并联混合动力系统及能量管理概述

王瀚州， 靳 珊， 李 锐， 王丽萍， 刘 涛

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院， 陕西 西安 710200）

随着世界各国环境保护的措施越来越严格，混合动力系统由于其节能、低排放等特点成为汽车研究与开发的一个重点。混合动力系统即发挥了发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可以改善30%以上。

混合动力一般指油电混合动力，即燃料 （汽油、柴油等） 和电能的混合。电动马达作为发动机辅助动力驱动车辆，可以在启动的瞬间产生强大的动力，同时还可以降低油耗。

1 混动系统分类

混动系统有3种分类方式：按外接充电分类、按混合度分类、按结构形式分类。

1.1 按外接充电分类

插电式混合动力需要容量大的电池BMS系统，可以支持很长的行驶里程，如果有较好的充电条件，可以不用加油，当作纯电车辆使用。

非插电式混合动力必须加油，通过发动机发电来给电池充电。在低速时可以通过电机来行驶，高速时油电共同驱动。

1.2 按混合度分类

混合度指的是电机功率占总功率的比值：

混合度小于20%为轻混或弱混，混合度达到30%左右为中混，混合度达到50%为重混。

1.3 按结构分类

混动系统按照结构可以分为3种结构：串联混动、并联混动、混联混动系统。

串联混动指发动机不直接参与驱动，发电机组只给电机充电，存在能量的二次转换，造成功率的浪费。

并联混动指车辆具有两套驱动系统，发动机和电机通过离合器具有机械连接关系，发动机和电机都可以单独驱动车辆，也可以共同驱动车辆，功率可进行叠加。并联混动没有功率浪费的问题，且具备电动车和柴油车的优点，尤其在混动模式下有很好的起步扭矩，加速性能更好。

混联混动即存在串联模式也存在并联模式，在并联的基础上，混动系统有两个电机，一个用于驱动车辆，另外一个电机既可以在极限状态下驱动车辆，也可以在电力不足时用于给电池充电。混联系统机械结构复杂，但动力性和燃油经济性能突出。

根据各系统的优缺点，不同的结构形式对车辆的动力性和经济性有很大的区别。商用车多采用并联混动模式，在机械结构变动不是很大的基础上既可以保证动力性，又可以提高燃油经济性。本论文针对非插电式并联混合动力系统的能量分配的方法及原则进行介绍。图1为并联混合动力结构形式。

图1 并联混合动力结构形式

2 并联混合动力系统

2.1 并联系统简介

并联混动系统中根据电机的位置又可分为5种状态，如表1所示。

表1 并联混动系统按照电机的位置分类

考虑在传统柴油车型机械结构改制较小的基础上，商用车一般采用P2结构并联混动系统，既可提高驾驶感受，又达到节油的效果。

2.2 P2结构能量管理策略

为了达到节油效果，关键体现在能量管理策略上，将SOC控制在一定范围之内节油效果最佳。如图2所示。在整车电子架构中一般采用整车控制器HCU来控制和协调低压与高压部分各控制器的能量管理，一般通用策略如下。

图2 并联P2结构整车能量管理架构

1） 在低车速时采用纯电模式的电机起步及扭矩控制，此时离合器处于断开状态，既可以提高车辆起步时的舒适性，避免离合器结合所产生的卡顿冲击，又可以避免发动机在低转速下非经济区域工作，节省燃油消耗。

2） 在考虑车速和SOC的情况下，车辆制动或滑行时，发动机不工作，电机以发电机方式工作，尽可能地回收能量，将机械能最大限度地转化为电能，给电池BMS系统充电，提高续航里程。

3） 在电机驱动的状态下，发动机会自动启停控制，基于当前车辆的实际工况考虑，包括制动气压、水温、低压电池电压等参数，发动机适时停机可以减少燃油的损失降低排放。

4） 在混动模式下驱动行驶时，SOC较高的情况下优先使用电机驱动车辆；当发动机和电机共同驱动时，需要采用一定的控制策略对发动机和电机的扭矩进行分配，原则为保证发动机始终在经济区工作，当需求扭矩低于发动机经济区下限时，适当控制电机发电给动力电池充电，当需求扭矩高于发动机经济区上限时，通过电机助力，保证发动机仍在经济区工作。

3 扭矩分配原则

并联混动系统扭矩分配的原则通常有两种：一种是基于规则的扭矩分配，一种基于优化的扭矩分配策略。基于规则的扭矩分配包含确定性规则和以SOC高效区间为基准的动态变化规则。如图3所示。这些规则基于发动机与电机外特性曲线，根据实际工程经验或离线优化标定策略制定。基于优化的控制策略可以分为全局优化和实时优化。常用的全局优化算法包括动态规划、遗传算法、粒子群算法、变分法和智能型的神经网络算法等。虽然全局优化算法可以得到理论上的全局最优解，但是计算量太大，未能实时应用。实时优化控制，其最具代表性的优化方法是等效油耗最小值原理分配方法，它比全局优化的计算量小、实时性强。

图3 基于规则扭矩分配原理图

无论哪种分配原则都是尽可能保证发动机和电机都在经济区域内工作，同时又要控制SOC在一定范围之内，实验数据表明，将SOC控制在50%左右，电池充放电时内阻值最小，工作效率最高。

3.1 基于规则的扭矩分配原理

基于规则的扭矩分配原理主要是尽可能保证发动机工作在经济区域内。发动机经济区通过万有特性曲线获取。

整车需求扭矩即驾驶员踏板需求扭矩作用在车轮上的扭矩计算如下：

式中：Tw——车轮需求扭矩；Te——发动机扭矩；Tm——电机扭矩；Tb——制动扭矩；η——传递效率；it——变速器传动比；if——减速器传动比。

基于规则的扭矩分配原则为根据当前SOC值和需求扭矩是否在发动机经济区域上下限值内进行分配。

1） 当低速时，SOC较高且需求扭矩小于电机最大扭矩值，则扭矩完全分配给电机。

2） 当SOC较低，且需求扭矩大于电机最大扭矩值时，则扭矩完全分配给发动机。

3） 当SOC较低，且需求扭矩小于发动机经济区域下限值时，则需要给电机进行充电，将发动机扭矩提高到经济区域下限值。

4） 当SOC较高，且需求扭矩大于发动机经济区域上限值时，则需要电机助力，将发动机扭矩降低到经济区域上限值。

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，即将要消耗的电量等效于燃油消耗量，通过等效因子来获取优化控制。

式中：Pf（t）——发动机消耗燃油对应的功率；Pbp（t）——电机消耗功率所对应的的电池功率；λ（t）——等价因子，反映的是对当前电量需求的大小，如果λ（t）越大，表示系统对电量的使用需求越大，如果λ（t）越小，表示系统更倾向于燃油的消耗，所以在车辆运行中，λ（t）的取值决定扭矩分配的关键因素。

式 （3） 中，当λ取定值时J*可以得到最小值，可以通过SOC查表来选择对应的λ值，当SOC＞标定值时，则选择较小的λ值，当SOC较小时，则选择较大的λ值，这样车辆在一个驾驶循环内既可以保证发动机和电机在经济区域工作，也可以让SOC值维持在一定的范围之内。

4 总结

本论文介绍了混动系统的种类划分和能量管理策略，重点介绍了主流的两种扭矩分配的方法和原则。基于规则的扭矩分配主要是对发动机经济区域进行优化，等效油耗最小值原理通过计算燃油转化为电量的最小等效因子。两种方法均可应用在实际中，相信随着新技术的不断发展应用，混动系统会出现更可靠、更易实现、更经济的能量管理方案。