混合动力汽车HESS设计与控制策略优化研究

梁美林

摘要：混合动力汽车的动力性能依然比不上传统的燃油汽车，导致这一问题的主要原因是蓄电池能量存储系统的功率密度较低，不能满足汽车在启动、加速和爬坡时的高功率密度需求。另外，当汽车处于再生制动状态时，蓄电池不能快速回收再生制动能量，从而导致了能源的浪费。混合动力汽车因具有低排放和低油耗而备受关注。超级电容充放电速度快、寿命长，可以作为蓄电池的辅助电源为混合动力汽车提供能量。本文阐述了超级电容和蓄电池的性能，并分析了它们的工作特点，同时还介绍了混合动力汽车能量存储系统的研究现状。

关键词：混合动力;HESS设计;控制策略

1  技术背景

《湖南省实施低碳发展五年行动方案（2016—2020年）》的通知，通知指出“做好公共交通节能减排工作，重点推广电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车。

复合电源系统（HESS）中超级电容器和蓄电池的优势可互补，能够满足汽车在启动、加速和爬坡过程中对动力源功率、能量的双重需求。该系统中超级电容器能够最大限度回收再生制动能量，显著提高HESS的效率和性能。例如：申请人江苏大学于2016年9月22日申请的一种复合电源控制系统及其在不同工况时的切换方法，本申请中能量管理系统通过CAN总线分别与整车控制器、第一采样装置、第二采样装置相连接，获取车辆的行驶信息、动力电池与超级电容的性能参数;超级电容与双向DC/DC变换器串联后，一路与动力电池并联构成复合电源，复合电源通过电机控制器控制电机;一路与可控整流装置串联构成充电回路;能量管理系统输出PWM控制信号，分别用于控制双向DC/DC变换器、可控整流装置的触发电路。虽然采用本发明的复合电源控制系统控制电动汽车，具有元器件少，控制系统简单，易于实现，且能满足功能要求的优点。然而，现有HESS能量管理策略基本上依赖于车辆当前、未来时刻的功率需求及二维路径信息，仅有的关于三维坐标信息的规划方法也是基于道路节点之间的高程差来进行HESS能量优化，并没有考虑汽路径过程中有关桥梁、高度实时落差对车载HESS能量分配的影响。而研究发现，路径垂直坐标（道路坡度）是影响车辆功率需求和预测可回收制动能量的一个关键因素。

基于能耗最低、路径最短的动态路径规划技术能够显著提高HESS性能。车辆在拥堵路段时，车辆待机能耗及频繁启动制动将严重影响HESS功率分配的效率。然而，现有动态路径规划方法，并未对此因素进行考虑。此外，如果考虑动态交通对路径信息的影响，采取实时路径规划综合考虑交通因素对路径进行实时更新，并结合规划路径三维信息进行精确的HESS功率分配控制，则控制效果能够得到进一步提升。

目前，智能交通路径规划、三维地图信息应用技术的日益成熟，使HESS能量利用效率进一步提升成为可能。若能运用智能交通技术实现动态路径规划的实时更新，确保起点至终点整个過程中均选取最优路径;同时，结合三维地图信息进行车辆能量函数计算及HESS功率分配，实现工况预测与车辆路径高程坐标能量需求/回收的有效结合，则可最大限度提高车载HESS能量利用效率。

2  混联式混动汽车控制设计

我们由混合动力汽车的能量的流动和动力结构构造方式可把它分成三类：串联式混动汽车（SHEV），并联混动汽车（PHEV），混联式混动汽车（PSHEV）。其控制方式主要有以下四种：

2.1 串联式浪动汽车的控制设计

如图1所示。发动机带动发电机所产生的电能或者蓄电池产生的能量供给电动机，汽车行驶的驱动力都有电动机提供。

2.2 并联式混动汽车的控制设计（图2）

2.3 混联式混动汽车控制设计

如图3所示，混联式HEV的发动机发出的功率可直接用于驱动桥，或转换成G的电能。

2.4 HEV的电池能量存储系统

电动汽车的电力性能，很大一部分由能量存储系统（ESS）决定的，其拓扑结构如图4所示。

3  电动汽车车载复合电源控制系统及方法

复合电源系统（HESS）中超级电容器和蓄电池的优势可互补，能够满足汽车在启动、加速和爬坡过程中对动力源功率、能量的双重需求。该系统中超级电容器能够最大限度回收再生制动能量，显著提高HESS的效率和性能。

车载HESS功率分配原理如图5所示，HESS状态监测单元通过实时采集超级电容器及动力电池的电流和电压数据，根据超级电容器、锂离子动力电池等效电路模型，考虑电机及DC/DC损失效率、电池容量损失等因素，结合车辆当前道路工况、路径动态交通信息，形成高精度HESS状态监测方法。HESS性能提升单元通过分析复合电源拓扑新结构工作原理，获得HESS整体特性。分析DC/DC高效工作区域，确定HESS充放电过程中超级电容和电池功率分配之间的关系及系统控制参数。以超级电容器承担负载需求功率中峰值功率级电池承担平均功率为原则，优化HESS关键参数，实现HESS的高效功率分配。动态路径HESS功率分配管理单元结合三维地图信息特征，基于路径规划确定线路矢量、高程信息。根据规划路径剩余路段三维信息及实时交通数据，考虑电机需求功率、电量消耗模式、电源SOC、超级电容补电上限及动力电池放电功率等因素，对HESS功率需求根据进行预测。选择电池和超级电容器容量损失为状态变量，HESS能耗和电池组容量损失最小为优化目标，约束条件为HESS性能条件，以正向迭代的方法经过遍历后选取阶段最优控制参数，保证动态规划线路HESS的功率分配最优。

HESS控制单元原理如图7所示，HESS采用主动拓扑结构。超级电容器通过DC/DC装置与锂离子动力电池并联连接，通过DC/AC转换装置为电动汽车驱动电机提供所有功率。HESS控制器根据车辆运行特征预测通过DC/DC控制器对HESS功率分配进行控制。当车辆下坡制动时，车辆能量预测（可回收的能量）通过电动车辆DSG电机对超级电容器充电，进行制动能量的回收存储。

4  结论

本文以混合动力汽车HESS作为研究对象，采用路径动态规划技术与HESS功率分配多目标优化方法，充分考虑路径高程信息对HESS功率分配的影响，提高了车载HESS能量利用效率，研究HESS系统设计与控制策略优化，形成可供其它混合动力汽车研究借鉴的典型案例成果。揭示混合动力汽车HESS储能规律，通过性能分析，建立混合动力汽车HESS计算数学模型和等效仿真分析模型;揭示混合动力汽车的电池能量存储系统匹配对性能的影响规律。混合动力汽车HESS控制策略优化方式，有效利用智能网联汽车基础支撑技术，采用车载嵌入式单元进行路径动态规划及HESS功率分配的智能控制。能够在充分利用实时交通数据、三维地图信息的基础上，在能耗最低路径上进一步实现路径滚动优化与功率分配智能决策，提高HESS能量利用效，使汽车续航更长。

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