并联式混合动力汽车控制策略的分析

秦岭

摘 要 面临能源短缺和环保污染的压力，许多国家把发展节能与新能源汽车提升到国家战略高度。现在人们之所以越来越偏向于购买混合动力汽车，是由于它更加的环保，排放出的污染物较少而且燃油经济性相对于其它轿车更高。HEV技术对汽车工业和汽车消费者来说至关重要。本文阐述了混合动力汽车的分类;着重分析了并联式混合动力汽车的工作模式及其控制策略，并根据并联式混合动力汽车控制策略的不同结构提出了优化方向。

关键词 混合动力汽车;并联式;控制策略

1 引言

汽车的发展历史已经超过一百年，它在人类社会的发展起着举足轻重的作用。其发展速度的加快，和人们生活联系越来越紧密。汽车已经和人类的生活密切相关，它已然不是一个普通的代步和运输工具。汽车的发展速度和科学技术的进步程度，已经成为一个国家或区域的里程碑。但是人類在汽车的使用过程中，汽车既有优点也有缺点，在汽车带来方便的同时，虽然给人类带来了经济效益，也给社会造成了严重的环境恶化和能源稀缺问题。

资料表明，燃油汽车对环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，交通业带来的不仅仅是空气污染还有将近83%的噪声污染也来自于它。废气、噪声以及飞扬的粉尘都是由于汽车大量使用造成的，以及环境被破坏的越来越来越厉害，现在许多人患的一些疾病都是由于这些原因造成的。

混合动力汽车是由电动机和发动机提供动力的，它是老式汽车和电动汽车合理的结合体。混合动力汽车的废气排放很低，这是最原始的汽车所不能达到的。这类车与最原始的车的性能相比较而言经济性要高出许多，例如它的燃油经济性达到了最佳的效果，排放的污染物也相对低的多。它的系统结构相对复杂是由于它拥有好几个电力设备，以及它的关键是几种工作模式之间的变换。所以混合动力汽车的控制策略不仅是能量掌控系统的基础，而且也对降低油耗和排放问题起着至关重要的作用。

2 混合动力汽车控制策略概述

2.1 混合动力汽车的分类及其特点

由于其它国家研究的混合动力汽车有很多的构造形态，按照它不一样的驱动体系，其可以划分成串联式、并联式和混联式三种方式。

（1）串联式混合动力汽车

启动汽车主要是通过发电机发电。汽车所需要的动力是由发动机提供的，当车辆行驶速度改变的时候，发动机的动力和电动机启动时的动力是不相同的，电池所需的电能由发电机提供（吸取多余的能量），或电池放电到电机（帮助发电机提供电能）。由控制器依据发电机驱动功率的改变状况对电池充电和放电电流的巨细实行掌控。

串联方式的优点：

①发动机和驱动轮之间没有机械连接，所以发动机可以任何一点上工作，这样可以有效降低油耗。

②与其它方法相比，总量控制策略较为简单，因为发动机和驱动轮之间是靠机械解耦实现的。

串联方式的缺点：

①经过两次能量转换，发动机产生的能量才能到达驱动轮，损失的能量多，效率低。

②发动机的使用增大了车辆质量和成本。

③电动机是使车辆启动的动力源，为了满足汽车爬坡和加速时所需的性能要求必须拥有较大的尺寸。

（2）并联式混合动力汽车

发动机、电动机与驱动桥的连接方式是不同的，发电机与驱动桥之间是由机械传动装置将它们两者相连，而电动机与驱动桥之间的连接却不是如此。混合动力汽车可以由这两种发动机一起提供动力或者它们独自提供。这类汽车的布局是一种绿色动力能源汽车可以达到污染零排放，且在低转速区，可以使发动机与离合器分开，靠纯电动的方式把汽车发动起来。

并联方式的优点：

①发动机能够直接给车辆提供动力，不需要能量转换，从而减少能源的损耗。

②一个电机既可作为电动马达使用，也可作为一个发动机使用，而且可以采用一个较小功率的电机，降低成本。

并联方式的缺点：

①发动机和驱动轮之间是机械连接，所以发动机的工作点不一定是在最好的区域，发动机效率不能充分发挥。

②需要搭载变速器，且适合搭载自动变速器。

③混合度较低，不便于向插电式式混合动力过度。

（3）混联式混合动力汽车

发动机提供的动力有的用来增扭转速改变转矩传递方向，还有的用来给发电机提供动力。电机产生的电能传递到所需要的装置;复合装置是发动机的动力传递到驱动桥的桥梁。这类布局可以更好的改善汽车的完美性，但它的结构的控制相对麻烦，设计起来比较麻烦还有造价比较高。发动机的工作没有任何因素的影响，一直处于高速运转状态或自动停止，这样可以实现汽车少释放、少消耗能量的目标，起到环境保护和减排的作用。

