刘庆—控制策略.docx

摘 要 迫于能源危机和环境保护两大压力， 混合动力电动汽车在全世界范围内得到大力发展。混合动力电动汽车(HEV)可以视为是传统燃油汽车向纯电池电动汽车的转变时期，由电动机和内燃机结合使用的一种过渡车型。它虽然没有实现零排放，但在电动汽车的储能部件电池没有根本性突破以前，其所能达到的动力性、经济性和排放指标是缓解汽车需求与环境污染及石油短缺矛盾日益尖锐的理想途径之一。 控制策略是混合动力汽车运行的核心。混合电动汽车是一种准环保型的车辆，其能源装置通常由发动机，电池和电机组合而成。它能根据不同的行驶工况，实现单能源或多能源联合驱动方式，达到减少油耗和排放的最终目的。因此，在整车配置确定的前提下，如何实现多种动力源的协调工作，是混合电动汽车能源管理核心之一。 本课题由于内容十分宽广，再加上本人本科阶段学习理论水平有限，故将本课题研究内容适当缩小。 故本课题通过现今主流的控制策略分析，对同一车型在 ADVISOR 软件内置不同控制策略的比较仿真，寻找城市路况下比较可行的控制策略。 关键词；汽车混合动力，控制策略，仿真，ADVISOR ABSTRACT Forced the two pressure of Energy crisis and environmental protection，Hybrid electric vehicles are actively developed in the world. Hybrid electric vehicle (HEV) can be regarded as the period of change from a traditional fuel cell cars to pure electric， and it is a transitional model that combined with electric motors and internal combustion engine. Although it does not achieve zero emissions，before the energy storage components in electric cars - Battery had no fundamental breakthrough，What power，economy and emission targets can be achieved is one of the increasingly acute and good way through mitigation of environmental pollution and automobile demand and conflict between the oil shortage. Control strategy is the core operation of hybrid vehicles. Hybrid electric vehicle is a standards of environmental protection mode vehicles，the energy unit is usually combinde with the engine， batteries and motor. According to different driving conditions， It can realize single-energy or energy co-driven approach to reducing fuel consumption and emissions of the ultimate goal. Therefore， before determining the vehicle configurations ， How to achieve the coordination of a variety of power sources，hybrid electric vehicle energy management is one of the core. As the content of this topic is very broad，together with my undergraduate level of learning theory is limited，the contents of this paper of the appropriate reduced. Therefore，this paper builds the same simulation model to get comparison of different control strategies by ADVISOR，based on the current popular control strategy . To find control strategy in the urban operation