并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略的分析

秦嶺

武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430000

1 引言

汽車的發(fā)展歷史已經(jīng)超過(guò)一百年，它在人類社會(huì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。其發(fā)展速度的加快，和人們生活聯(lián)系越來(lái)越緊密。汽車已經(jīng)和人類的生活密切相關(guān)，它已然不是一個(gè)普通的代步和運(yùn)輸工具。汽車的發(fā)展速度和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步程度，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家或區(qū)域的里程碑。但是人類在汽車的使用過(guò)程中，汽車既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，在汽車帶來(lái)方便的同時(shí)，雖然給人類帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，也給社會(huì)造成了嚴(yán)重的環(huán)境惡化和能源稀缺問(wèn)題。

資料表明，燃油汽車對(duì)環(huán)境的污染占了很大的成份，它的排放包括一氧化碳，氮氧化合物等，交通業(yè)帶來(lái)的不僅僅是空氣污染還有將近83%的噪聲污染也來(lái)自于它。廢氣、噪聲以及飛揚(yáng)的粉塵都是由于汽車大量使用造成的，以及環(huán)境被破壞的越來(lái)越來(lái)越厲害，現(xiàn)在許多人患的一些疾病都是由于這些原因造成的。

混合動(dòng)力汽車是由電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的，它是老式汽車和電動(dòng)汽車合理的結(jié)合體。混合動(dòng)力汽車的廢氣排放很低，這是最原始的汽車所不能達(dá)到的。這類車與最原始的車的性能相比較而言經(jīng)濟(jì)性要高出許多，例如它的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到了最佳的效果，排放的污染物也相對(duì)低的多。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜是由于它擁有好幾個(gè)電力設(shè)備，以及它的關(guān)鍵是幾種工作模式之間的變換。所以混合動(dòng)力汽車的控制策略不僅是能量掌控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且也對(duì)降低油耗和排放問(wèn)題起著至關(guān)重要的作用。

2 混合動(dòng)力汽車控制策略概述

2.1 混合動(dòng)力汽車的分類及其特點(diǎn)

由于其它國(guó)家研究的混合動(dòng)力汽車有很多的構(gòu)造形態(tài)，按照它不一樣的驅(qū)動(dòng)體系，其可以劃分成串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種方式。

（1）串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

啟動(dòng)汽車主要是通過(guò)發(fā)電機(jī)發(fā)電。汽車所需要的動(dòng)力是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，當(dāng)車輛行駛速度改變的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)力是不相同的，電池所需的電能由發(fā)電機(jī)提供（吸取多余的能量），或電池放電到電機(jī)（幫助發(fā)電機(jī)提供電能）。由控制器依據(jù)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的改變狀況對(duì)電池充電和放電電流的巨細(xì)實(shí)行掌控。

串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)：

①發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間沒(méi)有機(jī)械連接，所以發(fā)動(dòng)機(jī)可以任何一點(diǎn)上工作，這樣可以有效降低油耗。

②與其它方法相比，總量控制策略較為簡(jiǎn)單，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間是靠機(jī)械解耦實(shí)現(xiàn)的。

串聯(lián)方式的缺點(diǎn)：

①經(jīng)過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量才能到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，損失的能量多，效率低。

②發(fā)動(dòng)機(jī)的使用增大了車輛質(zhì)量和成本。

③電動(dòng)機(jī)是使車輛啟動(dòng)的動(dòng)力源，為了滿足汽車爬坡和加速時(shí)所需的性能要求必須擁有較大的尺寸。

（2）并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋的連接方式是不同的，發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋之間是由機(jī)械傳動(dòng)裝置將它們兩者相連，而電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋之間的連接卻不是如此。混合動(dòng)力汽車可以由這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)一起提供動(dòng)力或者它們獨(dú)自提供。這類汽車的布局是一種綠色動(dòng)力能源汽車可以達(dá)到污染零排放，且在低轉(zhuǎn)速區(qū)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器分開(kāi)，靠純電動(dòng)的方式把汽車發(fā)動(dòng)起來(lái)。

并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)：

①發(fā)動(dòng)機(jī)能夠直接給車輛提供動(dòng)力，不需要能量轉(zhuǎn)換，從而減少能源的損耗。

②一個(gè)電機(jī)既可作為電動(dòng)馬達(dá)使用，也可作為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用，而且可以采用一個(gè)較小功率的電機(jī)，降低成本。

