混合動(dòng)力基礎(chǔ)及并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 混合動(dòng)力基礎(chǔ)及并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略 1 混合動(dòng)力技術(shù)的分類及原理 電動(dòng)汽車（EV）[1]是21世紀(jì)清潔、高效和可持續(xù)得交通工具，是一種電力驅(qū)動(dòng)的道路交通工具。電動(dòng)汽車這個(gè)概念的內(nèi)涵很廣泛，它包括蓄電池電動(dòng)汽車或純電動(dòng)汽車（BEV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV），涉及到很多學(xué)科，內(nèi)容廣泛而且復(fù)雜，其核心技術(shù)包括底盤和車身技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和能源技術(shù)。 目前，蓄電池電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車處于不同的發(fā)展階段，面臨著不同的挑戰(zhàn)。蓄電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵問題在于蓄電池及其管理系統(tǒng)，主要適用于短程、低速的社

2、區(qū)間，難以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。燃料電池電動(dòng)汽車具有作為未來主流汽車的潛力，但其技術(shù)尚處于研發(fā)階段，它的成本太高和燃料系統(tǒng)的供應(yīng)是主要問題。因此，從1996年以后，國(guó)外很多公司開始研究混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也紛紛涉足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研發(fā)?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車能量效率高，排放性能好，技術(shù)相對(duì)成熟，市場(chǎng)化進(jìn)程快，與燃料電池電動(dòng)汽車相比，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的障礙小，成本低。 當(dāng)人們把解決汽車能源與環(huán)境問題的希望寄托在混合動(dòng)力上后，各種混合動(dòng)力汽車如雨后春筍般紛紛面世[2]。1997 年，在第57 屆法蘭克福國(guó)際車展上，奧迪首先展出一款并聯(lián)混合動(dòng)力汽車Duo；同年，在第32 屆東京國(guó)際車展上，豐田公司推

3、出具有里程碑意義的Prius車型。奧迪與豐田的這一舉動(dòng)引發(fā)了混合動(dòng)力汽車的研發(fā)熱潮；1998 年1 月，克萊斯勒公司宣布開發(fā)出Doudge Intrepid　ESX2并聯(lián)混合動(dòng)力車；1999年，福特公司P2000 型5 座并聯(lián)混合動(dòng)力車在北京展出；1999 年11 月，在第33屆東京國(guó)際車展上，除了豐田公司以外，本田、三菱和日產(chǎn)等公司也分別推出各自產(chǎn)品，并在性能方面有了很大的改善；而2000 年1 月的北美國(guó)際車展更是讓人耳目一新，通用、寶馬、戴-克和豐田等公司所展出的混合動(dòng)力汽車新產(chǎn)品總計(jì)有23款，其中，13款由內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，10 款為燃料電池混合動(dòng)力汽車。預(yù)計(jì)在今后的十幾年里，混合

4、動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展將更為迅速。 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車按結(jié)構(gòu)一般分類為3種：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式. 1.1 串聯(lián) 圖一 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特征是以電力形式進(jìn)行復(fù)合，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)儲(chǔ)能裝置和牽引電機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)用來驅(qū)動(dòng)車輪，儲(chǔ)能裝置起著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出和電動(dòng)機(jī)需求之間的調(diào)節(jié)作用。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行獨(dú)立于車速和道路條件，適用于車輛頻繁起步、加速和低速運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了怠速和低速工況，從而提高了效率，提高了排放性能。但在機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化過程中有效率損失，很難達(dá)到明顯降低油耗的目的，目前主要用于城市大客車，在轎車中很少見。 1.2 并聯(lián) 并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特征是以機(jī)械形式進(jìn)行復(fù)合，發(fā)

