【文章內(nèi)容簡介】 由于發(fā)動機(jī)和驅(qū)動橋之間無直接的機(jī)械連接，需要通過變速裝置來適應(yīng)汽車行駛工況的變化。(8) 發(fā)動機(jī)和電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動，還需要復(fù)合裝置。因此，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)其傳動機(jī)構(gòu)相對比較復(fù)雜。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)和電機(jī)是相互獨立的，低速功率小時運(yùn)行時可以關(guān)閉發(fā)動機(jī)，利用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動；在中高速平穩(wěn)運(yùn)行工況，可以只利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動；高速運(yùn)行或加速時，可以利用動力復(fù)合裝置對發(fā)動機(jī)和電機(jī)的輸出動力進(jìn)行疊加。圖23 混聯(lián)結(jié)構(gòu)混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖23所示?；炻?lián)混合動力電動汽車在結(jié)構(gòu)上綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點，與串聯(lián)式相比，它增加了機(jī)械動力的傳遞路線，與并聯(lián)式相比，它增加了電能的傳輸路線。盡管混聯(lián)混合動力電動汽車同時具有串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但隨著控制技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，一些現(xiàn)代混合動力電動汽車更傾向于選擇這種結(jié)構(gòu)?；炻?lián)混合動力電動汽車兼有串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力電動汽車的特點，因而有很多種可能的控制方式?；旧峡煞殖蓛煞N，一種稱為發(fā)動機(jī)主動型，另一種稱為電力主動型。車輛運(yùn)行時，前一種主要是發(fā)動機(jī)起作用，而后一種主要是電動機(jī)起作用。 混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和控制方式充分發(fā)揮了并聯(lián)式和串聯(lián)式的優(yōu)點，使電機(jī)、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在復(fù)雜的工況下是系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實現(xiàn)油耗和排放的控制目標(biāo)。與并聯(lián)式相比，混聯(lián)式的動力復(fù)合形式更復(fù)雜，因此對動力復(fù)合裝置的要求更高。目前的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)一般以行星齒輪作為動力復(fù)合裝置的基本構(gòu)架。由于并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較混聯(lián)式簡單與并且比串聯(lián)式系統(tǒng)能量使用率高，使得該系統(tǒng)最適合于汽車在城市間公路和高速公路上穩(wěn)定行駛的工況。本文的研究即是基于此類驅(qū)動系統(tǒng)。 混合動力汽車混合度根據(jù)發(fā)動機(jī)和電池輸出的功率比值，混合動力系統(tǒng)又可分成弱混合、強(qiáng)混合和中度混合。圖24 混合動力系統(tǒng)混合度與燃油經(jīng)濟(jì)性如圖24所示，混合度高低決定于電機(jī)提供動力的多少，電機(jī)的功率越大，一般情況下，燃油經(jīng)濟(jì)性相對也越高，但是制造成本相對也提高，不利于市場普及，當(dāng)然實用性也大大降低。由于在仿真建模狀況主要采用本田insight現(xiàn)有模型，而本田insight主要以成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)的控制策略，采用了弱混合的混合度。所以在當(dāng)今汽車工業(yè)控制成本和加速普及的主導(dǎo)思想下，選擇弱混合作為混合動力汽車混合度。這類車沒有或者只有少量純電動工況，但整車成本和質(zhì)量都大為降低，并且燃油經(jīng)濟(jì)性也能達(dá)到較好的程度，排放也有比較大的改善[4,5]。 電池的良好的充放電性能及電池的SOC估計是混合動力汽車研究的關(guān)鍵。