混合动力车辆结构和能量分配控制策略

作者：北京理工大学 孙立清

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 本文简要介绍混合动力车辆结构和特点，以及在驱动系统功率合成形成方式的基础上，对并联混合动力车辆的能量分配控制策略进行探讨。 混合动力车辆可在不改变现有的汽车产业结构、现有能源（石油燃料）体系和用户对汽车的使用习惯的前提下，最大限度发挥内燃机和纯电动汽车的双重优点，达到节能和环保的目的。本文简要介绍混合动力车辆结构和特点，以及在驱动系统功率合成形成方式的基础上，对并联混合动力车辆的能量分配控制策略进行探讨。 混合动力车辆的结构和特点 根据电动驱动系统与APU(辅助动力单元)的结合方式，混合动力车辆的驱动形式分：串联、并联和混联三种。 串联式混合驱动系统由电动机驱动汽车行驶，发动机与发电机集成为APU，如图1(a)所示。该系统APU与电动机无机械连接，整车布置的自由度较大，控制系统也简单，但能量转换次数多，效率不高，续驶里程有限，仍需设置充电站。 并联式混合动力系统是指车轮可以分别由发动机与电动机独立驱动，适合于城市间公路行驶的车辆。当汽车进入市区行驶时，发动机关闭，进入电动状态；当汽车在市郊公路行驶时，电动机关闭，由发动机直接驱动。使用并联式结构的典型示例为日本日野公司的HIMR系统，如图1(b)所示。 混联式混合动力系统中的发动机和电动机，可以分别驱动汽车或同时驱动汽车，它们的工作状态是由计算机控制的。该系统适合各种行驶条件，不需外界充电，续驶里程与内燃机汽车相当，是最理想的混合电动方案，但结构复杂，成本高，控制复杂。 混合动力车辆将传统的内燃机、电力驱动和储能装置结合在一起，其主要优点有：减小发动机外形尺寸、效率高、排放低；具有可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点；辅助动力单元(APU)的选用使汽车的续驶里程和动力性能可以达到内燃机汽车的水平。虽然内燃机会有排放产生，但由于其排量小，主要工作在最佳工况点附近，而大大减少了汽车变工况(特别是低速、怠速)时的排放，再由于可回收制动能量，可使混合动力汽车成为较低排放的节能汽车，在一些对汽车排放严格限制的地区(如商业区、游览区、居民区等)，混合动力车辆可以关闭APU，由纯电力驱动，成为零排放的电动汽车。 混合动力车辆驱动系统功率合成 混合动力车辆驱动系统根据功率合成的形成方式可分为转矩复合式、速度复合式和混合复合式三种。 转矩复合式结构 转矩复合式结构的特点是发动机通过主传动轴与变速器相联，电机的转矩与发动机的转矩在变速器前或后进行复合，传到驱动轴上的转矩是两者的和。在这种结构中，发动机与主传动轴之间通过机械联接。本田Insight型混合动力汽车采用起动机和发动机一体化设计，实现转矩复合。 速度复合式结构 速度复合式结构是采用行星差速机构的混合动力系统，通过行星机构可以实现多个部件转速的复合，而各个部件间的转矩保持一定的比例关系。如图2所示的华沙工业大学的行星齿轮混合动力系统，内燃机和电动机通过行星齿轮变速器实现转速复合。丰田Prius行星齿轮混合动力系统的驱动系统则被公认为目前最成功的速度复合结构之一。 混合复合式结构 既转速和转矩都要满足一定关系的复合结构，如图3所示的一种“变速也变矩”的混合复合结构。 并联混合动力车辆的能量分配控制策略 混合动力车辆需要良好的策略来控制热机(一般是发动机)和电动机的工作状况和功率输出，以优化能量流动、提高动力总成协调程度，从而使燃油经济性和尾气排放以及汽车的其他性能都达到最佳状态。控制策略的基本思路通常有两种：一是直接法，即直接将优化目标(如油耗等)表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，得到整个系统的能量(功率)损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机转矩、转速，电池的放电电流等。驱动条件常用驱动轴的转矩和转速来表示。串联混合动力车辆的能量分配控制策略一般是采用恒温器或功率跟随方式，也有控制策略综合其它控制方式如发动机多点、单点或最佳燃油经济性曲线控制等。而混联混合动力车辆的能量分配控制策略比较复杂。 并联式混合动力车辆的主要工作模式有：纯电机模式、纯发动机模式、发动机驱动+电机发电模式、发动机和电机混合驱动模式、复合制动模式、停车充电模式。 并联式的动力系统的控制策略通常是根据电池的SOC、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平均功率等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩(或功率)， 以满足驱动轮驱动力矩的要求。根据上述两种控制策略的基本思路和车辆工作模式，可以得到以下几种具体的控制策略。 以车速为主要参数的控制策略 这是最早也是最常采用的一种控制策略，利用车速大小作为控制的依据。