并聯混合動力系統及能量管理概述

王瀚州， 靳 珊， 李 銳， 王麗萍， 劉 濤

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

隨著世界各國環境保護的措施越來越嚴格，混合動力系統由于其節能、低排放等特點成為汽車研究與開發的一個重點?；旌蟿恿ο到y即發揮了發動機持續工作時間長、動力性好的優點，又可以發揮電動機無污染、低噪聲的好處，取長補短，汽車的熱效率可提高10%以上，廢氣排放可以改善30%以上。

混合動力一般指油電混合動力，即燃料 （汽油、柴油等） 和電能的混合。電動馬達作為發動機輔助動力驅動車輛，可以在啟動的瞬間產生強大的動力，同時還可以降低油耗。

1 混動系統分類

混動系統有3種分類方式：按外接充電分類、按混合度分類、按結構形式分類。

1.1 按外接充電分類

插電式混合動力需要容量大的電池BMS系統，可以支持很長的行駛里程，如果有較好的充電條件，可以不用加油，當作純電車輛使用。

非插電式混合動力必須加油，通過發動機發電來給電池充電。在低速時可以通過電機來行駛，高速時油電共同驅動。

1.2 按混合度分類

混合度指的是電機功率占總功率的比值：

混合度小于20%為輕混或弱混，混合度達到30%左右為中混，混合度達到50%為重混。

1.3 按結構分類

混動系統按照結構可以分為3種結構：串聯混動、并聯混動、混聯混動系統。

串聯混動指發動機不直接參與驅動，發電機組只給電機充電，存在能量的二次轉換，造成功率的浪費。

并聯混動指車輛具有兩套驅動系統，發動機和電機通過離合器具有機械連接關系，發動機和電機都可以單獨驅動車輛，也可以共同驅動車輛，功率可進行疊加。并聯混動沒有功率浪費的問題，且具備電動車和柴油車的優點，尤其在混動模式下有很好的起步扭矩，加速性能更好。

混聯混動即存在串聯模式也存在并聯模式，在并聯的基礎上，混動系統有兩個電機，一個用于驅動車輛，另外一個電機既可以在極限狀態下驅動車輛，也可以在電力不足時用于給電池充電。混聯系統機械結構復雜，但動力性和燃油經濟性能突出。

根據各系統的優缺點，不同的結構形式對車輛的動力性和經濟性有很大的區別。商用車多采用并聯混動模式，在機械結構變動不是很大的基礎上既可以保證動力性，又可以提高燃油經濟性。本論文針對非插電式并聯混合動力系統的能量分配的方法及原則進行介紹。圖1為并聯混合動力結構形式。

圖1 并聯混合動力結構形式

2 并聯混合動力系統

2.1 并聯系統簡介

并聯混動系統中根據電機的位置又可分為5種狀態，如表1所示。

表1 并聯混動系統按照電機的位置分類

考慮在傳統柴油車型機械結構改制較小的基礎上，商用車一般采用P2結構并聯混動系統，既可提高駕駛感受，又達到節油的效果。

2.2 P2結構能量管理策略

為了達到節油效果，關鍵體現在能量管理策略上，將SOC控制在一定范圍之內節油效果最佳。如圖2所示。在整車電子架構中一般采用整車控制器HCU來控制和協調低壓與高壓部分各控制器的能量管理，一般通用策略如下。

圖2 并聯P2結構整車能量管理架構

1） 在低車速時采用純電模式的電機起步及扭矩控制，此時離合器處于斷開狀態，既可以提高車輛起步時的舒適性，避免離合器結合所產生的卡頓沖擊，又可以避免發動機在低轉速下非經濟區域工作，節省燃油消耗。

2） 在考慮車速和SOC的情況下，車輛制動或滑行時，發動機不工作，電機以發電機方式工作，盡可能地回收能量，將機械能最大限度地轉化為電能，給電池BMS系統充電，提高續航里程。