5、動(dòng)機(jī)通過變速并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)裝置和驅(qū)動(dòng)橋直接相連，電機(jī)可同時(shí)用作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受的載荷，使其能在高效率區(qū)域工作。但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械連接，在城市工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)并不能運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)時(shí)要差。 其中轉(zhuǎn)速復(fù)合裝置類似于差速器，這種結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際中很難被采用，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)需要發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)刻保持相等；單軸轉(zhuǎn)矩復(fù)合式車輛驅(qū)動(dòng)系中機(jī)械功率的聯(lián)合是在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端處實(shí)現(xiàn)的，變速器為單軸輸入，本田Insight屬于這種形式；雙軸轉(zhuǎn)矩復(fù)合式的機(jī)械功率的聯(lián)合是在變速器的輸出軸處實(shí)現(xiàn)的，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)采用不同的變速系統(tǒng)，變速器為雙端輸入；華沙工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)

6、的混合動(dòng)力系統(tǒng)屬于這種形，這種結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，但是不能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的直接疊加。 在牽引力復(fù)合式系統(tǒng)中，機(jī)械功率的聯(lián)合是在驅(qū)動(dòng)輪處通過路面實(shí)現(xiàn)的，具有兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系，可以實(shí)現(xiàn)全輪驅(qū)動(dòng)，主要適用于SUV，豐田的THS—C系統(tǒng)就屬于這種形式。 1.3 混聯(lián) 混聯(lián)式結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以豐田Prius為例，如圖3所示，Prius采用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力分配裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分功率通過發(fā)電及轉(zhuǎn)換為電能對(duì)電機(jī)供電或?qū)?chǔ)能裝置進(jìn)行充電；另一部分機(jī)械能直接作用于齒圈上，同時(shí)電機(jī)與齒圈相連，提供部分功率和轉(zhuǎn)矩。 2 混合動(dòng)力技

7、術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ) 汽車混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展與機(jī)械、電氣、內(nèi)燃機(jī)、能源技術(shù)息息相關(guān)，隨著這些方面技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展也隨之廣泛。主要包括： 1）最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，體積小重量輕以及油耗低排放性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)都引領(lǐng)著汽車業(yè)的發(fā)展，而目前Prius發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了目前先進(jìn)的水平。 2）先進(jìn)的電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，電機(jī)技術(shù)則決定著電動(dòng)汽車的發(fā)展空間，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的要求也越來越高，電動(dòng)機(jī)要具有較大的負(fù)載特性以及很寬的高效率工作區(qū)間。 3）高性能的動(dòng)力電池，動(dòng)力電池在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上應(yīng)用, 主要起到以下作用: a)起動(dòng)、加速時(shí)作為動(dòng)力； b)車輛減速、下坡行駛時(shí)回收車輛動(dòng)能。因此要求動(dòng)力

8、電池具有： ① 高輸出能力和高回收能量的接受能力；②體積小、重量輕；③SOC 控制技術(shù)；④高可靠性和安全性；⑤長(zhǎng)的使用壽命。 以上的技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)著混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，而混合動(dòng)力的發(fā)展又提高了這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展空間。 3 并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略 如何優(yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車低油耗、低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在滿足汽車動(dòng)力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下，針對(duì)各部件的特性及汽車的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)之間的合理而有效的分配，使整車系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能[3]。 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車是一個(gè)集機(jī)械、電器、

9、化學(xué)和熱力學(xué)系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的高度非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如何有效地協(xié)調(diào)好各子系統(tǒng)，控制各子系統(tǒng)間的能量流動(dòng)，并針對(duì)不同的行駛工況和駕駛風(fēng)格，在不降低整車性能的情況下，實(shí)現(xiàn)整車的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和排放并兼顧整車的成本是并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略的設(shè)計(jì)方向。 早期的控制策略由于技術(shù)的限制大多是基于速度的控制[4]。在這種控制策略中，將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的設(shè)定車速設(shè)計(jì)為一個(gè)定值，依據(jù)瞬時(shí)工況車速判定整車的工作模式：當(dāng)車速低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。由電機(jī)單獨(dú)工作;當(dāng)車速高于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作；當(dāng)車輪負(fù)荷比較大時(shí)(如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡)，則由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車輪?；谒俣鹊目刂撇呗?，由于其簡(jiǎn)單

