混合動力客車控制策略之我見

鐘 勇 段福海

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混合動力客車控制策略之我見

鐘 勇 段福海

福建工程學(xué)院機電及自動化工程系

本文以混合動力客車為研究對象，在闡述混合動力客車分類、國內(nèi)外研發(fā)情況的基礎(chǔ)上，對各種類型的混合動力客車控制策略進(jìn)行了歸納與總結(jié)，最后給出了混合動力客車控制策略總體目標(biāo)與發(fā)展趨勢的自我見解。

混合動力客車；控制策略；趨勢

1 混合動力客車的分類

混合動力客車按目前分類主要有3種，即串聯(lián)式混合動力客車（SHEB）、并聯(lián)式混合動力客車（PHEB）和混聯(lián)式混合動力客車（SPHEB）。

串聯(lián)式混合動力客車主要由發(fā)動機、發(fā)電機、蓄電池組和驅(qū)動電機等部件組成。發(fā)動機僅僅用于帶動發(fā)電機發(fā)電，而發(fā)電機所發(fā)出的電能供給蓄電池組或驅(qū)動電機，最后由驅(qū)動電機驅(qū)動汽車行駛。制動時，驅(qū)動電機工作于發(fā)電機模式所發(fā)出的電能向蓄電池組充電；紅燈時，發(fā)電機仍可向蓄電池中充電，通過這兩種方式可延長混合動力客車的行駛里程。另外蓄電池組還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動客車，使混合動力客車在零污染狀態(tài)下行駛。在串聯(lián)式混合動力客車中，發(fā)電機和驅(qū)動電機是各自獨立運行的裝置，驅(qū)動電機可以兩用，作為驅(qū)動電機或發(fā)電機。

并聯(lián)式混合動力客車主要由發(fā)動機、發(fā)電/電動機和蓄電池組等部件組成。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)既可以單獨使用發(fā)動機或電動機作為動力源，也可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來驅(qū)動汽車。插接式混合動力客車蓄電池組的電能來自外部電源，部分來自制動時能量的回收。非插接式混合動力客車蓄電池組的電能主要來自內(nèi)燃機模式時邊走邊發(fā)電和制動時能量的回收。在并聯(lián)式混合動力客車中，電機、發(fā)電機是一體機，是“一機兩用”，但工作時只能有一種工作模式。

混聯(lián)式混合動力客車主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、混合器和蓄電池組等部件組成。混合器可以將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三種動力直接或間接地連接起來。此時車輛既不是串聯(lián)式，也不是并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間的混聯(lián)式。它充分利用了兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點，可以在串聯(lián)模式下工作，也可以在并聯(lián)模式下工作，只提控制更為復(fù)雜。

2 混合動力客車國內(nèi)外研發(fā)情況

2.1 國外混合動力客車研發(fā)情況

1991年，重型車制造商日野汽車就開發(fā)了HIMR并聯(lián)式混合動力客車。1997年，韓國亞洲汽車公司研發(fā)了韓國第一輛并聯(lián)式柴油—電動混合動力城市客車。同年4月，豐田公司就發(fā)布了裝載串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的Coaster微型客車。美國紐約從1998年起，使用了由Orion客車公司生產(chǎn)的BAE串聯(lián)式混合動力城市客車。1999年戴姆勒-克萊斯勒在德國上市了新的柴油電機串聯(lián)式混合動力中型客車CITO。2000年，三菱發(fā)布了串聯(lián)式混合動力低底盤主干線路客車，日產(chǎn)柴油發(fā)布了由CNG發(fā)動機和高效電容電驅(qū)動裝置的混合動力客車。2003年，美國俄勒岡州的波特蘭市，Tri.Met公司開始將標(biāo)準(zhǔn)長度的串聯(lián)式混合動力客車投入運營。2003年12月，英國Eneco公司成功地研制出一輛串聯(lián)式混合動力城市客車，并破紀(jì)錄地完成了300英里不間斷的行駛。2004年，美國西雅圖市將裝備有柴油發(fā)動機的混合動力電動客車投入運營。目前，在美國大約有40個不同的城市已經(jīng)使用或計劃使用混合動力客車及技術(shù)。

2.2 國內(nèi)混合動力客車研發(fā)情況

截止2010年8月3日公布的工產(chǎn)業(yè)[2010]第110號文《車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品（第216批）》公告，我國已先后公布了13批次的《節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程推薦車型目錄》，其中混合動力客車共有42款。目前國內(nèi)滿足國家發(fā)展和改革委員會《新能源汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入管理規(guī)則》，符合生產(chǎn)條件的企業(yè)有：廈門金龍旅行有限公司（金旅），中通客車控股股份有限公司（中通），北汽福田汽車股份有限公司，廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司（大金龍），深圳五洲龍有限責(zé)任公司（五洲龍），丹東黃河汽車有限公司（黃河）。

