混合动力汽车结构分析及控制策略研究

摘 要：本文对目前常用的串联式、并联式以及混联式混合动力汽车的结构进行描述与分析，比较其优缺点。根据控制策略研究的性质分为被动型控制策略和主动型策略来比较分析，为进一步实现对混合动力汽车控制策略的优化奠定基础。为混合动力汽车的研究发展提供依据。

关键词：混合动力汽车；控制策略

前言

为了解决汽车所带来的CO2排放问题以及油价攀升问题，全球汽车公司纷纷转向混合动力和电动系列汽车的研究和开发。与传统能源动力汽车相比，混合动力汽车在环保和节能等方面表现出明显的优势；与电动汽车相比，混合动力汽车的生产成本较低。因此，混合动力汽车异军突起，成为新一代汽车的研究开发的热点。

1 混合动力汽车结构及其特点

近些年来，由于蓄电池技术的发展，由发电机和电动机组成的混合动力系统已经发展出串联式、并联式和混联式这三种组成方式。它们因为有着不同的组合形式而各自有各自的优缺点，串联和并联是以前就有的传统的HEV动力系统组成方式，而混联式是后来发展起来的，它的特点是有更多的工作模式可供选择，既具有串联式混合动力电动汽车的特征，又具有并联式混合动力电动汽车的特征。

1.1串联式混合动力汽车（SHEV）

串联式混合动力电动汽车的驱动系统是由发动机、发电机和驱动电动机依次串联组成的。SHEV通过发动机起动，然后发电机组将机械能转化为电能，用来驱动电动机或者给电池组充电，这样可以延长串联式混合动力动汽车的行驶里程。串联式混合动力汽车发动机的转速控制在一定的范围之内，运行工况对它没有任何影响，所以SHEV能够保证它的运转状态在任何时候都是高效率的，同时能量消耗和排放也非常低。串联式混合动力汽车主要有一种电动机驱动模式，所以它的控制系统和驱动系统都非常简单，三大动力总能够很自由地在底盘上布置，它的动力特性与纯电动汽车的更接近。SHEV三大动力总功率要求与它的最大驱动功率相近。

串联式结构适用于频繁起步和低速行驶工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来调整车速的目的。使发动机避免怠速和低速运转的工况，从而提高发动机的效率，减少废气排放。缺点是能量几经转换，机械效率较低。故主要应用于大型客车。

1.2并联式混合动力汽车（PHEV）

并联式混合动力汽车是由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成，PHEV的驱动系统由它们并联组成。此时电动汽车可由发动机或电动机单独驱动，也可以由它们共同驱动。所以，可以降低对电机、发动机功率的要求，而且电池的容量也可以适当的减小一点，从而降低制造汽车的成本。在PHEV中，没有像串联式混合动力汽车那样在能量转化中的损失，而是采用高效率的机械传动系统，由发动机直接带动PHEV的驱动系统驱动PHEV行驶，发动机始终稳定地运转在低油耗、高效率和低排放的转速范围内。并联式混合动力汽车的驱动装置是发动机和电动机，由于PHEV的结构特点，它有三种驱动模式，分别是由发动机单独驱动、由电动机单独驱动和发动机与电动机联合驱动。但是一般情况下，PHEV主要由发动机单独驱动，在这种驱动模式下它的动力特性跟内燃机汽车更接近。由于两大动力总成是并联的，功率可以叠加起来，发动机和电动机也不需要像串联式那样采用大功率的，只要是并联式混合动力电动汽车最大驱动功率的1/2到1之间。

并联式结构最适合在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统受汽车行驶工况点影响，因此不适合汽车行驶工况较多，较大；相比于串联结构式，需要变速装置和动力复合装置，传动结构复杂。由于它的尺寸比较小，主要在中小型汽车上应用。

1.3混联式混合动力汽车（PSHEV）

PSHEV既具有串联式混合动力汽车的结构形式与功能特性，又具有并联式混合动力汽车的结构形式与功能特性，混联式混合电动车的动力总成系统包括发动机、电动/发电机以及驱动电动机 。PSHEV的动力驱动系统在车辆的行驶速度比较低时运行状态与SHEV相似；PSHEV的动力驱动系统在车辆的行驶速度比较高时运行状态则与PHEV相似。当混联式混合动力汽车起动时，发动机发动产生驱动转矩，其中有一些由传动装置传送给汽车车轮，而剩下的就用来给发电机发电，这些电能用来驱动电动机产生驱动转矩用来驱动车轮或者给蓄电池充电。

混联式混合动力汽车的驱动系统具有SHEV和PHEV的驱动系统的优点，所以它能够在不同的路况下选择不同的工作模式，实现低油耗和低排放的控制目的。混联式混合动力电动汽车的结构特点，三大动力总成各自的功率均能够取混联式混合电动车最大驱动功率的1/3到1之间，而且能够接近甚至超过传统内燃机汽车的动力性能水平，但是对发动机电动机的技术要求较高， 对蓄电池技术要求较高。

2 混合动力汽车控制策略研究

为了达到使HEV获得诸如车辆尾气排放量小、燃油经济性好、车辆动力驱动性好以及系统造价低等性能，本文研究了几种控制策略。依据这些控制策略的性质将其分成两大类，被动型能量控制策略和主动型能量控制策略。在确保发动机和电池始终在它们的最佳工作区范围内运行的条件下，被动型能量控制策略的控制方法是被动地满足保证汽车正常行驶的功率需求。被动型能量控制策略的核心目标是尽量提高车辆在行驶过程中能量在整车流动时的利用率，主要有基本规则型控制策略、功率跟随型控制策略、开关型控制策略。在提高系统内部能量流动效率的同时，主动型能量控制策略根据行驶环境的差异，主动扩大再生制动能量、调整车辆功率需求的控制模式，主动型能量控制策略包括负荷预测型控制策略、路线适应型控制策略、动态规划法能量优化控制策略。

