【正文】 3333 / 371 緒論迫于能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)兩大壓力，混合動力電動汽車在全世界范圍內(nèi)得到大力發(fā)展。它雖然沒有實現(xiàn)零排放，但在電動汽車的儲能部件—電池沒有根本性突破以前，其所能達(dá)到的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)是緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺矛盾日益尖銳的理想途徑之一。混合動力汽車既具有內(nèi)燃機(jī)動力性好、反應(yīng)快和工作時間長等優(yōu)點(diǎn)，又有電機(jī)無污染和低噪聲的特點(diǎn)，可達(dá)到電機(jī)和發(fā)動機(jī)的最佳匹配。對于電池的要求，與純電動汽車相比也大大降低了。 國內(nèi)外混合動力發(fā)展?fàn)顩r90年代以來，日本、美國、歐洲各大汽車公司紛紛開始研制混合動力型汽車。國外專家認(rèn)為在未來的十年內(nèi)，可能有20%的汽車均將采用混合動力技術(shù)。我國混合動力汽車的研究起步較晚。但是所開發(fā)的混合動力電動汽車大部分都是串聯(lián)式的，只是在原有汽車上簡單地加載發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)機(jī)組，技術(shù)的集成度較低，缺乏高度自動化的控制系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)，兩種動力源只是簡單結(jié)合，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，這與真正意義上的混合動力電動汽車，與國外的先進(jìn)技術(shù)水平相比還有很大距離。主要的內(nèi)容包括：電動汽車(包括EV和HEV)的總體設(shè)計，先進(jìn)的電池技術(shù)，電動機(jī)及控制驅(qū)動系統(tǒng)，整車監(jiān)控與管理系統(tǒng)、使用環(huán)與配套技術(shù)等?；旌蟿恿﹄妱悠嚨暮诵募夹g(shù)可以分為硬件和軟件兩大部分。驅(qū)動能控制，再生制動能控制以及各部件自身擁有的控制系統(tǒng)等都屬于能量控制的組成部分。上層的管理系統(tǒng)從宏觀層面作控制決策并將相應(yīng)的信息輸送到各部件控制系統(tǒng)，再由這些部件控制系統(tǒng)控制實現(xiàn)各種要求動作，同時下層的控制系統(tǒng)也不斷向上層管理系統(tǒng)反饋狀態(tài)信息，實現(xiàn)上層控制系統(tǒng)的實時管理。由于各部件控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和電動汽車上都有了較完善的發(fā)展，因此混合動力電動汽車能量控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)應(yīng)該集中在上層管理系統(tǒng)的設(shè)計中，這也是整個混合動力電動汽車硬件和軟件設(shè)計的重點(diǎn)[3]。在目前混合動力汽車的結(jié)構(gòu)沒有大的突破的情況下，人們將更多的研究轉(zhuǎn)移到控制策略上來，如何優(yōu)化控制策略是實現(xiàn)混合動力汽車低油耗、低排放目的的關(guān)鍵所在。在混合動力汽車發(fā)展的初期，其最優(yōu)控制方法依據(jù)內(nèi)燃機(jī)萬有特性圖，采用最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)曲線方法，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。為了更好地管理電池能量，提高整車效率，又逐漸演化出模式控制方法。本田的Insight汽車就采用了這種方法。目前國內(nèi)外混合動力汽車的優(yōu)化控制策略基本上都是根據(jù)汽車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和蓄電池荷電狀態(tài)所確定的，主要可分為兩大類型，一種是以汽車循環(huán)工況(如ECE，EUDC等)的燃油消耗量最小為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略少。也有采用模糊邏輯控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論來研究控制策略，其目的也是使混合動力系統(tǒng)油耗或功率損耗達(dá)到最小。這些控制策略都沒有考慮汽車未來路線和車速對當(dāng)前控制策略的影響，大多不能完全正確確定和動態(tài)調(diào)整汽車切換轉(zhuǎn)入充電工況或放電工況的最佳時機(jī)，導(dǎo)致汽車在實際道路上運(yùn)行時制動能量無法充分回收，發(fā)動機(jī)的實際耗油量并沒有得到最大程度的減少，如當(dāng)汽車正以中低車速勻速行駛，且?guī)追昼姾笃噷⒎€(wěn)速下坡，按現(xiàn)有的控制策略，此時蓄電池處于充電或者空閑狀態(tài)，這樣蓄電池就不能充分回收汽車下坡時的再生制動能量。K．M等提出采用模型預(yù)測控制法結(jié)合動態(tài)規(guī)劃算法作為控制策略，由GPS、道路交通圖，交通信息等預(yù)測未來汽車的行駛狀態(tài)，作為初步研究該文假設(shè)未來車速為多個勻速過程只考慮層高的變化，其仿真結(jié)果油耗比傳統(tǒng)車降低了20%，汽車節(jié)油效果隨著預(yù)測視距的減少而減少，但這種效果尤其取決于未來的需求轉(zhuǎn)矩圖和蓄電池容量。LJohannesson等通過對三種控制器的計算仿真的比較得出，基于GPS的汽車未來狀態(tài)預(yù)測，采用隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃進(jìn)行全局優(yōu)化的控制器其優(yōu)化性能幾乎與理想控制器一樣，而基于當(dāng)前汽車狀態(tài)的控制器效果最差。其中基于動態(tài)規(guī)劃的全局優(yōu)化真正實現(xiàn)了循環(huán)工況的最優(yōu)油耗，但由于在線計算量大等客觀原因該策略還無法應(yīng)用到實車中去，更多的研究是將其作為一個理想的參考值來評價其他控制策略的優(yōu)劣性。提出了一些提高動態(tài)規(guī)劃算法效率的方法，重點(diǎn)是將非線性的動態(tài)系統(tǒng)簡化為近似線性的靜態(tài)系統(tǒng)，采用二次規(guī)劃求解最優(yōu)問題，結(jié)合模型預(yù)測控制進(jìn)行在線實時仿真，其性能與動態(tài)規(guī)劃算法的實時仿真結(jié)果差別并不明顯；對于汽車未來狀態(tài)的預(yù)測提出了通過對當(dāng)前時刻的某兩個參數(shù)計算出下一個時刻的功率需求而不采用GPS等進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)測，這樣大大提高了在線計算效率，經(jīng)過仿真研究，該控制策略盡管油耗不及理想油耗，但完全可以應(yīng)用到實車中去[8]。另一個實驗是選用相同并聯(lián)模型車，在相同城市路況下，選用ADVISOR內(nèi)置不同仿真策略也是通過燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放性對比，用來判斷城市路況下最可行的控制策略。它的主要特點(diǎn)為：電力驅(qū)動是唯一的驅(qū)動模式，只有電動機(jī)直接與驅(qū)動橋相連接，而發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)直接連接產(chǎn)生電能，來驅(qū)動電動機(jī)或者給蓄電池充電。由于在發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械連接沒有離合器，因而它有一定的靈活性。