2.2.1中通、安凱

中通客車控股股份有限公司上目錄車型有LCK6121HEV、LCK6101GEV和LCK6101HEV三款混合動力客車。安徽安凱汽車股份有限公司上目錄的車型有HFF6110G03PHEV、HFF6120G03PHEV和HFF6121G03SHEV三款混合動力客車。

以上車型采用的是株洲南車系統(tǒng),其基本型屬于串聯(lián)式系統(tǒng)，可靠性一般，節(jié)油率15%左右。

2.2.2福田、宇通、申沃、青年、恒通

北汽福田汽車股份有限公司上目錄車型為BJ6123C7C4D混合動力客車。鄭州宇通客車股份有限公司ZK6126MGQA9混合動力客車。上海申沃客車有限公司SWB6127HE2，金華青年汽車制造有限公司有JNP6120GHP-1、重慶恒通客車有限公司有CKZ6126HENV3和CKZ6116HEV3。

這些車型使用美國伊頓系統(tǒng)，其基本型屬于并聯(lián)式，發(fā)動機可以單獨工作，即使電驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)故障、電池沒電，車輛仍可使用。使用小容量鋰電池，電機功率較小，屬輕度混合，節(jié)油效果12%左右。

2.2.3一汽、二汽、大金龍

中國第一汽車集團公司上目錄車型有CA6120URH1、CA6120URH2混合動力客車，東風(fēng)汽車公司有EQ6110HEV混合動力客車，廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司有XMQ6127GH1、XMQ6125GH和XMQ6125GH1三款混合動力客車。

以上車型系東風(fēng)系統(tǒng)，其基本型屬仿伊頓并聯(lián)式系統(tǒng)，系統(tǒng)貴，可靠性一般，節(jié)油效果12%左右。

2.2.4五洲龍

五洲龍上目錄車型有：FDG6112HEVG、FDG6111HEVG1、FDG6111HEVG2。其基本型系自主研發(fā)系統(tǒng)，屬于并聯(lián)式，儲能元件是超級電容+電池，但需外接電源充電，使用成本高，節(jié)油效果15%左右。

2.2.5黃海

丹東黃海汽車有限責(zé)任公司股有限公司上目錄的車型有DD6118HES21混合動力客車，系自主開發(fā)系統(tǒng)，屬混聯(lián)式系統(tǒng)，儲能元件是超級電容+電池，可靠性一般。節(jié)油率20%左右。

2.2.6金旅

廈門金龍旅行車有限公司上目錄的車型有XML6125JHEV93C、XML6125JHEV13C和XML6125JHEV98C三款混合動力客車，系自主開發(fā)的系統(tǒng)，屬混聯(lián)式系統(tǒng)，儲能元件是超級電容+電池，可靠性良好，節(jié)油率25%左右。

3 混合動力控制策略

控制策略是企業(yè)的核心技術(shù)，是企業(yè)贏得市場的關(guān)鍵所在，是不會也不可能向外界透露細(xì)節(jié)的。外界只有通過系列試驗才能實測獲得或猜測有關(guān)產(chǎn)品的控制策略。從文獻(xiàn)上獲得的控制策略往往是停留在理論層面上。

控制策略和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式有著關(guān)系密切，有什么樣的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)就決定了產(chǎn)品能有什么樣功能，有什么樣的功能就決定了能采取什么樣的控制策略。

3.1 串聯(lián)式混合動力客車的控制策略

SHEB有6種工作模式：純電動模式（發(fā)動機不工作，蓄電池供電給電機驅(qū)動車輛行駛）、純發(fā)動機模式（發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電存儲在蓄電池組中，車輛不行駛）、混合驅(qū)動模式（發(fā)動機帶動發(fā)電機供電，且蓄電池組也供電，二處電力混合驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)從而驅(qū)動車輛行駛）、行車充電（發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，其中一部分電能提供電機驅(qū)動車輛行駛，另外一部分多余電能則存儲在蓄電池組中）、減速制動能量回饋模式（在車輛減速制動時，驅(qū)動電機作為發(fā)電機工作，將所發(fā)的電能儲存在蓄電池組中）和怠速停車模式（遇紅燈發(fā)動機怠速或停車時，對發(fā)動機和發(fā)電機的控制）。其動力系統(tǒng)按工作分工可劃分為：驅(qū)動，發(fā)電和輔助動力系統(tǒng)3部分。驅(qū)動系統(tǒng)主要是驅(qū)動電機，發(fā)電系統(tǒng)則包括內(nèi)燃機和發(fā)電機，輔助動力系統(tǒng)為風(fēng)扇、空調(diào)系統(tǒng)等輔助的動力系統(tǒng)。