condition. Key words： hybrid control strategy，simulation，ADVISOR 目 录 1 绪论-1 1.1 混合动力汽车研究背景-1 1.2 国内外混合动力发展状况-2 1.3 混合动力汽车控制策略的研究现状-2 1.4 本文主要研究内容-4 2 混合动力系统分类与选择-5 2.1 混合动力汽车的类型及特点-5 2.1.1 串联式混合动力结构与性能特点-5 2.1.2 并联式混合动力结构与性能特点-5 2.1.3 混联式混合动力结构与性能特点-6 2.2 混合动力汽车混合度-8 2.3 电池的能量存储及电池管理系统-8 3 混合动力汽车控制策略研究-10 3.1 混合动力汽车控制策略的设计要求-10 3.2 混合动力汽车控制策略-10 3.2.1 串联型混合动力汽车的控制策略-10 3.2.2 并联型混合动力汽车的控制策略-11 3.2.3 混联型混合动力汽车的控制策略-13 4 基于 ADVISOR 的仿真及分析-15 4.1 ADVISOR 仿真软件简介-15 4.2 混合动力汽车仿真方法-16 4.2.1 前向仿真法-16 4.2.2 后向仿真法-16 4.3 ADVISOR 中混合动力汽车主要部件的建模实现-17 4.3.1仿真模型选择-17 4.3.2 仿真模型主要部件选择-17 4.4 仿真结果对比-19 4.4.1 Prius 车辆和 Conventional 车辆动力性对比-19 4.4.2 Prius 车辆和 Conventional 车辆排放性对比-21 4.4.3 Prius 车辆和 Conventional 车辆燃油经济性对比-22 5 ADVISOR 中控制策略对比仿真-24 5.1 并联控制策略-24 5.2 电辅助控制-24 5.3 模糊控制策略-25 5.4 不同策略仿真对比-26 5.4.1 建模和部件参数选择-26 5.4.2 策略性能仿真-27 5.5 小结-30 6 总结-31 参考文献-32 致 谢-331 绪论 1.1 混合动力汽车研究背景 迫于能源危机和环境保护两大压力， 混合动力电动汽车在全世界范围内得到大力发展。混合动力电动汽车(HEV)可以视为是传统燃油汽车向纯电池电动汽车的转变时期，由电动机和内燃机结合使用的一种过渡车型。它虽然没有实现零排放， 但在电动汽车的储能部件电池没有根本性突破以前， 其所能达到的动力性、经济性和排放指标是缓解汽车需求与环境污染及石油短缺矛盾日益尖锐的理想途径之一。 混合动力电动汽车的发动机常常工作在最佳工况下，有效地降低了排放、提高了效率；其能量制动回收系统，改善了整车的能量利用效率；混合动力电动汽车在采用纯电动模式行驶时，还能在某些特定区域实现零排放。 混合动力汽车既具有内燃机动力性好、反应快和工作时间长等优点，又有电机无污染和低噪声的特点，可达到电机和发动机的最佳匹配。由于混合动力系统具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施。对于电池的要求，与纯电动汽车相比也大大降低了。因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有综合优势1。 1.2 国内外混合动力发展状况 90 年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。日本丰田汽车公司率先于 1997 年 12 月将混合动力型 Prius 轿车投放本国市场，2000 年初又开始投放北美市场，并将月产由 1000 辆调升到月产 2000 辆，三年内销售了 4.5 万辆，产品出现了供不应求局面，初战告捷，震动了全球汽车厂商。 国外专家认为在未来的十年内，可能有 20%的汽车均将采用混合动力技术。其中本田公司已投产 insight 混合动力汽车，被美国环保总署评为 2001 年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田汽车公司的 Prius 混合动力汽车。 我国混合动力汽车的研究起步较晚。 我国在八五和九五期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制， 在此基础上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。但是所开发的混合动力电动汽车大部分都是串联式的，只是在原有汽车上简单地加载发动机和发电机机组，技术的集成度较低，缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统， 两种动力源只是简单结合， 缺乏统一协调，这与真正意义上的混合动力电动汽车，与国外的先进技术水平相比还有很大距离。 科技部在国家 863 计划中特别设立电动汽车重大专项， 从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，集中各方面的力量联合攻关，决心在电动汽车关键技术取得重大突破。