由于電池的作用是儲存、輸出盡可能多的電能，以提高汽車的續(xù)駛里程，因此對混合動力汽車用電池不僅有高的能量密度，而且有高的功率密度。因此電池技術(shù)研究的關(guān)鍵是尋找合適的能夠存儲高能量的電極材料，并且此類材料能夠穩(wěn)定地經(jīng)受住無數(shù)次循環(huán)，可以反復(fù)使用。另外，電池技術(shù)的研究還包括以下幾個方面：一是電池設(shè)計和制造方面的改進(jìn)，以降低電池的使用成本、改善電池的性能和提高使用壽命，并進(jìn)行電池充放電動態(tài)特性的研究；二是研究電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接、檢測及評價。電池包是混合動力汽車的主要部件，對電池的狀態(tài)監(jiān)控及管理是混合動力汽車的重要研究內(nèi)容之一。由于SOC是整車動力分配的依據(jù)，因此對電池的有效管理及精確的SOC估計將為混合動力汽車的動力分配及能量管理奠定必要的基礎(chǔ)。另外，電池的成本在整車中占有較大的比重，精確的SOC估計和狀態(tài)監(jiān)控可以防止電池的過充電和過放電、延長電池的使用壽命、可相應(yīng)的降低車輛的使用成本。因而，電池管理系統(tǒng)研究是混合動力汽車的重要研究內(nèi)容之一[6]。3 混合動力汽車控制策略研究 混合動力汽車控制策略的設(shè)計要求由于各種混合動力汽車結(jié)構(gòu)各不相同，因而需要不同的控制策略來調(diào)節(jié)和控制。在設(shè)計混合動力汽車控制策略時，采用不同的控制策略的目的是為了在車輛限定條件下達(dá)到不同的最優(yōu)的設(shè)計目標(biāo)，其主要目標(biāo)有以下四個：最佳燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放、最低的系統(tǒng)成本或最佳的驅(qū)動性能。設(shè)計控制策略時主要應(yīng)考慮以下幾點：(1) 優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作點——基于燃油經(jīng)濟(jì)性、最低排放或者二者選其一，根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線確定工作點；(2) 優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作曲線——如果發(fā)動機(jī)需要發(fā)出不同的功率，相應(yīng)的最優(yōu)工作點就構(gòu)成了發(fā)動機(jī)的最優(yōu)工作曲線，如最大燃經(jīng)濟(jì)性工作曲線；(3) 優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作區(qū)——在轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線上，發(fā)動機(jī)有一個最優(yōu)的工作區(qū)，在此工作區(qū)內(nèi)，燃油效率最高；(4) 限制發(fā)動機(jī)最低轉(zhuǎn)速——當(dāng)發(fā)動機(jī)低速運(yùn)行時，燃油效率低，排放嚴(yán)重，因而當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于某一值時，應(yīng)停止發(fā)動機(jī)的工作；(5) 合適的蓄電池荷電狀態(tài)——蓄電池的容量需保持在適當(dāng)?shù)乃?，以便在起汽車加速時能提供足夠的功率，在汽車制動或下坡時回收能量。在混合動力汽車的結(jié)構(gòu)及各部件確定后，如何優(yōu)化控制策略是實現(xiàn)混合動力汽車低油耗、低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。而控制策略的制定是一個全局多目標(biāo)優(yōu)化問題，不僅僅要實現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，還要考慮適應(yīng)各種工況，兼顧發(fā)動機(jī)排放、蓄電池壽命、駕駛性能、各部件可靠性及整車成本等多方面要求[5]?！』旌蟿恿ζ嚳刂撇呗钥刂撇呗允腔旌蟿恿ζ囘\(yùn)行的核心?；旌想妱悠囀且环N準(zhǔn)環(huán)保型的車輛，其能源裝置通常由發(fā)動機(jī)，電池和電機(jī)組合而成。它能根據(jù)不同的行駛工況，實現(xiàn)單能源或多能源聯(lián)合驅(qū)動方式，達(dá)到減少油耗和排放的最終目的。因此，在整車配置確定的前提下，如何實現(xiàn)多種動力源的協(xié)調(diào)工作，是混合電動汽車能源管理核心之一。與傳統(tǒng)車輛不同，混合動力汽車主要由發(fā)動機(jī)、電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、蓄電池、離合器、變速器等部件組成，因此，它是一個集成電氣、機(jī)械、化學(xué)和熱力學(xué)等為一體的非線性動態(tài)系統(tǒng)。