混合動力重型卡車構型方案與控制策略研究

王偉 王磊 李鵬飛 陜西汽車集團股份有限公司

混合動力技術已經不再局限于上述問題，它是目前技術上最工業化、最有發展前景的新能源汽車。由于混合動力電動汽車結構復雜，其關鍵技術包括配置分析、參數自適應、能量分析、電池技術等，而電子控制技術則從根本上解決了大多數其他新能源汽車發展過程中存在的共性問題。因此，混合動力電動車的關鍵技術在整個新能源汽車系列中最具代表性。

一、混合動力重型卡車優化策略研究現狀

國內的重型混合動力卡車相對于家庭用車和轎車來說，發展比較晚，雖然還處于起步階段，但發展速度很快。在理論設計和開發過程中，有關技術可以借鑒混合動力客車的開發經驗。

混合動力技術是在過去二十多年中發展起來的。電動汽車混合動力系統的穩態控制策略是目前混合動力領域的研究熱點。穩態控制以能量管理策略為核心，不斷產生新的思想。伴隨著智能領域的快速發展，優化方法與 ITS 的結合逐漸成為一個新的研究熱點，從最初的規則優化和單優化算法的應用，到目前的基于傳統策略的多種優化算法的改進。到目前為止，混合電源管理策略已經分為規則型策略和優化策略。優化策略與規則化策略的主要區別在于規則化策略不是建立在精確的物理或數學模型上，而是將可測量的相關信息集成到描述車輛狀態的系統中，通過知識規則或某種推理方法來確定車輛能量流的規律。利用模糊邏輯進行能量分配的另一種方法也是有規律的，規則型因其運行速度快、可靠性高等優點在實際技術領域得到了廣泛的應用。

大型混合動力卡車的優化策略一般都是基于最優控制的思想，這就需要建立車輛系統的數學模型，近年來，研究者們試圖設定不同的優化目標或考慮不同的因素，探索一種適用于不同類型混合動力系統的算法，以實現實時優化和按函數值或隨時間變化的全局觸發優化。

二、混合動力重型卡車構型方案與特點

（一）混合動力重型卡車構型分類

像轎車一樣，重型混合動力卡車也有兩種不同的分類方式：首先，是電力與傳統能源的混合；另外，發動機輸出功率占整個系統輸出功率的比例，如表1 所示，根據電力系統的結構型式和接線方式，可分為串聯式、并聯式和混聯式。

表1 混合動力重卡按混合度分類

（二）三種構型方案的特點

1.串聯式

重型串聯混合動力卡車由發動機，發電機和引擎組成。串聯式重型串聯混合動力卡車可以將發動機與路面負載分開，從而大大降低了發動機工作區的變換頻率，使發動機工作狀態更容易控制。發動機工作區穩定、高效、低排放。但引擎的機械能被引擎轉化為電力，電力再轉化為機械能來驅動卡車。因此，通常只有兩種情況會采用串聯式結構：（1）驅動能量主要來自動力電池，僅用于發動機；（2）發動機和引擎的整體效率高于傳統能源汽車的動力轉換效率。

2.并聯式

與串聯式相比，并聯式具有容量小、電池質量好、成本低等優點。發動機獨立驅動發動機可以在汽車高速、平穩運行的情況下獨立工作，這種模式下，發動機工作在高性能、省油、直驅、高效傳動等方面，在汽車加速或上升時，就要求高性能，為能量電池充電，將回收的制動器能量儲存在動力電池中，必要時釋放車輛并聯行駛，可提高整車能耗。

3.混聯式

混合結構結合了串聯和并聯兩種優點。在三個動力源之間存在著更多的能量平衡模式，而汽車為保證：在復雜的工作環境中，混合動力系統仍然可以實現最優的性能調節。但在混合動力結構中，行星傳動作為一種動力耦合結構，其控制策略要求更加嚴格，車輛布置更加困難，解決了這些問題后，它的應用將更加有價值。