主要的内容包括：电动汽车(包括 EV 和 HEV)的总体设计，先进的电池技术，电动机及控制驱动系统，整车监控与管理系统、使用环与配套技术等。 总之， 无论从国外还是国内来看， 研发和生产混合动力汽车都已经成为政府、汽车企业和各大研究机构的重点，具有十分重要的意义1。 1.3 混合动力汽车控制策略的研究现状 混合动力电动汽车的核心技术可以分为硬件和软件两大部分。 其中硬件部分主要包括发动机、电机、蓄电池以及变速箱等部件；为了能实现混合动力电动汽车经济和环保的设计要求，在运行过程中，对这些部件的工作状态进行合理的能量控制是非常重要的， 而这些能量控制就是混合动力电动汽车核心技术的软件部分。 驱动能控制，再生制动能控制以及各部件自身拥有的控制系统等都属于能量控制的组成部分。 能量控制系统都是整车的神经中枢， 混合动力电动汽车的能量控制可以分为两层， 驱动能控制系统和再生制动能控制系统属于上层，而各部件自身的控制系统属于下层。 上层的管理系统从宏观层面作控制决策并将相应的信息输送到各部件控制系统，再由这些部件控制系统控制实现各种要求动作，同时下层的控制系统也不断向上层管理系统反馈状态信息，实现上层控制系统的实时管理。在驱动汽车的过程中，驱动能控制系统以各部件的自身特点为基础，通过协调管理，可以让整个动力系统都工作在最佳状态下；另外，在混合动力电动汽车制动的过程中，通过对传统液/气压制动系统、再生制动制动系统以及其他传动系统的合理控制，可以最大限度地回收汽车动能，提高整车能效。由于各部件控制系统在传统内燃机汽车和电动汽车上都有了较完善的发展， 因此混合动力电动汽车能量控制系统的创新点应该集中在上层管理系统的设计中， 这也是整个混合动力电动汽车硬件和软件设计的重点3。 当混合动力汽车的结构和各个零件确定下来后， 整车的性能由其控制策略所决定。 在目前混合动力汽车的结构没有大的突破的情况下，人们将更多的研究转移到控制策略上来，如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目的的关键所在。在满足汽车的动力性和其它基本技术性能等要求的前提下，针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在发动机、电机之间的合理而有效分配，使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性，最低排放以及平稳的驾驶性能7。 在混合动力汽车发展的初期，其最优控制方法依据内燃机万有特性图，采用最优燃油经济曲线方法，提高燃油经济性。随后，研究人员提出了内燃机最优工作学硕士学位论文绪论区间方法，根据电机性能划分内燃机万有特性图，构成三种内燃机和电机配合工作的模式：纯电动、电机助力和纯内燃机模式。为了更好地管理电池能量，提高整车效率，又逐渐演化出模式控制方法。它在传统的 3种模式基础上，添加制动能量回收、怠速停止等模式。本田的 Insight 汽车就采用了这种方法。 混合动力汽车的燃油经济性和排放主要取决于整车的转矩分配控制策略。 目前国内外混合动力汽车的优化控制策略基本上都是根据汽车当前运行状态和蓄电池荷电状态所确定的，主要可分为两大类型，一种是以汽车循环工况(如 ECE，EUDC 等)的燃油消耗量最小为目标的优化控制策略少。但由于汽车实际运行工况千变万化，与计算所用的循环工况有相当大的差异，因此这种控制策略并不能达到汽车实际运行油耗大量减少的效果；另一类是基于发动机效率图、排放图，电动机/发电机效率图的控制策略，以汽车在任意时刻的油耗或功率损耗最小为优化目标的控制策略，能实现汽车在给定的放电或充电工况下，发动机和电动机/发电机的最佳转矩分配。也有采用模糊逻辑控制理论和神经网络理论来研究控制策略，其目的也是使混合动力系统油耗或功率损耗达到最小。具体方法主要有瞬时优化控制策略，基于启发式探索算法，基于循环工况的全局优化控制策略。这些控制策略都没有考虑汽车未来路线和车速对当前控制策略的影响，大多不能完全正确确定和动态调整汽车切换转入充电工况或放电工况的最佳时机， 导致汽车在实际道路上运行时制动能量无法充分回收，发动机的实际耗油量并没有得到最大程度的减少，如当汽车正以中低车速匀速行驶，且几分钟后汽车将稳速下坡，按现有的控制策略，此时蓄电池处于充电或者空闲状态，这样蓄电池就不能充分回收汽车下坡时的再生制动能量。 如果不能充分发挥混合动力系统的低排放和助力功能，其燃油经济性，排放和动力性的发挥会受到极大限制。 K M 等提出采用模型预测控制法结合动态规划算法作为控制策略， 由 GPS、道路交通图，交通信息等预测未来汽车的行驶状态，作为初步研究该文假设未来车速为多个匀速过程只考虑层高的变化，其仿真结果油耗比传统车降低了 20%，汽车节油效果随着预测视距的减少而减少， 但这种效果尤其取决于未来的需求转矩图和蓄电池容量。当预测视距超过后控制算法的运算效率变得低下。LJohannesson 等通过对三种控制器的计算仿真的比较得出，基于 GPS 的汽车未来状态预测， 采用随机动态规划进行全局优化的控制器其优化性能几乎与理想控制器一样，而基于当前汽车状态的控制器效果最差。