【文章內(nèi)容簡介】 由于發(fā)動機和驅動橋之間無直接的機械連接，需要通過變速裝置來適應汽車行駛工況的變化。(8) 發(fā)動機和電機并聯(lián)驅動，還需要復合裝置。因此，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)其傳動機構相對比較復雜。并聯(lián)式結構中，發(fā)動機和電機是相互獨立的，低速功率小時運行時可以關閉發(fā)動機，利用電動機進行驅動；在中高速平穩(wěn)運行工況，可以只利用發(fā)動機進行驅動；高速運行或加速時，可以利用動力復合裝置對發(fā)動機和電機的輸出動力進行疊加。圖23 混聯(lián)結構混聯(lián)式驅動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，其結構示意圖如圖23所示。混聯(lián)混合動力電動汽車在結構上綜合了串聯(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，但其結構復雜、成本高，但隨著控制技術和制造技術的發(fā)展，一些現(xiàn)代混合動力電動汽車更傾向于選擇這種結構?；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)動機主動型，另一種稱為電力主動型。車輛運行時，前一種主要是發(fā)動機起作用，而后一種主要是電動機起作用。 混聯(lián)式驅動系統(tǒng)的結構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、發(fā)動機、發(fā)電機等部件進行更多的優(yōu)化匹配，從而在結構上保證了在復雜的工況下是系統(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。與并聯(lián)式相比，混聯(lián)式的動力復合形式更復雜，因此對動力復合裝置的要求更高。目前的混聯(lián)式結構一般以行星齒輪作為動力復合裝置的基本構架。由于并聯(lián)式驅動系統(tǒng)的結構較混聯(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動系統(tǒng)。 混合動力汽車混合度根據(jù)發(fā)動機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)濟性如圖24所示，混合度高低決定于電機提供動力的多少，電機的功率越大，一般情況下，燃油經(jīng)濟性相對也越高，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)濟性為主要目標的控制策略，采用了弱混合的混合度。所以在當今汽車工業(yè)控制成本和加速普及的主導思想下，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，但整車成本和質量都大為降低，并且燃油經(jīng)濟性也能達到較好的程度，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。因此電池技術研究的關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)，可以反復使用。另外，電池技術的研究還包括以下幾個方面：一是電池設計和制造方面的改進，以降低電池的使用成本、改善電池的性能和提高使用壽命，并進行電池充放電動態(tài)特性的研究；二是研究電池內(nèi)部結構的連接、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。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計要求由于各種混合動力汽車結構各不相同，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到不同的最優(yōu)的設計目標，其主要目標有以下四個：最佳燃油經(jīng)濟性、最低的排放、最低的系統(tǒng)成本或最佳的驅動性能。設計控制策略時主要應考慮以下幾點：(1) 優(yōu)化發(fā)動機的工作點——基于燃油經(jīng)濟性、最低排放或者二者選其一，根據(jù)發(fā)動機的轉矩－轉速特性曲線確定工作點；(2) 優(yōu)化發(fā)動機的工作曲線——如果發(fā)動機需要發(fā)出不同的功率，相應的最優(yōu)工作點就構成了發(fā)動機的最優(yōu)工作曲線，如最大燃經(jīng)濟性工作曲線；(3) 優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)——在轉矩—轉速特性曲線上，發(fā)動機有一個最優(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)動機最低轉速——當發(fā)動機低速運行時，燃油效率低，排放嚴重，因而當發(fā)動機轉速低于某一值時，應停止發(fā)動機的工作；(5) 合適的蓄電池荷電狀態(tài)——蓄電池的容量需保持在適當?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構及各部件確定后，如何優(yōu)化控制策略是實現(xiàn)混合動力汽車低油耗、低排放目標的關鍵所在。而控制策略的制定是一個全局多目標優(yōu)化問題，不僅僅要實現(xiàn)整車最佳的燃油經(jīng)濟性，還要考慮適應各種工況，兼顧發(fā)動機排放、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\行的核心?；旌想妱悠囀且环N準環(huán)保型的車輛，其能源裝置通常由發(fā)動機，電池和電機組合而成。它能根據(jù)不同的行駛工況，實現(xiàn)單能源或多能源聯(lián)合驅動方式，達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、電機、功率轉換器、蓄電池、離合器、變速器等部件組成，因此，它是一個集成電氣、機械、化學和熱力學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)設計的關鍵所在。而運行工況的不確定性和駕駛風格的多樣化均增加了整車控制策略設計的難度。