如何使這些部件有效地協(xié)調(diào)工作，是混合動力系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。而運(yùn)行工況的不確定性和駕駛風(fēng)格的多樣化均增加了整車控制策略設(shè)計的難度。因此，控制策略是一個涉及非線性時變系統(tǒng)控制的復(fù)雜問題[7,9]。 串聯(lián)型混合動力汽車的控制策略由于串聯(lián)型混合動力汽車的發(fā)動機(jī)與汽車行駛工況沒有直接聯(lián)系，因此控制策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動機(jī)在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作。此外，為了優(yōu)化控制策略，還必須考慮合并在一起的電池、電傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的總體效率。以下介紹串聯(lián)型混合動力汽車的兩種基本的控制模式[2]。(1) 恒溫器控制模式當(dāng)蓄電池SOC 降到設(shè)定的低門限值時，發(fā)動機(jī)啟動，一部分功率用于滿足車輪驅(qū)動功率要求，另一部分功率向蓄電池充電。而當(dāng)蓄電池組SOC 上升到所設(shè)定的高門限值時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)驅(qū)動車輪。在這種模式中蓄電池組要滿足所有瞬時功率的要求，蓄電池組的過度循環(huán)所引起的損失可能會減少發(fā)動機(jī)優(yōu)化所帶來的好處。這種模式對發(fā)動機(jī)比較有利而對蓄電池不利。(2) 發(fā)動機(jī)跟蹤器控制模式發(fā)動機(jī)的功率緊跟隨車輪功率的變化，這與傳統(tǒng)的汽車運(yùn)行相似。采用這種控制策略，蓄電池工作循環(huán)將消失，與充放電有關(guān)的蓄電池組損失被減少到最低程度。但發(fā)動機(jī)必須在從低到高的整個負(fù)荷區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行，而且發(fā)動機(jī)的功率快速而動態(tài)地變化，這些都損害了發(fā)動機(jī)的效率和排放性能(尤其在低負(fù)荷區(qū)) 。解決的辦法是采用自動無級變速器CVT(Continuously Variable Transmission) ，通過調(diào)節(jié)CVT 速比，控制發(fā)動機(jī)沿最小油耗曲線運(yùn)行，這樣同時減少了HC 和CO的排放量。上述兩種控制模式可以結(jié)合起來使用，其目的是充分利用發(fā)動機(jī)和電池的高效率區(qū)，使其達(dá)到整體效率最高。例如，當(dāng)汽車加速時，為了滿足車輪驅(qū)動功率要求，降低對蓄電池的峰值功率要求，延長其工作壽命，可采用動機(jī)跟蹤模式；而當(dāng)汽車車輪功率要求低時，為了避免發(fā)動機(jī)低效率工況的發(fā)生，可以采用恒溫器模式，以提高整車系統(tǒng)的效率[11,12]?！〔⒙?lián)混合動力汽車的控制策略并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略目前仍不成熟，需要進(jìn)一步優(yōu)化。一般的控制策略通常是根據(jù)電池的SOC、駕駛員的加速踏板位置、車速和驅(qū)動輪的平均功率等參數(shù)，按照一定的規(guī)則使發(fā)動機(jī)和電動機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩(或功率) ，以滿足驅(qū)動輪驅(qū)動力矩的要求[9]。(1) 以車速為主要參數(shù)的控制策略這是最早也是最常采用的一種控制策略，它利用車速大小作為控制的依據(jù)。當(dāng)汽車車速低于所設(shè)定的車速時，由電機(jī)單獨驅(qū)動車輪，當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時，電機(jī)停止驅(qū)動，而由發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輪；當(dāng)車輪負(fù)荷比較大時(如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡時) ，則由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動車輪。這種策略利用了電動機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的作用，避免了發(fā)動機(jī)的怠速及低負(fù)荷工況。