在仿真计算中，为缩短在线计算时间作者提出一步式 MPC 算法，实验表明该策略更适合于固定路线的城市公共汽车。其中基于动态规划的全局优化真正实现了循环工况的最优油耗，但由于在线计算量大等客观原因该策略还无法应用到实车中去， 更多的研究是将其作为一个理想的参考值来评价其他控制策略的优劣性。 目前国外一些学者正致力于通过汽车模型的简化， 算法的改进以及新的控制方法的引入从而实现在线全局优化仿真的实现。例如 M.Koot 等针对控制策略的实车应用性，提出了一些提高动态规划算法效率的方法，重点是将非线性的动态系统简化为近似线性的静态系统，采用二次规划求解最优问题，结合模型预测控制进行在线实时仿真，其性能与动态规划算法的实时仿真结果差别并不明显； 对于汽车未来状态的预测提出了通过对当前时刻的某两个参数计算出下一个时刻的功率需求而不采用 GPS 等进行远程预测，这样大大提高了在线计算效率，经过仿真研究，该控制策略尽管油耗不及理想油耗，但完全可以应用到实车中去8。 1.4 本文主要研究内容 本文主要简述混合动力汽车主要结构和现今主流控制策略，通过仿真软件ADVISOR 进行仿真实验，主要做了两个仿真实验对比： 一个实验是 Prius 混合动力汽车和 Conventional 普通汽车仿真对比，在城市路况和郊区路况下通过燃油经济性、动力性和排放性对比进行评价。 另一个实验是选用相同并联模型车，在相同城市路况下，选用 ADVISOR 内置不同仿真策略也是通过燃油经济性、动力性和排放性对比，用来判断城市路况下最可行的控制策略。 2 混合动力系统分类与选择 2.1 混合动力汽车的类型及特点1,2,3 2.1.1 串联式混合动力汽车结构与性能特点 图图2 2- -1 1 串联结构串联结构 串联式驱动系统结构如图 2-1 所示， 串联混合动力电动汽车是混合动力电动汽车中最简单的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。它的主要特点为：电力驱动是唯一的驱动模式，只有电动机直接与驱动桥相连接，而发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄电池充电。和燃油车比较，它是一种发动机辅助型的电动车，主要是为了增加车辆的行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接没有离合器，因而它有一定的灵活性。 (1)发动机的工作状况不受汽车行驶工况的影响，始终在最佳的工作区内稳定运行。因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。 (2)由于有电池功率进行驱动功率的调峰，发动机的功率只须满足汽车在某一稳定工况行驶所需的功率。因此可以选择较小功率的发动机。 (3) 发动机与驱动桥之间没有机械连接，因此对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范围较大，如可选择高速燃气轮机等效率高的原动机。 (4) 发动机与电动机之间没有机械连接，整车的结构布置自由度较大。发动机的输出要全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能， 需要功率足够大的发电机和电动机。 (5) 要起到良好的功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，需要较大容量的电池。发电机将机械能转变为电能，电动机将电能转化为机械能，滇池的充电和放电都有能量损失，因此发动机的能量利用率较低。 串联型混合动力汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行的优越性主要表现在低速、加速等工况，而在汽车中高速行驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机油耗低的优点，因此串联型混合动力汽车更适合在市内，低速运行的工况；在繁华的市区，汽车在起步和低速运行时，还可以关闭发动机，只利用电池输出功率，使汽车达到零排放的要求。 2.1.2 并联式混合动力结构与性能特点 图图2 2- -2 2 并联结构并联结构 并联式驱动系统结构示意图如图 2-2 所示， 并联混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮，两者都可通过各自的驱动轴驱动车轮， 可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式驱动。从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入蓄电池。