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是使發(fā)動機在最佳效率區(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)動機和發(fā)電機的總體效率。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) 恒溫器控制模式當蓄電池SOC 降到設定的低門限值時，發(fā)動機啟動，一部分功率用于滿足車輪驅動功率要求，另一部分功率向蓄電池充電。而當蓄電池組SOC 上升到所設定的高門限值時，發(fā)動機關閉，由電機驅動車輪。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)動機優(yōu)化所帶來的好處。這種模式對發(fā)動機比較有利而對蓄電池不利。(2) 發(fā)動機跟蹤器控制模式發(fā)動機的功率緊跟隨車輪功率的變化，這與傳統(tǒng)的汽車運行相似。采用這種控制策略，蓄電池工作循環(huán)將消失，與充放電有關的蓄電池組損失被減少到最低程度。但發(fā)動機必須在從低到高的整個負荷區(qū)范圍內(nèi)運行，而且發(fā)動機的功率快速而動態(tài)地變化，這些都損害了發(fā)動機的效率和排放性能(尤其在低負荷區(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)動機沿最小油耗曲線運行，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合起來使用，其目的是充分利用發(fā)動機和電池的高效率區(qū)，使其達到整體效率最高。例如，當汽車加速時，為了滿足車輪驅動功率要求，降低對蓄電池的峰值功率要求，延長其工作壽命，可采用動機跟蹤模式；而當汽車車輪功率要求低時，為了避免發(fā)動機低效率工況的發(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、車速和驅動輪的平均功率等參數(shù)，按照一定的規(guī)則使發(fā)動機和電動機輸出相應的轉矩(或功率) ，以滿足驅動輪驅動力矩的要求[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)。當汽車車速低于所設定的車速時，由電機單獨驅動車輪，當車速高于所設定的車速時，電機停止驅動，而由發(fā)動機驅動車輪；當車輪負荷比較大時(如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡時) ，則由發(fā)動機和電動機聯(lián)合驅動車輪。這種策略利用了電動機低速大轉矩的作用，避免了發(fā)動機的怠速及低負荷工況。當車速較高有助于發(fā)動機有效工作時，發(fā)動機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)動機啟動的設定車速可以設計為一個定值。對于荷電消耗型混合動力汽車，設定車速愈低，汽車一次充電的續(xù)駛里程愈長。也有將設定車速設計為蓄電池組放電深度的函數(shù)。汽車在低速行駛時，也是由電機單獨驅動車輪；但當車速高于所設定的車速時，則采用了混合驅動。此時，發(fā)動機保持在一個恒定的節(jié)氣門開度運行，而由電機提供車輪所需的動態(tài)功率。通過提高發(fā)動機啟動的設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)動機工作的時間。這種控制策略有利于減少汽車的排放，但電機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SOC 降到某一設定值以下時，無論此時車速多低，發(fā)動機將啟動，同時一部分發(fā)動機功率通過發(fā)動機向蓄電池組充電。(2) 以功率為主要參數(shù)的控制策略當車輪平均功率低于某設定值時，汽車由電動機單獨驅動；當車輪平均功率高于該設定值時，此時有利于發(fā)動機有效工作，因而發(fā)動機被啟動，電動機則停止運行。發(fā)動機啟動的最佳時機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)動機所能提供的功率時，電動機啟動，輔助發(fā)動機提供額外的功率。在上述兩種控制策略中，都存在發(fā)動機和電動機聯(lián)合驅動的混合動力工況。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) 當加速踏板踩下時，發(fā)動機和電動機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) 電動機功率一直增加到其最大值，然后啟動發(fā)動機以提供補充動力； 3) 發(fā)動機被控制在有較高功率的低油耗區(qū)穩(wěn)定運行，而由電動機來提供所需的補充功率。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)化技術被引入控制策略研究中。(3) 采用優(yōu)化技術的控制策略[15]法國學者Sebastien Dzlpart和Gino Paganelli等人研究了帶機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，建立了電機轉矩和變速器檔位為優(yōu)化變量、以給定循環(huán)工況下發(fā)動機油耗最小為目標的有約束優(yōu)化計算模型。該優(yōu)化計算結果雖然不能用于實時控制，但對于推導汽車實時控制策略是有益的。為了使發(fā)動機工作在最佳效率區(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)動機油耗最小為目標函數(shù)，建立了包括CVT、電機效率在內(nèi)的優(yōu)化計算模型，利用動態(tài)優(yōu)化技術對發(fā)動機、電動機(發(fā)電機) 所應分配的轉矩和CVT速比進行了計算，并由此確定滿足最小燃油量所需要的電機額定功率。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)濟性為目標的優(yōu)化控制策略，該方法將電池輸出功率轉化為等效的燃油量，建立了基于有效燃油消耗率的優(yōu)化模型，以發(fā)動機燃油消耗量最小為目標函數(shù)，得到隨車速、電池組SO