构采用恒温器式控制策略,发电机工作在最佳效率工况点,只为电池充电;图2

(b)的结构采用功率跟随型控制策略,电池只在

纯电动模式和制动回馈时起作用,平时均由发电机输出电流供电动机使用;图2(c)的结构,发电机输出电流可以同时流向电池和电动机,此时电池能够起到能量缓冲器的作用,弥补发电机与电动机之间的功率差异,使控制策略的实现更加灵活。在获得更高系统效率的同时也能维持发动机始终工作在经济且排放较低的区域,当电动机制动回馈时,给电池充电可实现能量的回收。如要采用“功率跟随+恒温器控制策略”则要求使用该种结构。1.3　控制策略主控制器是连接驾驶员和动力系统之间的桥梁,其控制策略的选择将影响整个动力系统的能量转换效率以及动力电池的使用寿命。目前较常见的2种控制策略是“恒温器”控制模式和“功率跟随”控制模式。1.3.1　恒温器控制策略恒温器控制策略允许发动机在电池的荷电状态(SOC)高于SOCmax之前按设定的高效区域恒功率运转,此时发动机关闭,汽车为零排放、纯电动行驶;当SOC降到低于SOCmin值时,发动机再次启动并输出恒功率,这与温室的温度控制相似。

图2　采用不同控制策略时的能量流动形式Fig.2　Energyflowingmodefordifferentcontrolstrate2gies

这种模式下的电能流动形式如图2(a)所示,驱动电机所需的能量只能从动力电池获得,这样动力电池就必须满足所有瞬时功率的需要,其放电电流的波动会很大,经常出现大电流放电的情况,对电池放电效率和使用寿命均有不利影响;其次,虽然APU可以在最优效率点工作,由于多了能量转换的环节,电池充放电的效率损失也许会大于APU优化后的收益。该策略对APU有利而对动力电池不利。1.3.2　功率跟随型控制策略功率跟随型控制策略要求发动机的输出功率跟踪路面的负载要求,这样发动机总保持运转,仅当纯电动模式运行时才停机,由电池提供电能,这种模式下的电能流动形式如图2(b)所示。使用这种策略,减少了动力电池充放电循环,与充放电有关的功率损失也就相应减少。然而,由于必须满足续驶里程内的所有功率要求且要做出快速响应,所以导致发动机频繁起停,影响了发动机的效率和排放特性。这种控制策略对动力电池有利而对APU不利。1.3.3　“功率跟随+恒温器”控制策略此外,可采用“功率跟随+恒温器”的综合控制方式。发动机在SOC较低或负载功率较大时均会起动,当负载功率较小且SOC高于预设的上限值SOCmax时,发动机被关闭,在发动机关和开之间设定了一定范围的状态保持区域,这样可以避免发动机的频繁起停。发动机一旦起动便在相对经济的区域内对电动机的负载功率进行跟踪,当负载功率大于或小于发动机经济区域所能输出的功率时,电池组可以通过充放电对该功率差进行

79福建工程学院学报第6卷缓冲和补偿,图2(c)所示的能源分配机构保证了这种控制策略的顺利实现。经过仿真试验对比得出:不同的串联混合动力的控制策略对燃油经济性的影响有差别,功率跟随型比恒温器模式控制策略在改善燃油经济性方面要提高8.3%;①而采用“功率跟随+恒温器”的综合控制方式这种的控制策略下,可以减少电能的循环损耗,避免电池大电流放电和发动机的频繁起动,降低了油耗,提高了排放性能。这种将恒温器和功率跟随两种控制策略结合起来使用,既减少了蓄电池的过度循环和大电流充放电,

又避免了发动机的频繁起停,使其达到整体效率最高。同时,电动机具有调速范围宽、起动力矩大、过载能力强等优点,但整车动力性稍显不足[1]。

2　并联式混合汽车2.1　定义在效率上,并联式结构通常较串联式更优越。因此,虽然控制上较串联式复杂,一些混合汽车还是选择并联式。而并联式结构也有多种型式,主要有单轴式和双轴式2种。以双能源(发动机和电机)并联式混合动力汽车为研究对象,其驱动结构如图3,在车上的布置形式如图4所示。

图3　并联驱动结构控制策略Fig.3　StructureofparallelHEVsystem

2.2　控制策略混合动力汽车的控制策略最常用的有逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络模糊控制4种[2]。动态自适应控制的出发点是在任一时刻,使能量流动过程中的能量损失最小。但是实时控制策略过分依赖于各个部件的性

图4　混合动力汽车布置形式Fig.4　InstallingtypeofHEV

能特性的精确性,受电池老化、发动机动态特性等的影响,在实际应用中很难达到这一目标。实时控制策略可以用于评价其它的控制策略的潜力。模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。神经网络模糊控制器是由神经网络和模糊控制共同组成的混合系统,通过神经网络实现的模糊控制,将神经网络与模糊控制相结合,利用人工神经网络的自学习能力对模糊控制规则进行记忆,通过训练来学习给定的经验并将控制规则隐含在整个网络之中而最简单、最实用的控制策略是逻辑门限值控制,国外的样车和产品车型大都采用这种控制方法。采用其他3种复杂的控制方法需要采集和运算的数据量非常大,且效果改善不是很大[2]。因此,下面简单介绍逻辑门控制策略。逻辑门限值控制策略是以整车油耗和排放最佳为控制目标,提出同时限制电池和发动机工作区间的控制策略,通过设定门限值,将发动机控制在高效率区运行,提供要求的转矩;电机作为载荷调节装置,当需要大力矩输出时电机参加驱动,当需要小力矩输出时电机吸收发动机转矩进行发电,

并将电池的荷电状态SOC维持在合理的范围内。其相应的基本策略是:当电池的SOC值在正常的工作范围时,汽车采用电机起步;当汽车车速低于所设定的车速时,由电机单独驱动车轮;当车速高于设定的车速时,电机停止驱动而由发动机驱动车轮;当负荷比较大时(如汽车急加速、爬大坡或以较高车速爬坡时),发动机和电机联合驱动车轮。

①　曾小华,王庆年,王伟华,等《串联混合动力控制策略分析及控制参数优化》,中国汽车工程学会2003学术年会,2003:21-27。

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