与串联混合动力电动汽车比较，它只需两个驱动装置发动机和电动机，而且，在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能， 并联式比串联式混合动力电动汽车的发动机和电动机的体积要小。 并联式混合动力汽车的发动机功率也是以汽车以某一速度稳定行驶时所需的功率选定的，当汽车在低速或改变工况行驶时，须通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出；而在高速行驶时，发动机的输出功率低于汽车行驶时所需的功率时，由控制器控制电动机协助助力驱动。这样的结构形式和控制方式，使并联式混合动力汽车具有如下特点： (1) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，因此发动机输出能量的利用率较高， 当汽车的行驶工况是发动机在其最佳的工作范围运行时，其燃油经济性比串联式的高。 (2) 由电动机进行调峰时，发动机的功率可适当减小。 (3) 当电机作为辅助驱动系统时，功率也可适当减小。 (4) 由于有发动机补充电能，比较小的电池容量既可满足使用要求。 (5) 如果装备发电机，发电机的功率也可较小。 (6) 由于并联式驱动系统的发动机的运行状况受汽车的行驶工况的影响，因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在不良工况下运行，因此发动机的排放污染比串联式的高。 (7) 由于发动机和驱动桥之间无直接的机械连接，需要通过变速装置来适应汽车行驶工况的变化。 (8) 发动机和电机并联驱动，还需要复合装置。因此，并联式混合动力系统其传动机构相对比较复杂。 并联式结构中，发动机和电机是相互独立的，低速功率小时运行时可以关闭发动机，利用电动机进行驱动；在中高速平稳运行工况，可以只利用发动机进行驱动； 高速运行或加速时，可以利用动力复合装置对发动机和电机的输出动力进行叠加。 2.1.3 混联式混合动力汽车结构与性能特点 图图2 2- -3 3 混联结构混联结构 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图如图 2-3 所示。混联混合动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽管混联混合动力电动汽车同时具有串联式和并联式的优点，但其结构复杂、成本高，但随着控制技术和制造技术的发展， 一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。混联混合动力电动汽车兼有串联式和并联式混合动力电动汽车的特点，因而有很多种可能的控制方式。基本上可分成两种，一种称为发动机主动型，另一种称为电力主动型。车辆运行时，前一种主要是发动机起作用，而后一种主要是电动机起作用。 混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了并联式和串联式的优点，使电机、发动机、发电机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在复杂的工况下是系统工作在最优状态，因此更容易实现油耗和排放的控制目标。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。 由于并联式驱动系统的结构较混联式简单与并且比串联式系统能量使用率高， 使得该系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。本文的研究即是基于此类驱动系统。 2.2 混合动力汽车混合度 根据发动机和电池输出的功率比值，混合动力系统又可分成弱混合、强混合和中度混合。 图图2 2- -4 4 混合动力系统混合度与燃油经济性混合动力系统混合度与燃油经济性 如图 2-4 所示，混合度高低决定于电机提供动力的多少，电机的功率越大，一般情况下，燃油经济性相对也越高，但是制造成本相对也提高，不利于市场普及，当然实用性也大大降低。 由于在仿真建模状况主要采用本田 insight 现有模型，而本田 insight 主要以成本和燃油经济性为主要目标的控制策略，采用了弱混合的混合度。 所以在当今汽车工业控制成本和加速普及的主导思想下， 选择弱混合作为混合动力汽车混合度。这类车没有或者只有少量纯电动工况，但整车成本和质量都大为降低，并且燃油经济性也能达到较好的程度，排放也有比较大的改善4,5。 2.3 电池的能量存储及电池管理系统 电池的良好的充放电性能及电池的 SOC 估计是混合动力汽车研究的关键。由于电池的作用是储存、输出尽可能多的电能，以提高汽车的续驶里程，因此对混合动力汽车用电池不仅有高的能量密度，而且有高的功率密度。因此电池技术研究的关键是寻找合适的能够存储高能量的电极材料， 并且此类材料能够稳定地经受住无数次循环， 可以反复使用。 另外， 电池技术的研究还包括以下几个方面：一是电池设计和制造方面的改进，以降低电池的使用成本、改善电池的性能和提高使用寿命， 并进行电池充放电动态特性的研究； 二是研究电池内部结构的连接、检测及评价。 