3 并联式混合动力汽车的控制策略

并联式与混联式都是为了达到最优的燃油经济性和排放性，在理论上看似很简单，但是由于它结构的复杂性和控制策略还不完善，需更深层次的进行调整。

3.1 以车速为主要参数的控制策略

这种控制策略是平时最常用的，车速是其控制的目标。当速度比原来定的值小时，则是电动机驱动车轮;当速度比原来所定的速度高时，动力只需要由发动机提供;当车轮的负载过大时，则由两者一起驱动车轮。该控制选用的是速度较低、转矩较大的电动机，是为了避免发动机空挡滑行和发动机功率不够的工况。在发动机高功率运转，车速很高的情况下，发动机可以改善高速运行时电池的损耗。该控制中应该将发动机启动时的速度设为一个固定的数值。对于电量损耗型的车辆，设定车速和汽车的行驶路程成反比关系。

3.2 以功率为主要参数的控制策略

当平均功率没有设定值高时，汽车动力由电动机提供;当平均功率比预定值高时，这时应该由发动机提供动力。发动机的启动应该处于换挡的时候，这样能够使驾驶性更加舒适。

在这两种控制策略中，混合动力由发动机和电动机驱动。这大多发生在车轮高功率运行时，控制策略有以下几个方面：①电动机和发动机功率将按一定比例在上升，当踩下油门踏板时，为了满足操作员的需求。②当电动机功率达到一定负荷时，才由发动机辅助提供动力。③发动机在一个稳定的低油耗高功率的状态下工作，然而由电机提供所需的功率。

之所以要在控制策略中引入较先进的优化技术是因为现在汽车中使用的控制策略都较为简单，它不能让每个部位的零件达到所预期的契合效果，更没有办法使这类汽车的系统到达最优的工作效率。

3.3 采用优化技术的控制策略

并联式混合动力汽车的能量最优分配问题是基于电机的转矩和传动齿轮的位置作为优化变量，该周期的优化目标是根据给定的发动机燃料消耗量来计算的。这种经过改善的结果即使不能用在实时控制，但可以根据该优化推算汽车实时控制策略。

新型混合动力汽车发展优势在于有无安装无级变速器，这个装置的作用是使发动机达到最高的工作效率。德国学者研究了并联式混合动力汽车无级变速器，这种控制策略的最大用处就是让整车的燃油经济性达到最好的状态。

3.4 以成本和燃油经济性为目标的控制策略

当蓄电池组的质量和成本降到最低的时候，该类型汽车拥有较小功率的电动机和小容量的蓄电池。如果是在以燃油经济为目的控制策略中，电动机一般只有在汽车需要加速的时候使用，这时的电动机起到了一个提供额外动力的作用。

在一般的行驶状况下汽车的动力通常由小排量的发动机提供，当蓄电池的电量降低到一定程度的时候为其供电，这种状况又进一步的升高了发动机的所需功率。当汽车降速时，蓄电池吸取降速的能量进行自我充电。该控制策略也有着不好的方面：使发动机一直工作可以消除由于发动机的开关控制所引发的一系列问题，不过没有办法避免发动机处于低速运转时所产生的排放问题。

该类车辆的控制策略有以下两种方式：①在汽车刚刚起步，仅由电动机独自提供动力，当速度超过极限值，发动机开始辅助工作;②当汽车的速度超过一定限额时，动力由发动机和电机一起提供。

3.5 模糊逻辑控制策略

能量掌控与智能掌控的关键是模糊逻辑控制。而要使燃油经济性增加或者使整部车的效率增加必须要使发动机得到优化，要想加强能量管理问题逻辑性，我们必须要在它的发动机、电动机和电池能源管制方面加强了模糊控制策略因素，比较符合人的思维逻辑。因此，对发电机、电动机和蓄电池共同进行优化是模糊逻辑控制策略的重要理论依据。

美国学者格伦提出利用模糊逻辑控制策略来启动内燃机，以达到最高的效率和燃油经济性的目标做了实验。实验阐明：主要是运用了模糊逻辑控制策略可以获得很高的燃油经济性。不过对于控制系统排放这方面的要求还需要进一步探索。

4 结论

（1）对于并联式混合动力汽车而言如果要剖析它的工作模式，必须要从它的构造特点这方面入手。

（2）并联式混合动力汽车控制策略表明 ，目前研究的控制策略全是针对某种类型的汽车，对于构造相同但是其混合度不一样的汽车所选择的策略和目标也不相同。

（3）并联式混合动力汽车可使燃料消耗和排放量大幅度减少，如果对它的控制策略进一步优化后它的效率将会更高。并联式混合动力电动汽车的电动机功率和电池容量小，可大大减少重量和混合动力汽车的制造成本，其在市场结构中有着广泛的应用前景。特别是这种结构结合和CVT结合是一种较理想的系统型燃油经济性高，排放低和驾驶性能良好的系统型式。这个体系中对于怎样得到这个车的最好的燃油经济性的关键在于怎样对蓄电池组的SOC实行合乎情理并且有效的资源处置。

（4）电动辅助控制策略一般容易实现，但控制的结果并不太完美。到今天为止这种类型的汽车的控制策略还没有达到很成熟的地步。每一个已经制造出来的控制策略技术都有它自己的优处，虽然都可以进行互补，不过都还没到达最好的状态。总结出对该类型汽车不一样的构造的研究，应该系统地考虑任意参数的控制和各种控制方式的动作，才可以在这基础上使汽车的动力性能得到优化，同时燃油经济性达到最高。

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