并聯(lián)方式的缺點(diǎn)：

①發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間是機(jī)械連接，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)不一定是在最好的區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)效率不能充分發(fā)揮。

②需要搭載變速器，且適合搭載自動(dòng)變速器。

③混合度較低，不便于向插電式式混合動(dòng)力過(guò)度。

（3）混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力有的用來(lái)增扭轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)矩傳遞方向，還有的用來(lái)給發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。電機(jī)產(chǎn)生的電能傳遞到所需要的裝置；復(fù)合裝置是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)橋的橋梁。這類布局可以更好的改善汽車的完美性，但它的結(jié)構(gòu)的控制相對(duì)麻煩，設(shè)計(jì)起來(lái)比較麻煩還有造價(jià)比較高。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作沒(méi)有任何因素的影響，一直處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)或自動(dòng)停止，這樣可以實(shí)現(xiàn)汽車少釋放、少消耗能量的目標(biāo)，起到環(huán)境保護(hù)和減排的作用。

3 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的控制策略

并聯(lián)式與混聯(lián)式都是為了達(dá)到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，在理論上看似很簡(jiǎn)單，但是由于它結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和控制策略還不完善，需更深層次的進(jìn)行調(diào)整。

3.1 以車速為主要參數(shù)的控制策略

這種控制策略是平時(shí)最常用的，車速是其控制的目標(biāo)。當(dāng)速度比原來(lái)定的值小時(shí)，則是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪；當(dāng)速度比原來(lái)所定的速度高時(shí)，動(dòng)力只需要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供；當(dāng)車輪的負(fù)載過(guò)大時(shí)，則由兩者一起驅(qū)動(dòng)車輪。該控制選用的是速度較低、轉(zhuǎn)矩較大的電動(dòng)機(jī)，是為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)空擋滑行和發(fā)動(dòng)機(jī)功率不夠的工況。在發(fā)動(dòng)機(jī)高功率運(yùn)轉(zhuǎn)，車速很高的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)可以改善高速運(yùn)行時(shí)電池的損耗。該控制中應(yīng)該將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的速度設(shè)為一個(gè)固定的數(shù)值。對(duì)于電量損耗型的車輛，設(shè)定車速和汽車的行駛路程成反比關(guān)系。

3.2 以功率為主要參數(shù)的控制策略

當(dāng)平均功率沒(méi)有設(shè)定值高時(shí)，汽車動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供；當(dāng)平均功率比預(yù)定值高時(shí)，這時(shí)應(yīng)該由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)應(yīng)該處于換擋的時(shí)候，這樣能夠使駕駛性更加舒適。

在這兩種控制策略中，混合動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這大多發(fā)生在車輪高功率運(yùn)行時(shí)，控制策略有以下幾個(gè)方面：①電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率將按一定比例在上升，當(dāng)踩下油門踏板時(shí)，為了滿足操作員的需求。②當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到一定負(fù)荷時(shí)，才由發(fā)動(dòng)機(jī)輔助提供動(dòng)力。③發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)穩(wěn)定的低油耗高功率的狀態(tài)下工作，然而由電機(jī)提供所需的功率。

之所以要在控制策略中引入較先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)是因?yàn)楝F(xiàn)在汽車中使用的控制策略都較為簡(jiǎn)單，它不能讓每個(gè)部位的零件達(dá)到所預(yù)期的契合效果，更沒(méi)有辦法使這類汽車的系統(tǒng)到達(dá)最優(yōu)的工作效率。

3.3 采用優(yōu)化技術(shù)的控制策略

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的能量最優(yōu)分配問(wèn)題是基于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)齒輪的位置作為優(yōu)化變量，該周期的優(yōu)化目標(biāo)是根據(jù)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量來(lái)計(jì)算的。這種經(jīng)過(guò)改善的結(jié)果即使不能用在實(shí)時(shí)控制，但可以根據(jù)該優(yōu)化推算汽車實(shí)時(shí)控制策略。

新型混合動(dòng)力汽車發(fā)展優(yōu)勢(shì)在于有無(wú)安裝無(wú)級(jí)變速器，這個(gè)裝置的作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最高的工作效率。德國(guó)學(xué)者研究了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車無(wú)級(jí)變速器，這種控制策略的最大用處就是讓整車的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最好的狀態(tài)。