电池包是混合动力汽车的主要部件， 对电池的状态监控及管理是混合动力汽车的重要研究内容之一。由于 SOC 是整车动力分配的依据，因此对电池的有效管理及精确的 SOC 估计将为混合动力汽车的动力分配及能量管理奠定必要的基础。另外，电池的成本在整车中占有较大的比重，精确的 SOC 估计和状态监控可以防止电池的过充电和过放电、延长电池的使用寿命、可相应的降低车辆的使用成本。因而，电池管理系统研究是混合动力汽车的重要研究内容之一6。 3 混合动力汽车控制策略研究 3.1 混合动力汽车控制策略的设计要求 由于各种混合动力汽车结构各不相同， 因而需要不同的控制策略来调节和控制。 在设计混合动力汽车控制策略时，采用不同的控制策略的目的是为了在车辆限定条件下达到不同的最优的设计目标，其主要目标有以下四个： 最佳燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本或最佳的驱动性能。 设计控制策略时主要应考虑以下几点： (1) 优化发动机的工作点基于燃油经济性、最低排放或者二者选其一，根据发动机的转矩转速特性曲线确定工作点； (2) 优化发动机的工作曲线如果发动机需要发出不同的功率，相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线，如最大燃经济性工作曲线； (3) 优化发动机的工作区在转矩转速特性曲线上，发动机有一个最优的工作区，在此工作区内，燃油效率最高； (4) 限制发动机最低转速当发动机低速运行时， 燃油效率低， 排放严重，因而当发动机转速低于某一值时，应停止发动机的工作； (5) 合适的蓄电池荷电状态蓄电池的容量需保持在适当的水平，以便在起汽车加速时能提供足够的功率，在汽车制动或下坡时回收能量。 在混合动力汽车的结构及各部件确定后， 如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目标的关键所在。而控制策略的制定是一个全局多目标优化问题，不仅仅要实现整车最佳的燃油经济性，还要考虑适应各种工况，兼顾发动机排放、蓄电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性及整车成本等多方面要求5。 3.2 混合动力汽车控制策略 控制策略是混合动力汽车运行的核心。混合电动汽车是一种准环保型的车辆， 其能源装置通常由发动机， 电池和电机组合而成。 它能根据不同的行驶工况，实现单能源或多能源联合驱动方式，达到减少油耗和排放的最终目的。因此，在整车配置确定的前提下，如何实现多种动力源的协调工作，是混合电动汽车能源管理核心之一。与传统车辆不同，混合动力汽车主要由发动机、电机、功率转换器、蓄电池、离合器、变速器等部件组成，因此，它是一个集成电气、机械、化学和热力学等为一体的非线性动态系统。如何使这些部件有效地协调工作，是混合动力系统设计的关键所在。 而运行工况的不确定性和驾驶风格的多样化均增加了整车控制策略设计的难度。因此，控制策略是一个涉及非线性时变系统控制的复杂问题7,9。 3.2.1 串联型混合动力汽车的控制策略 由于串联型混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系， 因此控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外， 为了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动机和发电机的总体效率。以下介绍串联型混合动力汽车的两种基本的控制模式2。 (1) 恒温器控制模式 当蓄电池 SOC 降到设定的低门限值时，发动机启动，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组 SOC 上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求， 蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的好处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利。 (2) 发动机跟踪器控制模式 发动机的功率紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用这种控制策略， 蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少到最低程度。 但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行， 而且发动机的功率快速而动态地变化，这些都损害了发动机的效率和排放性能(尤其在低负荷区) 。解决的办法是采用自动无级变速器 CVT(Continuously Variable Transmission) ， 通过调节 CVT 速比，控制发动机沿最小油耗曲线运行，这样同时减少了 HC 和CO 的排放量。