当汽车车速低于所设定的车速时，电机单独驱动车轮；当车速高于所设定的车速时，电机停止驱动，而由发动机驱动车轮；当车轮负荷比较大时(如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡时)，则由发动机和电动机联合驱动车轮。这种策略利用了电动机低速大转矩的作用，避免了发动机的怠速及低负荷工况。当车速较高有助于发动机有效工作时，发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电损失。在这种控制策略中，发动机启动的设定车速可以设计为一个定值。对于荷电消耗型混合动力汽车，设定车速愈低，汽车一次充电的续驶里程愈长，也有将设定车速设计为蓄电池组放电深度的函数。 以功率为主要参数的控制策略 当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电动机单独驱动；当车轮平均功率高于该设定值时，有利于发动机有效工作，发动机被启动，电动机则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡期间，有助于获得平稳的驾驶性能。当车轮平均功率超过发动机所能提供的功率时，电动机启动，辅助发动机提供额外的功率。 采用优化技术的控制策略 法国学者Sebastien DZLPRAT和Gino PAGANELLI和德国学者Ulrich Zoelch等人在不同层次上建立了有约束优化计算模型，使发动机或包括CVT、电机等在内的系统效率最优化。由于受目标优化条件所限，这些控制方法只能用于特定的驾驶循环的实时控制。KIA汽车公司的Chunho Kim等人提出了以燃油经济性为目标的优化控制策略，该方法就是将发动机和电机控制在最佳效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。这种方法可以用于汽车的实时控制，但没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机排放问题。 以成本和燃油经济性为目标的控制策略 采用这种控制策略的混合动力汽车装备了小功率电机和小容量的蓄电池组，使蓄电池组的成本和质量减少到最小程度。在这种策略中，电动机一般只在汽车急加速时才启动，辅助发动机向车轮提供加速所需的功率。而汽车的一般行驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动，并在蓄电池组SOC下降到一定程度时为其充电，这进一步提高了发动机的负荷率。当汽车减速时，蓄电池组吸收制动能量而充电。克莱斯勒的道奇－无畏ESX、本田Insight和日产的混合动力汽车都采用这种控制策略。这种“轻度混合动力汽车”只有少量或者完全没有纯电动工况，整车成本和质量都大为降低，并且燃油经济性可以达到相当好的程度，排放也有大为改善。但为了满足今后更为严格的排放标准，发动机排量还需要进一步降低。本田和日产的混合动力车都装备了CVT，进一步改善了整车的燃油经济性和排放。 混合动力车辆的发展前景 作为过渡车型的混合动力汽车，其过渡期预计将大大延长。混合动力车辆在北美和日本的成功商业化也已成事实。在纽约和西雅图将分别有315辆采用BAE System的串联和241辆采用Ep System的并联柴油混合动力大客车投入运行，在加加利福尼亚的长滩也将有100辆的汽油混合动力汽车进入公交领域。据 R. L. Polk & Co. 统计表明，美国2003年混合动力车的销量达到43435辆，比2002年增长了25.8%。其中本田Civic占总销量的50% 达21750辆，丰田Prius占47% 达到20387辆，而本田Insight位居第三位，共卖出1298辆。早在2002年10月，日本丰田公司就宣布从2012年开始在所有汽车上采用汽油－电力发动机（混合动力发动机）的计划，希望到2007年混合动力汽车的年销售量能够达到300,000辆。按统计数字，全球油电混合动力汽车的销量已经突破10万辆。美国和日本的汽车企业已经开始了在混合动力车市场的竞争，预计三五年后整个市场将达到100万辆级的规模。 中国以一汽、二汽、长安以及奇瑞为主的混合电动汽车研究开发队伍在整车方面也取得快速的进展。东风电动车辆股份公司研究开发的混合动力城市客车样车已经在武汉市试行。诸多环保汽车产业政策和政府的激励政策有望出台，加上国际上混合动力车辆产业化技术相对成熟，混合动力车辆已成为当前解决中国节能、环保问题切实可行的过渡方案。有利于混合电动汽车发展的因素包括：中国在2004年7月开始针对欧II以上车辆实行车辆购置税减免30%；北京2005年将实施欧III汽车排放法规；燃油税即将开征；为满足欧III标准发动机，燃油质量的提高需要一张大买单；油价持续上涨；欧II与欧III发动机价格差10万（12米车用）等。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)