3） 在電機驅動的狀態下，發動機會自動啟?？刂?，基于當前車輛的實際工況考慮，包括制動氣壓、水溫、低壓電池電壓等參數，發動機適時停機可以減少燃油的損失降低排放。

4） 在混動模式下驅動行駛時，SOC較高的情況下優先使用電機驅動車輛；當發動機和電機共同驅動時，需要采用一定的控制策略對發動機和電機的扭矩進行分配，原則為保證發動機始終在經濟區工作，當需求扭矩低于發動機經濟區下限時，適當控制電機發電給動力電池充電，當需求扭矩高于發動機經濟區上限時，通過電機助力，保證發動機仍在經濟區工作。

3 扭矩分配原則

并聯混動系統扭矩分配的原則通常有兩種：一種是基于規則的扭矩分配，一種基于優化的扭矩分配策略?；谝巹t的扭矩分配包含確定性規則和以SOC高效區間為基準的動態變化規則。如圖3所示。這些規則基于發動機與電機外特性曲線，根據實際工程經驗或離線優化標定策略制定?；趦灮目刂撇呗钥梢苑譃槿謨灮蛯崟r優化。常用的全局優化算法包括動態規劃、遺傳算法、粒子群算法、變分法和智能型的神經網絡算法等。雖然全局優化算法可以得到理論上的全局最優解，但是計算量太大，未能實時應用。實時優化控制，其最具代表性的優化方法是等效油耗最小值原理分配方法，它比全局優化的計算量小、實時性強。

圖3 基于規則扭矩分配原理圖

無論哪種分配原則都是盡可能保證發動機和電機都在經濟區域內工作，同時又要控制SOC在一定范圍之內，實驗數據表明，將SOC控制在50%左右，電池充放電時內阻值最小，工作效率最高。

3.1 基于規則的扭矩分配原理

基于規則的扭矩分配原理主要是盡可能保證發動機工作在經濟區域內。發動機經濟區通過萬有特性曲線獲取。

整車需求扭矩即駕駛員踏板需求扭矩作用在車輪上的扭矩計算如下：

式中：Tw——車輪需求扭矩；Te——發動機扭矩；Tm——電機扭矩；Tb——制動扭矩；η——傳遞效率；it——變速器傳動比；if——減速器傳動比。

基于規則的扭矩分配原則為根據當前SOC值和需求扭矩是否在發動機經濟區域上下限值內進行分配。

1） 當低速時，SOC較高且需求扭矩小于電機最大扭矩值，則扭矩完全分配給電機。

2） 當SOC較低，且需求扭矩大于電機最大扭矩值時，則扭矩完全分配給發動機。

3） 當SOC較低，且需求扭矩小于發動機經濟區域下限值時，則需要給電機進行充電，將發動機扭矩提高到經濟區域下限值。

4） 當SOC較高，且需求扭矩大于發動機經濟區域上限值時，則需要電機助力，將發動機扭矩降低到經濟區域上限值。

3.2 等效油耗最小值分配原理

最小值分配原理也叫等效燃油消耗方法，即將要消耗的電量等效于燃油消耗量，通過等效因子來獲取優化控制。

式中：Pf（t）——發動機消耗燃油對應的功率；Pbp（t）——電機消耗功率所對應的的電池功率；λ（t）——等價因子，反映的是對當前電量需求的大小，如果λ（t）越大，表示系統對電量的使用需求越大，如果λ（t）越小，表示系統更傾向于燃油的消耗，所以在車輛運行中，λ（t）的取值決定扭矩分配的關鍵因素。

式 （3） 中，當λ取定值時J*可以得到最小值，可以通過SOC查表來選擇對應的λ值，當SOC＞標定值時，則選擇較小的λ值，當SOC較小時，則選擇較大的λ值，這樣車輛在一個駕駛循環內既可以保證發動機和電機在經濟區域工作，也可以讓SOC值維持在一定的范圍之內。

4 總結

本論文介紹了混動系統的種類劃分和能量管理策略，重點介紹了主流的兩種扭矩分配的方法和原則。基于規則的扭矩分配主要是對發動機經濟區域進行優化，等效油耗最小值原理通過計算燃油轉化為電量的最小等效因子。兩種方法均可應用在實際中，相信隨著新技術的不斷發展應用，混動系統會出現更可靠、更易實現、更經濟的能量管理方案。