SHEB不是通過發(fā)動機直接驅(qū)動汽車行駛，控制策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動機在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作并驅(qū)動發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。串聯(lián)式混合動力汽車有兩種基本控制模式：恒溫器控制模式和功率跟隨控制模式。

3.1.1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)動機啟動，在最低油耗(或排放)點按恒功率輸出，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)動機關(guān)閉，由電機驅(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，但蓄電池組的過度循環(huán)會使動力系統(tǒng)的效率降低。這種控制模式對發(fā)動機比較有利，而對蓄電池要求很高。

3.1.2功率跟隨控制模式

采用自動變速器(如AMT)，通過自動調(diào)節(jié)AMT速比，控制發(fā)動機沿最小油耗曲線、最低排放曲線或綜合曲線運行，發(fā)動機的功率緊跟車輪功率的變化，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(guān)的蓄電池組損失被減少到最低程度，此策略在采用自動變速器的客車中目前應(yīng)用較多，但整車成本較高。

串聯(lián)式混合動力汽車現(xiàn)在的研究方向是將上述兩種控制模式結(jié)合起來使用，充分利用發(fā)動機和電池的高效率區(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，可采用功率跟隨模式；而當(dāng)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。

3.2 并聯(lián)式混合動力客車的控制策略

并聯(lián)式混合動力客車有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機系統(tǒng)上增加了一套電機驅(qū)動系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)既可以同時協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨工作驅(qū)動客車。這種系統(tǒng)適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況。

并聯(lián)式混合動力客車一般減小了傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的功率，避免“大馬拉小車”的現(xiàn)象，同時增加一套電傳動驅(qū)動系統(tǒng)，在汽車高速或加速行駛的時候提供部分行駛功率，并當(dāng)電池SOC 不足時給電池充電，以優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)間，在制動工況回收一部分制動能量，從而提高整車的燃油經(jīng)濟性和降低排放。

PHEB的基本工作模式也有6種，包括純電動模式、純發(fā)動機模式、混合驅(qū)動模式、行車發(fā)電模式、減速制動能量回饋模式和起動停車模式。與SHEB不同的是，純發(fā)動機模式并不是發(fā)電，而是直接驅(qū)動車輛行駛；混合驅(qū)動模式也不是僅僅同時工作，而是發(fā)動機和電機均驅(qū)動車輛行駛；行車發(fā)電模式也不是將所發(fā)電一部分電源驅(qū)動電機，并將多余的電儲存在蓄電池組中，而是發(fā)動機一邊驅(qū)動車輛行駛，富裕功率則帶動電機發(fā)電機裝置發(fā)電給蓄電池組充電。

并聯(lián)式混合動力總成可采用的控制方法有邏輯門限值控制、動態(tài)自適應(yīng)控制、邏輯模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制四種。由于邏輯門限值控制方法快速簡單、實用性較強，因此國外的樣車和產(chǎn)品車型大部分都采用這種控制方法。采用其他三種復(fù)雜的控制方法需要采集和運算的數(shù)據(jù)量非常大，特別是要實時采集大量的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)計算發(fā)動機的最佳油耗點和最佳排放點，并在運行中實時跟蹤兩點數(shù)值的變化，使控制系統(tǒng)的軟件和硬件都過于復(fù)雜。另外，三種復(fù)雜控制方法對目標(biāo)的改善效果在很大程度上依賴于發(fā)動機的動態(tài)模型精度和運行數(shù)據(jù)的實時快速檢測的精度，精度的偏差導(dǎo)致目標(biāo)效果明顯惡化。

采用邏輯門限值控制方法可以以整車油耗和排放最佳為控制目標(biāo)，可以同時限制電池和發(fā)動機工作區(qū)間的控制策略，通過設(shè)定門限值，將發(fā)動機控制在高效率區(qū)運行，提供要求的轉(zhuǎn)矩；電機作為載荷調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)需要大轉(zhuǎn)矩輸出時參加驅(qū)動，當(dāng)需要小轉(zhuǎn)矩輸出時吸收發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進(jìn)行發(fā)電，并將電池組的電量狀態(tài)維持在高效率區(qū)間內(nèi)。

3.3 混聯(lián)式混合動力客車的控制策略

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,使得能量流動的控制和能量消耗的方式有了更大的靈活性和可能性。從控制策略的角度來看，它更為復(fù)雜。由于工況的唯一性，它的控制策略在某一工作點要么工作于串聯(lián)、要么工作于并聯(lián)，因此，混聯(lián)式混合動力客車控制策略是以上兩種控制策略的綜合。

