混合動(dòng)力汽車的能量控制策略

混合動(dòng)力汽車的能量控制策略能量管理策略的控制目標(biāo)是根據(jù)駕駛?cè)说牟僮?，如?duì)加速踏板、制動(dòng)踏板等的操作，判斷駕駛?cè)说囊鈭D，在滿足車輛動(dòng)力性能的前提下，最優(yōu)地分配電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池等部件的功率輸出，實(shí)現(xiàn)能量的最優(yōu)分配，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。由于混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力電池不需要外部充電，能量管理策略還應(yīng)考慮動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)（SOC）平衡，以延長(zhǎng)其使用壽命，降低車輛維護(hù)成本?；旌蟿?dòng)力汽車的能量管理系統(tǒng)十分復(fù)雜，并且因系統(tǒng)組成不同而存在很大差別。下面簡(jiǎn)單介紹3種混合動(dòng)力汽車的能量管理策略。1、串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理控制策略由于串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車行駛工況沒(méi)有直接聯(lián)系，因此能量管理控制策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作。為優(yōu)化能量分配整體效率，還應(yīng)考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等部件。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車有3種基本的能量管理策略。（1）恒溫器策略當(dāng)動(dòng)力電池SOC低于設(shè)定的低門限值時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在最低油耗或排放點(diǎn)按恒功率模式輸出，一部分功率用于滿足車輪驅(qū)動(dòng)功率要求，另一部分功率給動(dòng)力電池充電。而當(dāng)動(dòng)力電池SOC上升到所設(shè)定的高門限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)效率高、排放低，缺點(diǎn)是動(dòng)力電池充放電頻繁。加上發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗，使系統(tǒng)總體損失功率變大，能量轉(zhuǎn)換效率較低。（2）功率跟蹤式策略由發(fā)動(dòng)機(jī)全程跟蹤車輛功率需求，只在動(dòng)力電池SOC大于設(shè)定上限，且僅由動(dòng)力電池提供的功率能滿足車輛需求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才停機(jī)或怠速運(yùn)行。由于動(dòng)力電池容量小，其充放電次數(shù)減少，使系統(tǒng)內(nèi)部損失減少。但是發(fā)動(dòng)機(jī)必須在從低到高的較大負(fù)荷區(qū)內(nèi)運(yùn)行，這使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和排放不如恒溫器策略。（3）基本規(guī)則型策略該策略綜合了恒溫器策略與功率跟蹤式策略的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性圖設(shè)定高效率工作區(qū)，根據(jù)動(dòng)力電池的充放電特性設(shè)定動(dòng)力電池高效率的SOC范圍。同時(shí)設(shè)定一組控制規(guī)則，根據(jù)需求功率和SOC進(jìn)行控制，以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池的高效率區(qū)，使兩者達(dá)到整體效率最高。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車主要包含以下工作模式：①純電動(dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車輛僅由蓄電池組供電、驅(qū)動(dòng)。②純發(fā)動(dòng)機(jī)模式車輛驅(qū)動(dòng)功率僅源于發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組，而蓄電池組既不供電也不從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中獲得任何功率，電設(shè)備組用作從發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的電傳動(dòng)系統(tǒng)。③混合模式驅(qū)動(dòng)功率由發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和蓄電池組共同提供。④發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和蓄電池充電模式發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組供給向蓄電池組充電和驅(qū)動(dòng)車輛所需的功率。⑤再生制動(dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的電功率用于向蓄電池組充電。⑥蓄電池組充電模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)不接收功率，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組向蓄電池組充電。⑦混合式蓄電池充電模式發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同向蓄電池組充電。2、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理控制策略并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理的控制，本質(zhì)上是一個(gè)在一定約束條件下的燃料與排放的最優(yōu)控制問(wèn)題。一方面，由于行駛路況和駕駛?cè)说牟僮骶哂须S機(jī)性，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的最優(yōu)控制是一個(gè)隨機(jī)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。另一方面，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)包括眾多不同類型的部件，各部件之間存在復(fù)雜的協(xié)調(diào)工作關(guān)系，系統(tǒng)工作時(shí)各部件的運(yùn)行狀態(tài)均處于不斷變化中，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程非常復(fù)雜。同時(shí)，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的控制策略與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車不同，通常需要根據(jù)動(dòng)力電池SOC、駕駛?cè)瞬僮鞯募铀偬ぐ逦恢?、車輛和驅(qū)動(dòng)輪的平均功率等參數(shù)進(jìn)行控制，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，以滿足驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩的要求。由此導(dǎo)致并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在能源控制策略上常采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略和基于模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制策略。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的能量管理策略基本屬于基于轉(zhuǎn)矩的控制。目前主要有以下4類：（1）靜態(tài)邏輯門限策略該策略通過(guò)設(shè)置車速、動(dòng)力電池SOC上下限、發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩等一組門限參數(shù)，限定動(dòng)力系統(tǒng)各部件的工作區(qū)域，并根據(jù)車輛實(shí)時(shí)參數(shù)及預(yù)先設(shè)定的規(guī)則調(diào)整動(dòng)力系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，以提高車輛整體性能。靜態(tài)邏輯門限策略實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單，目前實(shí)際應(yīng)用較廣泛。但由于主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置門限參數(shù)，靜態(tài)邏輯門限策略無(wú)法保證車輛燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而且這些靜態(tài)參數(shù)不能適應(yīng)工況的動(dòng)態(tài)變化，無(wú)法使整車系統(tǒng)達(dá)到最大效率。