10、，易于被控制工程師理解，技術(shù)門檻較低，因而在混合動(dòng)力汽車開發(fā)初期得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。但同時(shí)也有其明顯的缺點(diǎn)：控制參數(shù)單一，動(dòng)態(tài)特性差，沒有充分利用混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通常整車的燃油經(jīng)濟(jì)性不是最優(yōu)，而且還沒有考慮排放,特別是有時(shí)車速即便很高，但對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求可能很低，比如在高速滑行或勻速行駛時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷較低,效率不高。 基于以上原因，現(xiàn)在的控制策略基本上屬于基于轉(zhuǎn)矩或功率的控制。目前已經(jīng)提出的控制策略主要可以分為4類：基于規(guī)則的邏輯門限控制策略；瞬時(shí)優(yōu)化控制策略；智能控制策略；全局最優(yōu)控制策略。 3.1基于規(guī)則的邏輯門限控制策略[5-8] 這類控制策略的主要思想是：根據(jù)

11、發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)效率曲線圖，通過控制選定的幾個(gè)變量，如整車功率需求、加速信號(hào)、電池SOC等等，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷并選擇混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，使車輛運(yùn)行在高效區(qū)，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。其中包括：電力輔助控制策略；恒溫器控制策略；最大電池SOC控制策略等。電力輔助控制策略的思想是當(dāng)車速低于某一最小車速時(shí)，由電機(jī)提供全部驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)行駛需要扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí)，由電機(jī)提供扭矩助力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下，如果按需求扭矩工作發(fā)動(dòng)機(jī)效率不高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)提供需求扭矩。當(dāng)電池SOC過低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外扭矩帶動(dòng)電機(jī)工作對(duì)電池充電。恒溫器控制策略最早應(yīng)用于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽

12、車，當(dāng)汽車高速運(yùn)行于公路上，不需要頻繁加減速時(shí)，大大減少了使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概率，且此時(shí)車輛功率需求常常低于發(fā)動(dòng)機(jī)滿載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)還有一部分的富余功率，致使電池SOC很容易達(dá)到上限。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)低效工作，此時(shí)應(yīng)關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車；當(dāng)電池SOC達(dá)到設(shè)定的下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，富余的功率則用來給電池充電。最大電池SOC控制策略的目標(biāo)是電池SOC盡量維持在最高允許值處，發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能運(yùn)行，盡可能少地使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這是由于車輛在城市工況下頻繁地加速，將會(huì)導(dǎo)致電池快速放電，使電池SOC下降很快，對(duì)電池的壽命影響很大。 3.2瞬時(shí)優(yōu)化控制策略[9-10] 規(guī)則的邏輯門

13、限控制策略是基于工程師的經(jīng)驗(yàn)及靜態(tài)的能耗圖來制定的，由于它不考慮工況的動(dòng)態(tài)變化，因此它不是最優(yōu)的。為了克服這些缺點(diǎn)，人們又提出了一種新的控制策略—瞬時(shí)優(yōu)化控制策略，也叫實(shí)時(shí)控制策略。目前提出來的瞬時(shí)控制策略主要有“等效燃油消耗最少”和“功率損失最小”兩種。雖然這兩種方法的出發(fā)點(diǎn)不同，但其原理是一樣的。 等效燃油消耗最小控制策略的主要思想是：在某一瞬時(shí)工況,將電機(jī)消耗的電量折算成發(fā)動(dòng)機(jī)提供相等能量所消耗的燃油和產(chǎn)生的排放，再加上制動(dòng)回收的能量與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的燃油消耗和排放組成總的整車燃油消耗與排放模型，計(jì)算此模型的最小值，并選在此工況下最小值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。 瞬時(shí)優(yōu)化控制策略

14、可以綜合考慮燃油消耗和排放，它通過一組權(quán)值來描述各自的重要性，用戶可以根據(jù)自己的要求來設(shè)定這組權(quán)值，從而在燃油消耗和排放之間獲得折中。比如,在排放法規(guī)比較嚴(yán)格的地區(qū)，可以適當(dāng)?shù)靥岣吲欧诺臋?quán)值比重，放棄一點(diǎn)燃油經(jīng)濟(jì)性；注重燃油消耗，但排放法規(guī)比較寬松的地區(qū)，則可以適當(dāng)提高燃油消耗的權(quán)值比重。 當(dāng)然，這種控制策略也有它的缺點(diǎn)：需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)起來困難，成本比較高。此外，在計(jì)算過程中，需要對(duì)未來的行駛工況中由制動(dòng)產(chǎn)生的回收能量進(jìn)行預(yù)估，這就需要建立一個(gè)比較精確的預(yù)測(cè)模型，這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來也比較困難，它需要兩個(gè)前提：一是對(duì)典型工況的統(tǒng)計(jì)分析，二是實(shí)時(shí)判斷行車工況。 3.3智能控制策