3.4 以成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略

當(dāng)蓄電池組的質(zhì)量和成本降到最低的時(shí)候，該類型汽車擁有較小功率的電動(dòng)機(jī)和小容量的蓄電池。如果是在以燃油經(jīng)濟(jì)為目的控制策略中，電動(dòng)機(jī)一般只有在汽車需要加速的時(shí)候使用，這時(shí)的電動(dòng)機(jī)起到了一個(gè)提供額外動(dòng)力的作用。

在一般的行駛狀況下汽車的動(dòng)力通常由小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)提供，當(dāng)蓄電池的電量降低到一定程度的時(shí)候?yàn)槠涔╇姡@種狀況又進(jìn)一步的升高了發(fā)動(dòng)機(jī)的所需功率。當(dāng)汽車降速時(shí)，蓄電池吸取降速的能量進(jìn)行自我充電。該控制策略也有著不好的方面：使發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作可以消除由于發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)控制所引發(fā)的一系列問(wèn)題，不過(guò)沒(méi)有辦法避免發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的排放問(wèn)題。

該類車輛的控制策略有以下兩種方式：①在汽車剛剛起步，僅由電動(dòng)機(jī)獨(dú)自提供動(dòng)力，當(dāng)速度超過(guò)極限值，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始輔助工作；②當(dāng)汽車的速度超過(guò)一定限額時(shí)，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)一起提供。

3.5 模糊邏輯控制策略

能量掌控與智能掌控的關(guān)鍵是模糊邏輯控制。而要使燃油經(jīng)濟(jì)性增加或者使整部車的效率增加必須要使發(fā)動(dòng)機(jī)得到優(yōu)化，要想加強(qiáng)能量管理問(wèn)題邏輯性，我們必須要在它的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池能源管制方面加強(qiáng)了模糊控制策略因素，比較符合人的思維邏輯。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池共同進(jìn)行優(yōu)化是模糊邏輯控制策略的重要理論依據(jù)。

美國(guó)學(xué)者格倫提出利用模糊邏輯控制策略來(lái)啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，以達(dá)到最高的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)做了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)闡明：主要是運(yùn)用了模糊邏輯控制策略可以獲得很高的燃油經(jīng)濟(jì)性。不過(guò)對(duì)于控制系統(tǒng)排放這方面的要求還需要進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車而言如果要剖析它的工作模式，必須要從它的構(gòu)造特點(diǎn)這方面入手。

（2）并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略表明 ，目前研究的控制策略全是針對(duì)某種類型的汽車，對(duì)于構(gòu)造相同但是其混合度不一樣的汽車所選擇的策略和目標(biāo)也不相同。

（3）并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車可使燃料消耗和排放量大幅度減少，如果對(duì)它的控制策略進(jìn)一步優(yōu)化后它的效率將會(huì)更高。并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)功率和電池容量小，可大大減少重量和混合動(dòng)力汽車的制造成本，其在市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用前景。特別是這種結(jié)構(gòu)結(jié)合和CVT結(jié)合是一種較理想的系統(tǒng)型燃油經(jīng)濟(jì)性高，排放低和駕駛性能良好的系統(tǒng)型式。這個(gè)體系中對(duì)于怎樣得到這個(gè)車的最好的燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵在于怎樣對(duì)蓄電池組的SOC實(shí)行合乎情理并且有效的資源處置。

（4）電動(dòng)輔助控制策略一般容易實(shí)現(xiàn)，但控制的結(jié)果并不太完美。到今天為止這種類型的汽車的控制策略還沒(méi)有達(dá)到很成熟的地步。每一個(gè)已經(jīng)制造出來(lái)的控制策略技術(shù)都有它自己的優(yōu)處，雖然都可以進(jìn)行互補(bǔ)，不過(guò)都還沒(méi)到達(dá)最好的狀態(tài)。總結(jié)出對(duì)該類型汽車不一樣的構(gòu)造的研究，應(yīng)該系統(tǒng)地考慮任意參數(shù)的控制和各種控制方式的動(dòng)作，才可以在這基礎(chǔ)上使汽車的動(dòng)力性能得到優(yōu)化，同時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最高。