混合動力汽車的控制策略

胡紅霞

北汽福田汽車股份有限公司 北京市 102206

近年來，隨著現代交通系統的不斷完善，汽車已經成為人們出行的首選。電動汽車作為一種承載清潔能源、環境友好、自然消耗率低的新興汽車，已經吸引了許多企業。如今，混合動力汽車的發展如此之快，以至于許多汽車制造商將其視為公司發展的一個新的戰略位置。混合動力電動汽車具有豐富的產品類型，根據其運作原理和結構的不同，一般有串聯、并聯以及混合型。本文主要分析了混合動力車的分類和控制策略。

1 混合動力汽車的分類

混合動力汽車是指汽車上同時裝備有電力驅動系統和輔助動力單元的車輛。混合動力電動汽車結合了原動機、電動機和能源存儲設備，將這些結構靈巧地組合在一起，在互不干擾的前提下發揮出動力混合的優勢，讓汽車能夠優先選擇最佳的頻率，與此同時還能減少氣體污染，具有最實用的低排放和低油耗汽車的發展意義。目前，全世界都在致力于開發不同結構形式的混合動力汽車。下面我們分析混合動力車內部驅動結構的三種基本類型。

1.1 串聯系統

這類結構中的電力驅動系統和輔助動力單元是由原動機和發電機組成的。驅動的一系列裝置是遞進作業的關系，發電機先進行發電，然后電能流經控制器使電機運作起來，汽車即可啟動。串聯系統結構中的電池可以控制機器的功率，對其工作狀態加以平衡，讓輸入輸出的功率處在合理的范圍內，保障機器的平穩運行。比如發電機發電量超出了預期，那么多余電量就能被電池吸收，變相給電池充電；發電機不足時，電池則會釋放電能，補足發電機的發電量，讓機器能夠正常運行，確保了系統的平衡。輔助動力設備與系統電機之間沒有機械連接，這樣可以大大提高汽車結構擺放的組合類型，根據個人需要能靈活地做出調整；但控制系統也相應的沒有較好的能量傳輸，需要進行多次的能量轉換，缺乏效率，汽車的最遠單程行駛距離也會受到影響。

1.2 并聯系統

這類系統中，汽車驅動裝置運行不再是遞進關系，而是具備共同作業的能力，發動機和電動機可以同時啟動，這兩者都能互相輔助，并且具有獨立驅動汽車的功能。較之串聯驅動系統的優點在于，發動機能夠直接讓汽車運行起來，不需要再層層遞進，浪費能量傳輸，起到了節能的功效。正因并聯系統有此特點，所以從經濟價值的角度考慮，選擇幾率會高一些。平行傳動系統非常適合城際公路和高速公路，使得汽車能夠穩定地行駛。因為引擎并行驅動系統的狀況是影響汽車的駕駛條件，它是不適合汽車的駕駛條件的情況發生了很大變化。與串聯式結構相比，傳動機制更加復雜，因為需要的變速裝置和動力復合設備。與串聯式比較，并聯式可以使得汽車的行駛里程更長，但是其系統結構相對復雜，要求相對更高，成本也就更高。

1.3 混聯系統

顧名思義，這類系統是將上述串并聯的形式結合在一起的驅動系統。發動機產生的一部分動力傳遞到驅動橋上，另一部分動力用來驅動發電機發電。發電機產生的電能傳遞給電機或電池，電機產生的驅動力通過功率復合裝置傳送給驅動橋。混聯系統工作時，根據汽車行駛時的速度變化，會對內部驅動方式進行相應的調整，最大化節省燃油效率。比如當汽車行駛速度較低時，控制串聯系統工作；汽車行駛速度較快時，控制并聯系統工作。可以看出混聯式的結構更加符合新時代發展的需要，讓汽車能夠最大化的發揮出性能，但相對來說具有更高的工藝要求，無論是制作還是維護都需要專業的技術。混聯系統還有一個關鍵優勢，它能夠讓發動機始終處于最佳的作業狀態，并且可以自動關機，這樣可以讓汽車隨時實現低排放、超低油耗，達到環保節能的效果。

2 混合動力汽車的控制策略

上述控制系統的結構和功能進行簡述之后，如何進行控制策略的優化，是我們著重討論的話題。出于汽車行駛時節能減排的目的，在保證汽車正常駕駛功能和前提下，將成本控制在合理范圍。具體制定控制策略時，還要根據每個地區的特征和車輛運行狀態，對汽車內部串并聯以及混聯系統進行優化，讓發電機和電動機處在最節能和最效率的工作狀態。

控制策略在實際工作中一般分為兩種：直接法，直接將優化目標表示為系統狀態變量、控制變量等的函數；間接法，即最小損失法，通過計算各部件在當前驅動條件下的效率，可以確認其所在的工作系統的整體能量損耗。損耗最小的狀態變量是當前驅動條件下應選擇的狀態變量，如發動機轉矩、轉速、電池放電電流等。驅動條件通常用傳動軸的扭矩和轉速來表示。