15、略[9,10] 智能控制的基本出發(fā)點(diǎn)是模仿人的智能，根據(jù)復(fù)雜被控動(dòng)態(tài)過程的定性信息和定量信息，進(jìn)行定性定量綜合集成推理決策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)難以建模的復(fù)雜非線性不確定系統(tǒng)的有效控制。由于混合動(dòng)力汽車的能量消耗模型正是這么一個(gè)系統(tǒng)，因此它非常適合于智能控制。目前提出的基于智能控制的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略主要有3種：模糊邏輯控制策略、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略、遺傳算法控制策略。 模糊邏輯控制策略不需要精確的整車能量消耗的數(shù)學(xué)模型。它可以很方便的處理諸如“如果車速較高且SOC較低而加速踏板踩下較小的角度，則發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并給電池充電”這樣無法用精確參數(shù)表達(dá)的控制規(guī)則。它不僅可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還可以優(yōu)化其他

16、組件，如電機(jī)、電池、變速器等，實(shí)現(xiàn)各組件間的折中，以達(dá)到整車的燃油消耗和排放的最優(yōu)。模糊邏輯控制策略也有其局限性:在模糊推理過程中會(huì)增加模糊性；在整個(gè)控制過程中，各變量的論域等級(jí)是固定的，控制規(guī)律也是固定的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性較差，無法滿足不同駕駛員意圖和不同的路面環(huán)境下汽車的自動(dòng)控制；對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的模糊規(guī)則的建立還沒有確定的方法可以遵循，隸屬度函數(shù)的確立也需要反復(fù)進(jìn)行確定；缺乏簡(jiǎn)單有效的方法對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性的研究。 3.4全局最優(yōu)控制策略[11,12] 瞬時(shí)優(yōu)化控制策略在每一步長(zhǎng)內(nèi)可能是最優(yōu)的，但無法保證在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)是最優(yōu)的。于是又提出了一種在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)尋優(yōu)的全局最優(yōu)控制策略

17、。全局最優(yōu)控制策略是應(yīng)用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論開發(fā)出來的混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配控制策略。其主要思想是基于某種優(yōu)化理論，建立以整車燃油經(jīng)濟(jì)性與排放為目標(biāo)，系統(tǒng)狀態(tài)變量為約束的全局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用相關(guān)的優(yōu)化算法，求得最優(yōu)的混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配控制策略。目前研究較多的有基于多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃、Bellman動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論以及最小值原理的全局最優(yōu)控制策略。這些控制策略還不成熟,需要大量計(jì)算，且依賴于預(yù)定的運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)性較差，主要用于：在標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)下，參考全局最優(yōu)控制策略，對(duì)實(shí)時(shí)控制策略進(jìn)行分析與評(píng)估，并從中派生出適用的實(shí)時(shí)控制策略。 目前提出的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略還不成熟，實(shí)用性不強(qiáng)，只有基于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)

18、行設(shè)計(jì)的邏輯門限控制策略在實(shí)際商品化混合動(dòng)力汽車中得到了應(yīng)用。開發(fā)一種成熟實(shí)用的控制策略仍然是目前亟待解決的難題。 相比較而言,模糊邏輯控制策略魯棒性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，而且能夠克服許多其它控制策略的不足之處，如果能夠與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將極具推廣應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： [1]劉金玲,宋健等.并聯(lián)混合動(dòng)力客車控制策略比較.公路交通科技.2005(1):144-146. [2]呂勝利,左曙光.并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的綜合分析.上海汽車.2005(7):28-30. [3]孟亞鵬,金國(guó)棟,朱舟.并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)矩控制策略.汽車科技.2004(6):24-26.

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