（2）瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略針對(duì)靜態(tài)邏輯門限策略的缺點(diǎn)，一些學(xué)者提出了瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略。瞬時(shí)優(yōu)化策略一般采用“等效燃油消耗最少”法或“功率損失最小”法，二者原理類似。其中，“等效燃油消耗最少”法將電機(jī)的等效油耗與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際油耗之和定義為名義油耗，將電機(jī)的能量消耗轉(zhuǎn)換為等效的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，得到一張類似于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖的電機(jī)等效油耗圖。在某一個(gè)工況瞬時(shí)，從保證系統(tǒng)在每個(gè)工作時(shí)刻的名義油耗最小這一目標(biāo)出發(fā)，確定電機(jī)的工作范圍（用電機(jī)轉(zhuǎn)矩表示），同時(shí)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，對(duì)每一對(duì)工作點(diǎn)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃油消耗，以及電機(jī)的等效燃油消耗，最后選名義油耗最小的點(diǎn)作為當(dāng)前工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的合理控制。為將排放一同考慮，該策略還可采用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，以一組權(quán)值來(lái)協(xié)調(diào)排放和燃油同時(shí)優(yōu)化存在的矛盾。“等效燃油消耗最少”法在每一步長(zhǎng)內(nèi)是最優(yōu)的，但無(wú)法保證在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)最優(yōu)，而且需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和比較精確的車輛模型，計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)困難。（3）全局最優(yōu)能量管理策略全局最優(yōu)能量管理策略是應(yīng)用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論開(kāi)發(fā)出來(lái)的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量分配策略，目前主要有基于多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的能量管理策略、基于古典變分法的能量管理策略和基于Bellman動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論的能量管理策略3種。（4）模糊能量管理策略該策略基于模糊控制方法來(lái)決策混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式和功率分配，將“專家”的知識(shí)以規(guī)則的形式輸入模糊控制器中，模糊控制器將車速、動(dòng)力電池SOC、需求功率/轉(zhuǎn)矩等輸入量模糊化，基于設(shè)定的控制規(guī)則來(lái)完成決策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的合理控制，從而提高車輛整體性能?；谀：壿嫷牟呗缘膬?yōu)點(diǎn)：①可表達(dá)難以精確定量表達(dá)的規(guī)則；②可方便地實(shí)現(xiàn)不同影響因素（功率需求、動(dòng)力電池SOC、電機(jī)效率等）的折中；③魯棒性好。但是模糊控制器的建立主要依靠經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法獲得全局最優(yōu)。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車主要包含以下工作模式：①純電動(dòng)模式當(dāng)混合動(dòng)力汽車處于起步、低速等輕載工況，且動(dòng)力電池電量充足時(shí)，若以發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，則發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率較低，且排放性能很差。因此，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由動(dòng)力電池提供能量并以電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。但當(dāng)動(dòng)力電池的電量較低時(shí)，為保護(hù)動(dòng)力電池，應(yīng)切換到行車充電模式。②純發(fā)動(dòng)機(jī)模式在車輛高速行駛等中等負(fù)荷情況下，車輛克服路面阻力運(yùn)行所需的動(dòng)力較小，一般情況下主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可工作于高效區(qū)，燃油效率較高。③混合驅(qū)動(dòng)模式在加速或爬坡等大負(fù)荷情況下，當(dāng)車輛行駛所需的動(dòng)力超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍或高效區(qū)時(shí)，由電機(jī)提供輔助動(dòng)力。若此時(shí)動(dòng)力電池的剩余電量較低，則轉(zhuǎn)換到純發(fā)動(dòng)機(jī)模式。④行車充電模式在車輛正常行駛等中低負(fù)荷情況下，若動(dòng)力電池的剩余電量較低，則發(fā)動(dòng)機(jī)除要提供驅(qū)動(dòng)車輛所需的動(dòng)力外，還要提供額外的功率，通過(guò)電機(jī)發(fā)電以轉(zhuǎn)換成電能給動(dòng)力電池充電。⑤再生制動(dòng)模式當(dāng)混合動(dòng)力汽車減速/制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，電機(jī)盡可能多地回收再生制動(dòng)能量，剩余部分由機(jī)械制動(dòng)器消耗。⑥怠速/停車模式在怠速/停車模式中，通常關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，但當(dāng)動(dòng)力電池剩余電量較低時(shí)，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效區(qū)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電。3、混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理控制策略汽車低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量管理控制策略對(duì)能量進(jìn)行管理，汽車高速穩(wěn)定行駛時(shí)，以并聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量管理控制策略對(duì)能量進(jìn)行管理。這樣的能量管理控制策略能較好地實(shí)現(xiàn)汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不受到汽車行駛狀況的影響，總是在最高效率狀態(tài)下工作或自動(dòng)關(guān)閉，使汽車任何時(shí)候都可實(shí)現(xiàn)低排放及超低排放。但實(shí)現(xiàn)該控制策略的技術(shù)復(fù)雜，能量管理控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造要求高。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有特殊的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如采用行星齒輪傳動(dòng)），因此除采用瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略、全局最優(yōu)能量管理策略和模糊能量管理策略（與并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理策略原理類似）外，還有如下特有的能量管理策略：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)策略由于采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可獨(dú)立于車速變化，這樣使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作點(diǎn)，提供恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，而剩余的轉(zhuǎn)矩則由電機(jī)提供。電機(jī)負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)部分，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶來(lái)的損失，而且與發(fā)動(dòng)機(jī)相比，電機(jī)的控制也更為靈敏，易于實(shí)現(xiàn)。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線策略發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬(wàn)有特性圖中的最佳油耗線上，只有當(dāng)發(fā)電機(jī)電流需求超出動(dòng)力電池的接