混合動力汽車能量控制與管理存在問題與對策建議

李建平

摘 要：混合動力汽車集合了兩種動力模式（發動機和電動機組）。其具備純電動與傳統汽車的雙重優勢，根據不同的內部結構，不同的能量管理策略分別管理著不同的部件之間的能量流動。通過研發大容量能量儲備與高效率充放電的電池，進而來更新與優化整車的能源控制與管理系統，提高基于優化PHEN能量管理策略的工程應用性能是行業目前需解決的問題。

關鍵詞：混合動力汽車;能量控制與管理策略;超級電容電池

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.028

1 混合動力汽車發展的現狀

（1）混合動力汽車發展的現狀。1900年至今，Hybrid Electric vehicle 混合電動汽車已提出百年，基于汽車產業欣榮發展的背景，國內已重點扶持混合動力的研發與生產。當前汽車主流趨勢面臨著必須對傳統汽車進行更新換代，但同時純電動與其余能源汽車的續航、成本、壽命與穩定性均不足，原因是其電池與相關技術的儲備不充分。 混合動力汽車集合了兩種動力模式（發動機和電動機組）。其具備純電動與傳統汽車的雙重優勢，預測是國內當前20年的研究重點。

（2）能量控制與管理策略的現狀混合動力根據其分類方式，為并聯、串聯、復聯、混聯四種分類方式。

根據不同的內部結構，不同的能量管理策略分別管理著不同的部件之間的能量流動。當前主流的能量管理策略算法為：

1）基于規則的算法：此類算法大多是預定義缺失的行駛循環工況下，采用的數學模型、創新式算法。此類型的算法可以能源效率、排放方面取得良好的成果，但是一般并不是所有工況的最優解。針對高非線性系統可采用模糊型基于規則的算法[1]，但是此種算法無軌跡可循。

2）基于優化的算法：當模型具有具體數值可分析時，并有形式固定工況時，一般使用全局最優策略控制算法，而實時最優策略控制算法一般用于瞬時代價函數時。

2 混合動力汽車能量控制與管理存在問題

（1）與純電動汽車對比分析：從國家戰略角度，純電動汽車是國家對于汽車產業技術升級的預期目標，串聯（增程式）與并聯（插電混動）等混合動力汽車都是對于汽車產業技術空白的過渡產品，基于純電動汽車的技術瓶頸電池容量與充電效率，混合動力為了規避這些問題，采用了發動機與電動機組，核心為解決對目標的期望與被獲取的車輛中性能的轉換的控制。進而對能量進行控制與管理。

1）期望的目標性能指標：①燃油消耗。②有害氣體排放。③舒適性。④延長電池組壽命。

2）串聯式能量傳遞結構，優點為：發動機與驅動結構沒有進行耦合，發動機可工作在萬有特性曲線圖上的任意一點。 而缺點：能量進行二次傳遞，并不適合復雜的工況[2]。

3）并聯式能量傳遞結構，優點為：發動機與電動機可分別控制驅動系統，功率不被二次轉化。 而缺點：動力源需要復雜的耦合機械，對動力進行能量分配，實際工作點難以被限定在所需的理想范圍內。零件、結構較為復雜。

4）混聯、復聯式能量傳遞結構：效果好，但結構與控制系統復雜程度更甚。

（2）與傳統燃油對比分析：混合動力汽車與傳統燃油對比的關鍵，是保證先進的控制技術其如前所述，是傳統燃油汽車與純電動汽車的一種過渡性車型，控制技術涵蓋多學科。混合動力汽車的核心技術包含驅動電動機的控制技術、動力電池與管理系統、整車的能量流動管理系統、能量回收系統、現代車輛自動控制技術等[3]。

混合動力汽車依據不同的工況，具有相當靈活的驅動動力模式，大程度的提升各種期望目標，但其驅動系統切實涉及發動機和驅動電機的啟動與斷路。驅動系統設計復雜的“連續變量的動態系統”“離散變量系統”[5]等，因此具有典型的特征：混雜特性。

3 混合動力汽車能源控制與管理促進發展的對策建議

（1）超級電容電池[4]：純電動汽車與混合動力對車載電池的強大性能都具有依賴性，具有突破式性能的車載電池對整車的能源經濟性、能源動力性都程線性比例指數上升，是目前國內外迫切的一個研發課題，超級電容電池無疑是改變混合汽車與純電動汽車的一個良好途徑，通過研發大容量能量儲備與高效率充放電的電池，進而來更新與優化整車的能源控制與管理系統。

目前主流的車載電池有鎳氫電池與鋰離子電池等，難以保證充放電效率和電池使用循環壽命，而超級電容電池，具有不錯的溫度特性且擁有良好的高比功率，超長的使用循環壽命。超級電容電池目前具有非常大的潛能。目前國內做過的高性能超級電容與普通鎳氫電池對比，其中充放電效率為60-240倍數。超級電容電池目前是被社會、行業廣泛關注的機動平臺的電能載體，但針對于超級電容的數學模型等研發還處于發展中階段。

（2）開發混合動力整車能量控制策略：要制定混合動力能量控制策略，首先必須制定目標控制對象、控制方式。主流目標控制對象為：整車燃油消耗與排放、電池電量消耗最小。而第一個控制對象則是混合動力汽車能量控制策略的發展趨勢。

當前，基于規則的能量管理策略已經處于實車中開發應用，開始進行產業化，但是此規則算法拘泥于算法其本身的局限性質，使得此類型控制策略本身在實際中并不能完全滿足實際需求。而基于優化HEV的能量管理策略中，PD控制策略類型雖然已經趨向成熟，但是其在實際運動場景的不可預測性的全局擾動使得此算法在無實際工程應用價值，ECMS/PMP算法則未達到工程應用的程度。[6]提高基于優化PHEN能量管理策略的工程應用性能是行業目前需解決的問題。

參考文獻：

[1]劉洋.基于自適應動態規劃控制策略的混合動力電動汽車能量管理研究[D].長春：長春工業大學，2018.

[2]荊紅娟.基于模型預測控制的四驅混合動力汽車能量管理策略研究[D].合肥：合肥工業大學，2018.

[3]尚志誠，劉一鳴.混合動力汽車能量優化綜述[J].汽車實用技術（新能源汽車），2019（07）：29-31.

[4]趙竟園.車用超級電容建模及在混合動力汽車中的應用[D].吉林：吉林大學，2018.

[5]田翔.并聯混合動力汽車模式切換動態協調控制與能量管理優化研究[D].鎮江：江蘇大學，2018.

[6]徐賽培.ISG混合動力汽車模型預測控制能量管理策略[J].火力與指揮控制（工程實踐），2018（06）：171-174.