混聯(lián)式混合動力客車控制策略跟混合器的結(jié)構(gòu)型式也有非常密切的關(guān)系。由于混合器結(jié)構(gòu)型式的多樣性，導(dǎo)致混聯(lián)式混合動力客車控制策略更加復(fù)雜多變。

廈門金旅的混合動力客車由于其結(jié)構(gòu)的特點而有其獨特的控制策略，如圖1所示。金旅混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括：發(fā)動機、驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器、電控離合器、永磁發(fā)電機、混合動力控制器及儲能元件（超級電容）。該系統(tǒng)的工作模式為：在車速低于某一臨界車速時離合器分離，工作于混合驅(qū)動模式（串聯(lián)模式），發(fā)動機帶動發(fā)電機給動力電池充電，動力電池為電動機提供電力驅(qū)動車輛，此時僅由電動機經(jīng)過傳動軸驅(qū)動后橋行駛；在車速高于這一臨界車速勻速行駛時，離合器結(jié)合，工作于純內(nèi)燃機驅(qū)動模式，發(fā)動機提供動力，發(fā)動機平穩(wěn)工作，發(fā)動機經(jīng)過離合器、電動機、傳動軸驅(qū)動后橋前進(jìn)，此時電動機的轉(zhuǎn)子僅作為傳動軸的一部分在旋轉(zhuǎn)運動；在車速超過這一臨界車速并加速行駛時，工作于混合驅(qū)動模式（并聯(lián)模式），除了發(fā)動機經(jīng)過離合器、電動機、傳動軸驅(qū)動后橋前進(jìn)外，電動機也經(jīng)過傳動軸驅(qū)動后橋前進(jìn)，此時為兩套驅(qū)動系統(tǒng)共同驅(qū)動；減速或制動時，工作于再生制動模式，電機再生制動回收能量，驅(qū)動橋帶動電動機（再生發(fā)電）為動力電池充電，進(jìn)行能量回收。總而言之，金旅串聯(lián)模式采用的是恒溫器式控制策略，并聯(lián)式采用邏輯門限傎控制策略。

圖1 金旅的第三代混合動力客車控制策略示意圖

4 控制策略的發(fā)展趨勢

底盤結(jié)構(gòu)的不同決定了混合動力客車擁有不同的工作模式，而工作模式的不同又決定了可以采取不同的控制策略來控制混合動力客車的正常運行。總體來說，混合動力客車控制策略的目標(biāo)非常明確就是“在不影響汽車動力性前提條件下，更加節(jié)能更加環(huán)保”，對它的研究有如下三條發(fā)展趨勢：

4.1 更加節(jié)能和環(huán)保：節(jié)能和環(huán)保是混合動力客車得以大面積推廣運用的源頭所在。當(dāng)混合動力客車的結(jié)構(gòu)一旦確定下來，采用什么的控制策略便是重要問題，而首要考慮的便是誰更節(jié)能、誰更環(huán)保。

4.2 更加精確和迅速：控制精度的提高、反應(yīng)速度的提升均能有效地提高節(jié)能與環(huán)保的目標(biāo)，這一切與控制器的性能、控制算法的繁簡與科學(xué)性有密切的關(guān)聯(lián)。

4.3 更加自適應(yīng)：目前來看，混合動力客車一般均運行于固定的路段，這對進(jìn)一步提升節(jié)能與環(huán)保的力度埋下了伏筆，因為現(xiàn)有控制策略的理論研究來自于理想路段。未來的控制策略具有自學(xué)習(xí)特性，可以根據(jù)運行路段的特點而主動地修改有關(guān)參數(shù)，達(dá)到更加節(jié)能與環(huán)保的目的。

[1] 舒紅,秦大同,胡建軍.混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].重慶大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2001(11).

[2] 古艷春,殷承良,張建武,等.并聯(lián)混合動力汽車控制系統(tǒng)設(shè)計及控制策略研究[J]. 高技術(shù)通訊, 2007(12).

[3] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部網(wǎng)站：http://www.miit.gov.cn/.

On Hybrid Electric Bus Control Strategies

Zhong Yong，Duan Fuhai

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

Hybrid electric bus types and the bus’s development at home and abroad were discussed. The control strategies of diversified electric buses were summarized. A view on the overall goal and developmental orientation of the control strategies of the hybrid electric bus is presented.

hybrid electric bus; control strategy; orientation

福建省教育廳項目（JA08166），福建省科技平臺建設(shè)項目（2008J1002）。