插電式混合動力汽車能量控制策略

李曉飛

摘要：環境污染和能源短缺成為近幾年來汽車工業發展面臨的兩大難題，各國政府和汽車使用人員的節能減排意識在不斷加強，大力發展新能源汽車成為汽車工業可持續發展的大勢所趨。作為一種介于傳統混合動力電動汽車HEV和純電動汽車EV之間的新型混合動力汽車，插電式混合動力電動汽車（Plug-inHEV）因既可以利用非車載充電裝置充電來保證一定距離的純電動續駛里程，又可以用混合動力模式長途行駛來降低燃油消耗率，而成為最終向清潔能源汽車過度的最佳選擇。

關鍵詞：插電式混合動力汽車；能量管理；策略研究

引言

隨著我國汽車保有量的逐年增加，汽車能夠給人們帶來更多的方便。同時人類也面臨著許多問題，例如，石油資源的短缺和大氣污染等。所以純電動汽車以及混合動力汽車越來越受到人們的關注。純電動汽車之所以能夠實現零排放，因為純電動汽車是解決石油資源短缺和大氣污染問題的理想途徑之一。由于電池技術、充電站以及續駛里程的種種因素限制了純電動汽車的發展。由于插電式混合動力汽車即可以做到短途行駛零排放，節能環保，又可以做到增加續駛里程，不影響長途駕駛的需求，所以成為發展的重點。所以本文重點對插電式串聯混合動力汽車的能量管理控制策略進行研究。

1能量管理控制策略研究

插電式串聯混合動力汽車與燃油汽車相比有多種工作模式，插電式混合動力汽車的核心內容是在多種工作模式下的控制策略的制定。控制策略不僅直接決定了汽車整車的動力性能，也決定著汽車的經濟性，所以本文與傳統控制策略相比，提出了一種基于駕駛員需求的能量管理控制策略。

1.1插電式串聯混合動力汽車的工作模式

插電式串聯混合動力汽車具有兩個能量源，一個是電池，一個是發動機-發電機組，因此它有多種工作模式。又由于混合動力汽車能夠實現制動能量回饋，所以在整車行駛過程中，插電式串聯混合動力汽車具有以下幾種工作模式。

1）純電動模式

插電式串聯混合動力汽車的常用模式是純電動模式，光由電池提供電能給驅動電機，這種模式常用于短途行駛，其工作原理與純電動汽車完全相同。這種工作模式下可以做到整車零排放和零污染，并且電能來源于電網充電，經濟性比較好。

2）發動機-發電機組單獨驅動模式

發動機-發電機組單獨驅動模式是利用發動機-發電機組提供電能。能量來源于發動機將化學能轉化為動能，再驅動發電機發電，并且沒有多余的能量給電池充電。

3）電池與發動機-發電機組共同驅動模式

在這種工作模式下需要驅動電機提供較大的功率，而且電池還得提供電能的情況下，這時電池和發動機-發電機組共同提供電能給驅動電機。這種模式常用在汽車爬坡或急加速等功率需求較大的情況下。

4）發動機-電機組驅動+充電模式

這種模式是當電池組的SOC值低于門限值時，發動機-發電機組工作。發動機-發電機組提供的電功率遠遠大于整車的驅動需求，因此把多余的能量給電池充電。

5）能量回收模式

這種模式是當汽車在下坡或制動過程中，由車輪反拖驅動電機發電給電池充電，而且驅動電機也會提供一定的反拖制動力。這種模式下電池和發動機-發電機組均不提供電能。

本文插電式串聯混合動力汽車將遵循控制策略在5種工作模式中進行變換，以實現在不同工況下兼顧汽車整車動力性和經濟性。

2現有能量管理控制策略的發展過程與分析

本文針對插電式串聯混合動力汽車的能量管理控制策略進行研究，首先從現有的能量管理控制策略出發。

現在的控制策略都是通過對發動機-發電機組的開關控制，然后以電池SOC值作為門限值，根據SOC值的變化來判定發動機-發電機組的開關。當汽車以純電動模式行駛一段時間后電池的SOC值會降低，當汽車電池的SOC值小于最低門限值SOC_min時，發動機-發電機組開始工作從而為整車提供電能，使整車進入混合動力工況。如果汽車在行駛過程中，電池的SOC值高于最高門限值SOC_max時，發動機-發電機組將關閉，使整車進入純電動工況。當汽車電池電量在SOC_min與SOC_max之間時，發動機-發電機組將維持之前的工作模式，進入保持模式。

這種控制策略是各種控制策略的基礎，任何控制策略都要遵循這個大原則。這種控制策略的目的是盡可能的讓整車保持純電動行駛，這樣就可以保證汽車在電池電量比較充足時處于純電動行駛，并且可以獲得較好的經濟性和低排放。

隨著對控制策略的不斷研究，人們希望在混合動力工況下能追求更好的經濟性，并且兼顧動力性。首先是發動機單工作點的控制策略，又稱為“恒溫器”式控制策略。也就是混合動力模式下發動機只工作在一個預先設定好的工作點上，發動機的工作點不會隨汽車整車的行駛工況而發生變化，這樣就可以為整車提供穩定的電能。對于此工作點的選擇將會成為影響整車經濟性和動力性的關鍵因素。因此，這種控制策略的核心就在于發動機工作點的選擇，不僅要滿足整車動力還要具有良好的經濟性。