2.1 串聯式混合動力車的控制策略

內部串聯的控制系統，只牽扯到能量的損耗，與汽車的行駛路況無關，所以控制策略的主要思想是控制發動機工作在最優效率區和排放區。相應的，為了確保優化策略能發揮出應有的功能，我們要結合發動機和發電機的啟動、電池的傳輸功率等多個因素，務必提高系統結構整體的效率。串聯式混合動力汽車具有以下基本控制模式。

2.1.1 恒溫器控制模式

當蓄電池荷電狀態（SOC）下降到設定的低閾值時，發動機啟動并在最低油耗或排放點輸出恒功率。部分電源用于滿足車輪驅動電源的要求，另一部分用于給電池充電。當電池組的荷電狀態上升到設定的高閾值時，發動機關閉，由電機驅動車輪。此類控制方式，對電池具有較高的要求，各類瞬時功率電池都要能瞬間達到。但長期作業時，電池的這類循環充放電會不可避免地對其造成損耗，進而影響車輛的行駛效率。

2.1.2 功率跟蹤式控制模式

采用這類模式進行控制，要根據電池的荷電狀態確定發動機的開關狀態和輸出功率的大小，目的是滿足設備的功率需求。當發動機的功率需求小于輸出功率時，將發動機的輸出功率調節到最小值。當荷電狀態高于下限值時，整車總需求負荷不超過電池容量，但超過發動機的最大功率，則需要將發動機輸出功率調整到最大。發動機的功率緊跟車輪功率的變化，這與傳統的汽車操作類似。通過這種控制策略，電池的工作周期將會消失，與充放電相關的電池組損耗將會減少到最小。但發動機必須在整個負荷區域內從低到高運行，發動機功率變化快、動態大，會影響發動機的效率和排放性能。解決的辦法是采用自動無級變速傳動（CVT）無級變速器，控制發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。

2.2 并聯式混合動力車的控制策略

采用這類結構的車輛，其內部一般配備有兩套獨立的傳動裝置來驅動車輛運動。它有三種不同的工作模式：發動機可以讓汽車啟動，電動機也可以直接讓汽車啟動，兩個電機聯合進行汽車驅動。并聯混合動力電動汽車作為一種電力作為輔助動力燃料的汽車，當電源提供的功率大于正常運行所需的能源和汽車的制動，發電機發電，引擎提供的剩余能量存儲到電池。當車輛處于加速或爬坡狀態時，需要較大的驅動力。發動機和電動機共同工作，以保證車輛所需的驅動力。當車輛處于低速工況，如城市工況時，由于發動機無法在經濟工作區域內工作，發動機提供了車輛的驅動力。并行混合動力汽車的控制策略包括邏輯門控制策略、瞬時優化策略、全局優化策略和智能算法。本文主要介紹了瞬時控制策略和全局最優控制策略。

2.2.1 瞬時控制策略

通過實時計算瞬時油耗率和排放的發動機和電動機在不同功率分布組合和不同的工作分，電動機的等效燃油消耗和實際發動機的燃油消耗統稱為名義的燃料消耗，以及最優混合動力系統的工作模式和工作點確定在保證最低的前提下名義燃料消耗。具體如下，在某一時刻將能量轉化成為發動機汽車消費的能量消耗的燃料和排放，以及制動能量的恢復和時間消耗的燃料和發動機排放和燃料消耗模型和排放模型，計算出最小值和最小條件最優工作點。

2.2.2 全局優化控制策略

利用最優控制理論和最優方法，提出了混合動力分配控制策略。建立了以車輛燃油經濟性和排放為目標，以系統狀態量為約束條件的全局優化模型，即動態最優控制，并利用相關優化方法計算出最優混合分配策略。

2.3 混聯式混合動力車的控制策略

混聯式的控制策略有發動機恒工作點策略和發動機最優工作曲線策略。

2.3.1 發動機恒工作點策略

控制策略是指車輛采用行星齒輪傳動機構，發動機轉速變化對車輪速度，使發動機工作在最佳工作點，提供恒轉矩，所提供的剩余轉矩電機，由電機提供加速或爬坡時，避免動態調整損壞引擎和電動機控制更敏感、快速、困難。

2.3.2 發動機最優工作曲線策略

使發動機工作在通用特性油耗線上，從靜態通用特性曲線出發，根據跟蹤條件確定最優工作曲線。當需要的功率或轉矩高于某一設定值時，發動機開始工作。當發動機停止工作時，當發電機產生的電流超過電池可接受的電流，或當驅動電流超過電機或電池可接受的容量時，離合器分離或嚙合來調整發動機的工作點。

3 結束語

綜上所述，我們了解了當前的混合動力汽車的控制策略，知道了其利弊。混合動力的控制策略不僅要達到最佳的燃油經濟性、排放性能和動力性能，還要適應不同的工況和駕駛方式，同時考慮電池壽命、各部件的可靠性和整車的成本。今天的混合動力汽車變得越來越流行，人們更青睞于它的優越性，而能量優化控制算法的發展將進一步提高經濟和混合動力汽車的動力性能，以便進一步促進混合動力汽車的發展。