因此，發(fā)動機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和低的排放指標(biāo)。因此可以選擇較小功率的發(fā)動機(jī)。(4) 發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間沒有機(jī)械連接，整車的結(jié)構(gòu)布置自由度較大。(5) 要起到良好的功率平衡作用，又要避免電池出現(xiàn)過充電或過放電，需要較大容量的電池。串聯(lián)型混合動力汽車發(fā)動機(jī)能保持在最佳工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在低速、加速等工況，而在汽車中高速行駛時，由于其電傳動效率低，抵消了發(fā)動機(jī)油耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此串聯(lián)型混合動力汽車更適合在市內(nèi)，低速運(yùn)行的工況；在繁華的市區(qū)，汽車在起步和低速運(yùn)行時，還可以關(guān)閉發(fā)動機(jī)，只利用電池輸出功率，使汽車達(dá)到零排放的要求。從概念上講，它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低排放和燃油消耗。與串聯(lián)混合動力電動汽車比較，它只需兩個驅(qū)動裝置—發(fā)動機(jī)和電動機(jī)，而且，在蓄電池放完電之前，如果要得到相同的性能，并聯(lián)式比串聯(lián)式混合動力電動汽車的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的體積要小。這樣的結(jié)構(gòu)形式和控制方式，使并聯(lián)式混合動力汽車具有如下特點(diǎn)：(1) 發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動汽車，因此發(fā)動機(jī)輸出能量的利用率較高，當(dāng)汽車的行駛工況是發(fā)動機(jī)在其最佳的工作范圍運(yùn)行時，其燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式的高。(3) 當(dāng)電機(jī)作為輔助驅(qū)動系統(tǒng)時，功率也可適當(dāng)減小。(5) 如果裝備發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的功率也可較小。(7) 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。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。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。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(diǎn)，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)?；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。 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(diǎn)，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)。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。本文的研究即是基于此類驅(qū)動系統(tǒng)。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。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。 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。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。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。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。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。設(shè)計控制策略時主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：(1) 優(yōu)化發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)——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(diǎn)；(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(diǎn)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剑员阍谄鹌嚰铀贂r能提供足夠的功率，在汽車制動或下坡時回收能量。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。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。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。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]。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。(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。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。(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。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)) 。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。　并聯(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。(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)。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。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。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(dú)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。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。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。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。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。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。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。德國學(xué)者Ulrich