3發動機多工作點控制策略分析

3.1能量管理控制策略的確定

本文根據汽車整車使用的需求，決定選擇發動機多工作點的控制策略。這種控制策略的優點是可以控制發動機的有限個工作點，使其都工作在發動機效率較高的區域，并且可以根據使用需求調整工作點。這種控制策略結合了恒溫器式控制策略和功率跟隨式控制策略，是目前比較好的控制策略之一，選擇了3個點作為發動機的工作點。根據整車的使用需求，發動機的工作點可以在這3個點中進行任意的切換。這樣不僅兼顧了汽車整車的電能需求，而且還能獲得較好的經濟性。

3.2發動機工作點的確定

發動機工作點的確定是發動機多工作點控制策略的一個核心問題，所以發動機工作點的確定需要遵循以下幾個步驟：endprint

1）需要從汽車整車的能量需求出發，分析整車在不同工況下對電能的需求。

2）通過分析發動機MAP圖，能夠找到發動機工作效率比較高的區域。

3）結合整車對于電能的需求和發動機工作效率比較高的區域，初選發動機的3個工作點。在選擇發動機工作點的過程中，要盡可能的使工作點落在發動機的高效區，這樣可以保證較好的經濟性。

3.3發動機工作點變化分析

確定發動機工作點后，在控制策略中至關重要的一個問題是根據什么改變工作點。一般來說就是根據整車的動力性需求來改變工作點。如果整車對電能的需求大則需要發動機-發電機組提供的電能也大。當整車對電能的需求小時，由于考慮經濟性，則要減少發動機-發電機組提供的電能。但是，落實到實際控制策略中，如何體現整車對電能需求和發動機工作點的聯系是本文關注的重點。

根據現有的控制思路，借鑒功率跟隨式控制策略可以時時根據整車的工況來判斷此時整車的能量需求，用來改變發動機工作點，這是比較直接的方式，也就是說整車行駛受到的阻力越大驅動電機消耗的電能也就越大，那么發動機-發電機組就會輸出更多的電能。也有一些人提出了根據不同的車速的改變不同的工作點。這種思路來源于整車車速越高，驅動電機需要的電能也就越大，因此根據車速的不同來調整不同的工作點。但是，這兩種控制策略都存在弊端。不管是根據行駛工況還是根據車速來調整發動機工作點，發動機的工作點變化永遠是滯后于整車的需求，即只有路況或車速變化后整車才會根據變化來做出改變。并且對于根據車速改變發動機工作點的控制思路，就不能做到在低速時發動機提供高功率輸出，這就使得在急加速或者低速爬坡時，本應需求發動機-發電機組提供較多的電能，但是卻無法實現。并且此時電池被迫提供較大能量進行大電流放電，不僅影響電池使用壽命，而且又不能獲得理想的能量分配。所以，本文希望控制策略不僅能做到發動機工作點的改變不滯后于整車需求，即任何時刻發動機-發電機組都能及時提供合適的電能，并且無論低速或者高速，在整車需求發動機-發電機組高功率輸出時都能提供充足的電能。

4基于駕駛員需求的能量管理控制策略

根據加速踏板對驅動電機的控制原理，結合本文給出的基于駕駛員需求的能量管理控制策略，本文最終確定將加速踏板的行程分為3個階段，而且跟發動機設置的3個工作點相對應。根據加速踏板行程的改變，完成發動機3個工作點的改變。該控制策略可以根據駕駛員控制油門踏板調整發動機工作在低功率、中功率和高功率輸出點，具體控制策略圖如圖1.9所示。

當電池SOC值低于SOC_min時進入混合動力工況，混合動力工況下控制策略為：

加速踏板行程處于0%-x%之間時，發動機將以低功率工作點工作。

加速踏板行程處于x%-y%之間時，發動機將以中功率工作點工作。

加速踏板行程處于y%-100%之間時，發動機將以高功率工作點工作。

當電池SOC值高于SOC_max時，進入純電動工況。

這種控制策略不僅引入了駕駛員的控制，而且使發動機工作點的切換不再滯后于整車的性能需求。只要駕駛員深踩下油門踏板，發動機-發電機組便會提高輸出功率以滿足駕駛員的需求。

當然，這種控制策略是第一次引入了駕駛員控制，并非能夠完全的自動控制。但是，這也不會增加駕駛員的駕駛難度，駕駛員只需和操縱普通燃油車一樣，在需要加速時深踩下油門踏板，控制電腦便會同時完成增大發動機一發電機組電能輸出和增大驅動電機扭矩輸出兩個工作。

5結論

本文通過對插電式混合動力汽車資料的搜集、整理與歸納總結，詳細分析目前插電式串聯混合動力汽車的能量管理控制策略的發展與利弊，得到如下結論：

1）由于插電式混合動力汽車具有兩個動力源，而且能夠實現制動能量回饋，所以具有六種工作模式，整車可以在這幾種模式中不斷轉變，可以實現汽車在不同工況下的經濟性和動力性。

2）根據現有控制策略，依據需求扭矩和蓄電池荷電狀態SOC，得出系統最高效率下對應的發動機轉矩和電機轉矩分配情況，控制發動機和電機相應轉矩輸，可以獲得良好的經濟性和低排放性，而且能夠獲得足夠的續駛里程。

3）綜合以往的控制策略，提出了基于駕駛員需求的能量管理控制策略，不僅彌補了以前控制策略的不足，并且通過控制策略使汽車整車具有良好的動力性和經濟性。endprint