插电式混合动力汽车能量控制策略

李晓飞

摘要：环境污染和能源短缺成为近几年来汽车工业发展面临的两大难题，各国政府和汽车使用人员的节能减排意识在不断加强，大力发展新能源汽车成为汽车工业可持续发展的大势所趋。作为一种介于传统混合动力电动汽车HEV和纯电动汽车EV之间的新型混合动力汽车，插电式混合动力电动汽车（Plug-inHEV）因既可以利用非车载充电装置充电来保证一定距离的纯电动续驶里程，又可以用混合动力模式长途行驶来降低燃油消耗率，而成为最终向清洁能源汽车过度的最佳选择。

关键词：插电式混合动力汽车；能量管理；策略研究

引言

随着我国汽车保有量的逐年增加，汽车能够给人们带来更多的方便。同时人类也面临着许多问题，例如，石油资源的短缺和大气污染等。所以纯电动汽车以及混合动力汽车越来越受到人们的关注。纯电动汽车之所以能够实现零排放，因为纯电动汽车是解决石油资源短缺和大气污染问题的理想途径之一。由于电池技术、充电站以及续驶里程的种种因素限制了纯电动汽车的发展。由于插电式混合动力汽车即可以做到短途行驶零排放，节能环保，又可以做到增加续驶里程，不影响长途驾驶的需求，所以成为发展的重点。所以本文重点对插电式串联混合动力汽车的能量管理控制策略进行研究。

1能量管理控制策略研究

插电式串联混合动力汽车与燃油汽车相比有多种工作模式，插电式混合动力汽车的核心内容是在多种工作模式下的控制策略的制定。控制策略不仅直接决定了汽车整车的动力性能，也决定着汽车的经济性，所以本文与传统控制策略相比，提出了一种基于驾驶员需求的能量管理控制策略。

1.1插电式串联混合动力汽车的工作模式

插电式串联混合动力汽车具有两个能量源，一个是电池，一个是发动机-发电机组，因此它有多种工作模式。又由于混合动力汽车能够实现制动能量回馈，所以在整车行驶过程中，插电式串联混合动力汽车具有以下几种工作模式。

1）纯电动模式

插电式串联混合动力汽车的常用模式是纯电动模式，光由电池提供电能给驱动电机，这种模式常用于短途行驶，其工作原理与纯电动汽车完全相同。这种工作模式下可以做到整车零排放和零污染，并且电能来源于电网充电，经济性比较好。

2）发动机-发电机组单独驱动模式

发动机-发电机组单独驱动模式是利用發动机-发电机组提供电能。能量来源于发动机将化学能转化为动能，再驱动发电机发电，并且没有多余的能量给电池充电。

3）电池与发动机-发电机组共同驱动模式

在这种工作模式下需要驱动电机提供较大的功率，而且电池还得提供电能的情况下，这时电池和发动机-发电机组共同提供电能给驱动电机。这种模式常用在汽车爬坡或急加速等功率需求较大的情况下。

4）发动机-电机组驱动+充电模式

这种模式是当电池组的SOC值低于门限值时，发动机-发电机组工作。发动机-发电机组提供的电功率远远大于整车的驱动需求，因此把多余的能量给电池充电。

5）能量回收模式

这种模式是当汽车在下坡或制动过程中，由车轮反拖驱动电机发电给电池充电，而且驱动电机也会提供一定的反拖制动力。这种模式下电池和发动机-发电机组均不提供电能。

本文插电式串联混合动力汽车将遵循控制策略在5种工作模式中进行变换，以实现在不同工况下兼顾汽车整车动力性和经济性。

2现有能量管理控制策略的发展过程与分析

本文针对插电式串联混合动力汽车的能量管理控制策略进行研究，首先从现有的能量管理控制策略出发。

现在的控制策略都是通过对发动机-发电机组的开关控制，然后以电池SOC值作为门限值，根据SOC值的变化来判定发动机-发电机组的开关。当汽车以纯电动模式行驶一段时间后电池的SOC值会降低，当汽车电池的SOC值小于最低门限值SOC_min时，发动机-发电机组开始工作从而为整车提供电能，使整车进入混合动力工况。如果汽车在行驶过程中，电池的SOC值高于最高门限值SOC_max时，发动机-发电机组将关闭，使整车进入纯电动工况。当汽车电池电量在SOC_min与SOC_max之间时，发动机-发电机组将维持之前的工作模式，进入保持模式。

这种控制策略是各种控制策略的基础，任何控制策略都要遵循这个大原则。这种控制策略的目的是尽可能的让整车保持纯电动行驶，这样就可以保证汽车在电池电量比较充足时处于纯电动行驶，并且可以获得较好的经济性和低排放。

随着对控制策略的不断研究，人们希望在混合动力工况下能追求更好的经济性，并且兼顾动力性。首先是发动机单工作点的控制策略，又称为“恒温器”式控制策略。也就是混合动力模式下发动机只工作在一个预先设定好的工作点上，发动机的工作点不会随汽车整车的行驶工况而发生变化，这样就可以为整车提供稳定的电能。对于此工作点的选择将会成为影响整车经济性和动力性的关键因素。因此，这种控制策略的核心就在于发动机工作点的选择，不仅要满足整车动力还要具有良好的经济性。