2.1被动型控制策略

2.1.1 基本规则型控制。基本规则型控制策略设定电池荷电状态SOC在什么范围内能够提高电池的工作效率是由电池的充放电特性来决定的，设定发动机工作的高效率区是由它的负荷特性图来确定的。这种控制策略的优点是它既具有功率跟随型控制策略的特点，同时又兼具开关型控制策略的好处，需要预报车辆需求功率是它唯一的缺点。

2.1.2 功率跟随型控制。发动机在功率跟随型控制策略中始终保持对运行中的车辆提供行驶所需驱动功率，并且仅仅当电池的荷电状态SOC≥SOCmax的时候，而电池提供的功率己经完全足够驱动混合电动车工作，只有此时才让发动机怠速运行或发动机关闭。功率跟随型控制策略的优点是，电池质量较小，蓄电池组的容量被降低到了最小程度，因此汽车行驶所受的阻力也在一定程度上减小。除此以外，系统内耗也因为电池充放电次数的降低而降低。功率跟随型控制的缺点是它的排放以及发动机的工作效率没有开关型控制下的好，这是因为在这种控制策略下必须保证发动机工作在一定的范围内。

2.1.3 开关型控制。发动机一旦开始工作了以后就被控制始终工作在高效率区是开关型控制策略的主要特点。设定电池的荷电状态SOC的最小值SOCmin和最大值SOCmax是为了达到使电池始终在充放电性能比较好的区域内工作这个目的。开关型控制的控制逻辑主要有以下三点：

2.1.3.1 电池的荷电状态SOC≥SOCmax： 此时由电池单独向电动机供电，而发动机关闭，不在工作状态下。

2.1.3.1 电池的荷电状态SOCmin≤ SOC≤SOCmax： 此时发电机在高效率区运转，通过电池和电机来调节它的行驶需求以及输出功率的盈亏。

2.1.3.1 电池的荷电状态SOC≤SOCmin： 此时发动机工作于设定的工作区（低排放或者低油耗），一部分输出功率向电池充电，另一部分提供车辆行驶所用。

发动机的排放较低是开关型控制策略的优点，但是这种控制策略也有缺点，电池需要频繁地进行充放电，另外还有发动机的开和关切换时的动态损耗功率，就会降低系统的能量转换效率，加大系统总体的损失功率，所以发动机运行在高效率区所带来的好处也许会在一定程度上被这些缺点所抵消。

2.2主动型能量控制

2.2.1 负荷预测型控制策略

在基本控制策略（功率跟随型或开关型控制策略）的基础上，负荷预测型控制策略增加了一个车辆负荷预测器。负荷预测型控制策略基于车辆驱动功率随时间变化没有发动机/发电机输出功率平稳的事实，根据HEV在行驶过程中所使用的驱动功率的历史值来预测出它的平均值以及变化范围，然后根据行驶路况以及所在道路的坡度变化等相关信息，预测出HEV接下来所要承受的负荷情况。负荷预测型控制策略跟其他控制方法相比一个最大的好处是通过在线预测得到一个车辆正常行驶所需动力驱动功率，然后依据这个得到的车辆行驶所需功率来协助管理系统能量，这种控制策略的实际操作性强，可以满足最小化车辆尾气排放量以及燃油经济性最佳； 但是这种控制策略也是有缺点，它所预测的驱动功率与车辆功率的即时需求值有差距，因为驱动功率是由已耗功率推测得出。

2.2.2 路线适应型控制策略。因为在每个城市中，各个公交车的行走线路都是一成不变的，而且在市中心的道路状况下，车辆必须频繁地加减速甚至停车，每个公交站点都是确定的，并且它们之间的距离也是己知的，路线适应型控制策略在SHEV的基本控制策略（功率跟随型或开关型控制策略）基础上另外添加两个控制子策略： Adapter子控制策略和Adviser子控制策略。为了提高车辆制动时的能量回收率，Adapter对公交车到达站点之前的速度大小进行控制，这是通过已知的公交车站点信息来实现的；根据各个公交站点的具体位置情况、车辆在整个线路的行驶过程中各路段应分别采用何种速度以及车辆的实际运行速度等行车线路数据，Adviser能够协助驾驶员准确判断在当前路况下应提交多大的最佳加速踏板请求。

2.2.3 动态规划法能量优化控制策略

这种控制策略根据SHEV功率流动特点来建立合适的数学模型，优化目标是使混合动力汽车在已知的行驶工况下燃油经济性最佳。它将整个行驶工况下的效率以及整车功率按照某一个合理的时间间隔依据先后顺序将整个时间分为若干个片断，根据时间的倒序由末状态逆向递推直至初始状态，然后计算出发动机在整个行驶工况下的最佳输出功率序列。此种方法只可以用于必须预先精确知道车辆的需求功率的特定驾驶循环，常用于离线优化，而不能用于在线控制。

本文对现有具有不同联接形式的混合动力汽车结构进行分析，从控制策略性质出发提出拟解决方案，拟在为进一步优化控制策略提供依据，从而大力发展混合动力汽车，以便针对目前我国在汽车领域存在的技术相对落后的现状，更好的解决传统发动机汽车长期存在的燃油经济性低、城市环境污染严重等问题。

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