上述两种控制模式可以结合起来使用，其目的是充分利用发动机和电池的高效率区，使其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时，为了满足车轮驱动功率要求，降低对蓄电池的峰值功率要求，延长其工作寿命，可采用动机跟踪模式；而当汽车车轮功率要求低时，为了避免发动机低效率工况的发生，可以采用恒温器模式，以提高整车系统的效率11,12。 3.2.2 并联混合动力汽车的控制策略 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。一般的控制策略通常是根据电池的 SOC、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平均功率等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩(或功率) ，以满足驱动轮驱动力矩的要求9。 (1) 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常采用的一种控制策略，它利用车速大小作为控制的依据。当汽车车速低于所设定的车速时，由电机单独驱动车轮， 当车速高于所设定的车速时，电机停止驱动，而由发动机驱动车轮；当车轮负荷比较大时(如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡时) ，则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种策略利用了电动机低速大转矩的作用，避免了发动机的怠速及低负荷工况。当车速较高有助于发动机有效工作时， 发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。对于荷电消耗型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶里程愈长。也有将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。 美国K.L.Bulter等人提出了另一种基于速度的控制策略。 汽车在低速行驶时，也是由电机单独驱动车轮；但当车速高于所设定的车速时，则采用了混合驱动。此时，发动机保持在一个恒定的节气门开度运行， 而由电机提供车轮所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定车速并保持蓄电池组的 SOC 在驾驶循环前后不变，可以减少发动机工作的时间。这种控制策略有利于减少汽车的排放，但电机及蓄电池组的功率较大， 增加了整车自重和成本。对于采用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车，还需要监视蓄电池组的 SOC ，当 SOC 降到某一设定值以下时，无论此时车速多低，发动机将启动，同时一部分发动机功率通过发动机向蓄电池组充电。 (2) 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电动机单独驱动； 当车轮平均功率高于该设定值时，此时有利于发动机有效工作，因而发动机被启动，电动机则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡期间， 这有助于获得平稳的驾驶性能。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供的功率时，电动机启动，辅助发动机提供额外的功率。在上述两种控制策略中， 都存在发动机和电动机联合驱动的混合动力工况。这种工况一般出现在车轮平均功率很高的时候(如急加速或以较高车速爬坡) ，其控制策略有以下几种模式： 1) 当加速踏板踩下时，发动机和电动机的功率按照一定比例同时增加，以满足驾驶员的高功率需求； 2) 电动机功率一直增加到其最大值，然后启动发动机以提供补充动力； 3) 发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行，而由电动机来提供所需的补充功率。 上述两种控制策略都比较简单，但不能保证各部件得到了最佳匹配， 无法获得整车系统的最大效率，因此优化技术被引入控制策略研究中。 (3) 采用优化技术的控制策略15 法国学者Sebastien Dzlpart和Gino Paganelli等人研究了带机械有级式变速器的并联型混合动力汽车在混合动力工况时的能量分配优化问题， 建立了电机转矩和变速器档位为优化变量、 以给定循环工况下发动机油耗最小为目标的有约束优化计算模型。该优化计算结果虽然不能用于实时控制， 但对于推导汽车实时控制策略是有益的。 为了使发动机工作在最佳效率区， 在混合动力汽车上装备CVT 成为目前的一种发展趋势。