三、混合動力重型卡車能量計算模型

傳統的重卡能耗計算可以采用機械齒輪和電機能耗管理模式。電力系統（包括發動機、逆變器和蓄電池）的能量計算模型必須定義為混合動力重型卡車。通過對各個傳動系的功率積分來計算混合動力電動汽車的能耗，從而使其基于功率流分析來計算。

（一）電機能量計算模型

考慮到直流電機，感應電機功率和轉矩之間的關系如下：

電動機定子處的電壓分別為轉子電壓、VA 和 VF。由該公式可確定發動機的能量比，并計算其機械功率和電氣功率。另外，還可以根據發動機的輸出功率與輸入功率的比值來計算效率。它是定子電平和電流的乘積，輸出功率是轉子電平和轉矩的乘積，而輸入功率是轉矩電平和轉矩電平和轉矩電平的機械功率。

（二）電機逆變器能量計算模型

逆變器的主要功能是控制蓄電池，以便通過電力電子設備向發動機提供所需的變頻器電流。對于直流電機，逆變器主要通過設定電壓來控制電機電流；對于交流電機，逆變器主要產生所需的頻率和相應的相電壓。因此，逆變器可以看作是一個電源故障的變換器。

四、混合動力重型卡車控制策略簡述

混合動力重型卡車的節能減排效果取決于各系統的協同效率和效率。盡管混合動力電動車的結構各不相同，但汽車控制策略起著關鍵作用，其目標是減少能源消耗，節約能源。在此基礎上，結合循環模式識別，提出了基于規則的控制策略、模糊控制策略和最優工作點能量管理策略。

（一）基于規則的控制策略

在混合動力發展的早期階段，普遍采用通用的能源管理策略，其數學模型較為簡單，適用于大多數中小型車。基本規則包括：

1）小功率、低速汽車只能采用一臺發動機；

2）使用高性能發動機；

3）如車輛以高速或平穩的速度行駛，則只允許使用發動機；

4）發動機是用來驅動汽車還是用來給蓄電池充電，取決于電池的 SOC 狀態；如果 SOC 較高，則不需要為蓄電池充電。

5）充分利用再生動力；

6）調節發動機輸出，優化整車性能系統的效率：①正確選擇發動機，使之在高效范圍內工作；

②如果發動機轉速在最佳范圍內，則將蓄電池充電；

③瓶體的荷電狀態在0.5～0.7 之間，其充放電效率最高，電池壽命長；

④汽車需要少量電能，可以給瓶體充電。

（二）基于模糊邏輯的控制策略

①建立模糊規則；

②根據模糊if-then 規則，用公式表示模糊關系；

③采用模糊推理控制發動機，以滿足整車性能要求。首先采用模糊邏輯運算，根據發動機轉速提供需要的功率，計算出需要的功率和電池系統的 SOC 狀態。決策模塊通過計算確定發動機輸出功率，決策模塊通過模糊邏輯對發動機進行性能調整，從而使發動機能在預定的工作點上運轉。

（三）結合循環模式識別的最優工作點能量管理策略

該轉向策略的主要缺點是，決策僅以車輛的現狀為依據，不考慮駕駛員的駕駛風格，根據車輛當前的速度、要求、蓄電池系統的工作狀態，采用基于模式識別算法的動態規劃優化算法，對發動機和發動機之間的動力分配進行優化。將車輛的性能曲線所給出的代價函數作為最小化原則，確定發動機和引擎在任意時刻的精確控制功率。針對重載車輛在各細分市場中的復雜情況，在不斷優化算法、突破關鍵技術的同時，結合循環模式識別的最佳工作點能量管理策略將成為重載車輛混合動力控制策略的優先選擇。

五、結論

今后，隨著智能領域的迅速發展，有必要進一步探索混合動力重型卡車在不同條件下的適應性，如能與智能交通系統結合，為混合動力重型卡車的研究提供更精確的實時路況信息，將有助于重型卡車燃料經濟性的進一步提高。