當(dāng)車速較高有助于發(fā)動機(jī)有效工作時，發(fā)動機(jī)的啟動可避免純電動高速行駛時電池的快速放電損失。在這種控制策略中，發(fā)動機(jī)啟動的設(shè)定車速可以設(shè)計為一個定值。對于荷電消耗型混合動力汽車，設(shè)定車速愈低，汽車一次充電的續(xù)駛里程愈長。也有將設(shè)定車速設(shè)計為蓄電池組放電深度的函數(shù)。汽車在低速行駛時，也是由電機(jī)單獨驅(qū)動車輪；但當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時，則采用了混合驅(qū)動。此時，發(fā)動機(jī)保持在一個恒定的節(jié)氣門開度運(yùn)行，而由電機(jī)提供車輪所需的動態(tài)功率。通過提高發(fā)動機(jī)啟動的設(shè)定車速并保持蓄電池組的SOC在駕駛循環(huán)前后不變，可以減少發(fā)動機(jī)工作的時間。這種控制策略有利于減少汽車的排放，但電機(jī)及蓄電池組的功率較大，增加了整車自重和成本。對于采用上述控制策略的荷電維持型混合動力汽車，還需要監(jiān)視蓄電池組的SOC ，當(dāng)SOC 降到某一設(shè)定值以下時，無論此時車速多低，發(fā)動機(jī)將啟動，同時一部分發(fā)動機(jī)功率通過發(fā)動機(jī)向蓄電池組充電。(2) 以功率為主要參數(shù)的控制策略當(dāng)車輪平均功率低于某設(shè)定值時，汽車由電動機(jī)單獨驅(qū)動；當(dāng)車輪平均功率高于該設(shè)定值時，此時有利于發(fā)動機(jī)有效工作，因而發(fā)動機(jī)被啟動，電動機(jī)則停止運(yùn)行。發(fā)動機(jī)啟動的最佳時機(jī)是在變速器換擋期間，這有助于獲得平穩(wěn)的駕駛性能。一旦車輪平均功率超過發(fā)動機(jī)所能提供的功率時，電動機(jī)啟動，輔助發(fā)動機(jī)提供額外的功率。在上述兩種控制策略中，都存在發(fā)動機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動的混合動力工況。這種工況一般出現(xiàn)在車輪平均功率很高的時候(如急加速或以較高車速爬坡) ，其控制策略有以下幾種模式： 1) 當(dāng)加速踏板踩下時，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的功率按照一定比例同時增加，以滿足駕駛員的高功率需求； 2) 電動機(jī)功率一直增加到其最大值，然后啟動發(fā)動機(jī)以提供補(bǔ)充動力； 3) 發(fā)動機(jī)被控制在有較高功率的低油耗區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行，而由電動機(jī)來提供所需的補(bǔ)充功率。上述兩種控制策略都比較簡單，但不能保證各部件得到了最佳匹配，無法獲得整車系統(tǒng)的最大效率，因此優(yōu)化技術(shù)被引入控制策略研究中。(3) 采用優(yōu)化技術(shù)的控制策略[15]法國學(xué)者Sebastien Dzlpart和Gino Paganelli等人研究了帶機(jī)械有級式變速器的并聯(lián)型混合動力汽車在混合動力工況時的能量分配優(yōu)化問題，建立了電機(jī)轉(zhuǎn)矩和變速器檔位為優(yōu)化變量、以給定循環(huán)工況下發(fā)動機(jī)油耗最小為目標(biāo)的有約束優(yōu)化計算模型。該優(yōu)化計算結(jié)果雖然不能用于實時控制，但對于推導(dǎo)汽車實時控制策略是有益的。為了使發(fā)動機(jī)工作在最佳效率區(qū)，在混合動力汽車上裝備CVT 成為目前的一種發(fā)展趨勢。德國學(xué)者Ulrich Zoelch等人對帶有CVT的并聯(lián)型混合動力汽車作了研究，以汽車在一個給定駕駛循環(huán)工況中發(fā)動機(jī)油耗最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了包括CVT、電機(jī)效率在內(nèi)的優(yōu)化計算模型，利用動態(tài)優(yōu)化技術(shù)對發(fā)動機(jī)、電動機(jī)(發(fā)電機(jī)) 所應(yīng)分配的轉(zhuǎn)矩和CVT速比進(jìn)行了計算，并由此確定滿足最小燃油量所需要的電機(jī)額定功率。該優(yōu)化方法只能用于特定的駕駛循環(huán)，不能用于汽車的實時控制。KIA汽車公司的Chunho Kim等人提出以燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略，該方法將電池輸出功率轉(zhuǎn)化為等效的燃油量，建立了基于有效燃油消耗率的優(yōu)化模型，以發(fā)動機(jī)燃油消耗量最小為目標(biāo)函數(shù)，得到隨車速、電池組SO