3发动机多工作点控制策略分析

3.1能量管理控制策略的确定

本文根据汽车整车使用的需求，决定选择发动机多工作点的控制策略。这种控制策略的优点是可以控制发动机的有限个工作点，使其都工作在发动机效率较高的区域，并且可以根据使用需求调整工作点。这种控制策略结合了恒温器式控制策略和功率跟随式控制策略，是目前比较好的控制策略之一，选择了3个点作为发动机的工作点。根据整车的使用需求，发动机的工作点可以在这3个点中进行任意的切换。这样不仅兼顾了汽车整车的电能需求，而且还能获得较好的经济性。

3.2发动机工作点的确定

发动机工作点的确定是发动机多工作点控制策略的一个核心问题，所以发动机工作点的确定需要遵循以下几个步骤：endprint

1）需要从汽车整车的能量需求出发，分析整车在不同工况下对电能的需求。

2）通过分析发动机MAP图，能够找到发动机工作效率比较高的区域。

3）结合整车对于电能的需求和发动机工作效率比较高的区域，初选发动机的3个工作点。在选择发动机工作点的过程中，要尽可能的使工作点落在发动机的高效区，这样可以保证较好的经济性。

3.3发动机工作点变化分析

确定发动机工作点后，在控制策略中至关重要的一个问题是根据什么改变工作点。一般来说就是根据整车的动力性需求来改变工作点。如果整车对电能的需求大则需要发动机-发电机组提供的电能也大。当整车对电能的需求小时，由于考虑经济性，则要减少发动机-发电机组提供的电能。但是，落实到实际控制策略中，如何体现整车对电能需求和发动机工作点的联系是本文关注的重点。

根据现有的控制思路，借鉴功率跟随式控制策略可以时时根据整车的工况来判断此时整车的能量需求，用来改变发动机工作点，这是比较直接的方式，也就是说整车行驶受到的阻力越大驱动电机消耗的电能也就越大，那么发动机-发电机组就会输出更多的电能。也有一些人提出了根据不同的车速的改变不同的工作点。这种思路来源于整车车速越高，驱动电机需要的电能也就越大，因此根据车速的不同来调整不同的工作点。但是，这两种控制策略都存在弊端。不管是根据行驶工况还是根据车速来调整发动机工作点，发动机的工作点变化永远是滞后于整车的需求，即只有路况或车速变化后整车才会根据变化来做出改变。并且对于根据车速改变发动机工作点的控制思路，就不能做到在低速时发动机提供高功率输出，这就使得在急加速或者低速爬坡时，本应需求发动机-发电机组提供较多的电能，但是却无法实现。并且此时电池被迫提供較大能量进行大电流放电，不仅影响电池使用寿命，而且又不能获得理想的能量分配。所以，本文希望控制策略不仅能做到发动机工作点的改变不滞后于整车需求，即任何时刻发动机-发电机组都能及时提供合适的电能，并且无论低速或者高速，在整车需求发动机-发电机组高功率输出时都能提供充足的电能。

4基于驾驶员需求的能量管理控制策略

根据加速踏板对驱动电机的控制原理，结合本文给出的基于驾驶员需求的能量管理控制策略，本文最终确定将加速踏板的行程分为3个阶段，而且跟发动机设置的3个工作点相对应。根据加速踏板行程的改变，完成发动机3个工作点的改变。该控制策略可以根据驾驶员控制油门踏板调整发动机工作在低功率、中功率和高功率输出点，具体控制策略图如图1.9所示。

当电池SOC值低于SOC_min时进入混合动力工况，混合动力工况下控制策略为：

加速踏板行程处于0%-x%之间时，发动机将以低功率工作点工作。

加速踏板行程处于x%-y%之间时，发动机将以中功率工作点工作。

加速踏板行程处于y%-100%之间时，发动机将以高功率工作点工作。

当电池SOC值高于SOC_max时，进入纯电动工况。

这种控制策略不仅引入了驾驶员的控制，而且使发动机工作点的切换不再滞后于整车的性能需求。只要驾驶员深踩下油门踏板，发动机-发电机组便会提高输出功率以满足驾驶员的需求。

当然，这种控制策略是第一次引入了驾驶员控制，并非能够完全的自动控制。但是，这也不会增加驾驶员的驾驶难度，驾驶员只需和操纵普通燃油车一样，在需要加速时深踩下油门踏板，控制电脑便会同时完成增大发动机一发电机组电能输出和增大驱动电机扭矩输出两个工作。

5结论

本文通过对插电式混合动力汽车资料的搜集、整理与归纳总结，详细分析目前插电式串联混合动力汽车的能量管理控制策略的发展与利弊，得到如下结论：

1）由于插电式混合动力汽车具有两个动力源，而且能够实现制动能量回馈，所以具有六种工作模式，整车可以在这几种模式中不断转变，可以实现汽车在不同工况下的经济性和动力性。

2）根据现有控制策略，依据需求扭矩和蓄电池荷电状态SOC，得出系统最高效率下对应的发动机转矩和电机转矩分配情况，控制发动机和电机相应转矩输，可以获得良好的经济性和低排放性，而且能够获得足够的续驶里程。

3）综合以往的控制策略，提出了基于驾驶员需求的能量管理控制策略，不仅弥补了以前控制策略的不足，并且通过控制策略使汽车整车具有良好的动力性和经济性。endprint