德国学者 Ulrich Zoelch 等人对带有 CVT 的并联型混合动力汽车作了研究， 以汽车在一个给定驾驶循环工况中发动机油耗最小为目标函数，建立了包括 CVT、电机效率在内的优化计算模型，利用动态优化技术对发动机、电动机(发电机) 所应分配的转矩和 CVT 速比进行了计算，并由此确定满足最小燃油量所需要的电机额定功率。该优化方法只能用于特定的驾驶循环， 不能用于汽车的实时控制。KIA 汽车公司的 Chunho Kim 等人提出以燃油经济性为目标的优化控制策略， 该方法将电池输出功率转化为等效的燃油量，建立了基于有效燃油消耗率的优化模型， 以发动机燃油消耗量最小为目标函数， 得到随车速、电池组 SOC 和所需功率而变化的控制量(CVT 速比、电动机转矩、发动机节气门) 。这种控制策略的实质就是将发动机和电机控制在最佳效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。这种方法可以用于汽车的实时控制， 但没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机排放问题。 (4) 以成本和燃油经济性为目标的控制策略13,14 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率电机和小容量的蓄电池组，使蓄电池组的成本和质量减少到最小程度。在这种策略中， 电动机一般仅仅只在汽车急加速时才启动， 辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车的一般行驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动，并在蓄电池组 SOC 下降到一定程度时为其充电，这进一步提高了发动机的负荷率。当汽车减速时，蓄电池组吸收制动能量而充电。这种控制策略存在的一个缺陷是， 由于发动机几乎一直处于工作运行状态， 虽然避免了发动机开关控制引起的发动机效率下降问题，但无法消除发动机在低负荷时的排放问题。 这种汽车在加速时的控制策略有以下几种模式： (1) 当汽车原地起步时，由发动机单独驱动汽车起步，或者由电动机单独驱动汽车起步，然后在汽车的速度增加到一定值时，发动机启动，提供加速所需的补充动力。 (2) 当汽车快速起步或急加速时，发动机和电动机联合向车轮提供驱动功率。 克莱斯勒的道奇无畏 ESX、本田 Insight 和日产的混合动力汽车都采用了这种控制策略， 这类汽车也被称之为轻度混合动力汽车。这类汽车只有少量或者完全没有纯电动工况，但整车成本和质量都大为降低， 并且燃油经济性可以达到相当好的程度(Insight 和道奇无畏 ESX 混合动力汽车的百公里油耗分别为 3.3 L 和3.4L) ，排放也有比较大的改善，但为了满足今后更为严格的排放标准，发动机排量还需要进一步降低。本田和日产的这种混合动力车都装备了 CVT ，进一步改善了整车的燃油经济性和排放。 3.2.3 混联式混合动力汽车的控制策略 混联式混合动力汽车的控制策略通常有两种： 一是直接法， 即将优化目标(如油耗等)表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下个部件的效率入手，得到整个系统的能量(功率)损失：损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机的转矩、转速，电池的放电电流等；驱动参数常用驱动轴的转矩和转速表示。从这两种思路出发，可以得到许多的具体控制策略，下面作简要地介绍和分析7,10。 (1) 发动机恒定工作点模式 这种策略采用发动机作为主要动力源， 电机和电池通过附加转矩的形式进行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮传动机构使发动机转速不随车速变化，这样使发动机工作在最优的工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩由电机提供。由电机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失。而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，容易实现11,12。 (2) 发动机最优工作曲线模式 这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这种策略下， 使发动机工作在万有特性的最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩或功率限值后才会打开。发动机关闭后，离合器可以脱开(避免损失)或接合(工况变化复杂时，发动机启动更为容易)。只有当发电机电流超出电池的接受能力，或电机的驱动电流需求超出电机或电池的接受能力时，才调整发动机的工作点。 4 基于 ADVISOR 不同车型仿真分析 4.1 ADVISOR 仿真软件简