混合动力客车控制策略之我见

钟 勇 段福海



混合动力客车控制策略之我见

钟 勇 段福海

福建工程学院机电及自动化工程系

本文以混合动力客车为研究对象，在阐述混合动力客车分类、国内外研发情况的基础上，对各种类型的混合动力客车控制策略进行了归纳与总结，最后给出了混合动力客车控制策略总体目标与发展趋势的自我见解。

混合动力客车；控制策略；趋势

1 混合动力客车的分类

混合动力客车按目前分类主要有3种，即串联式混合动力客车（SHEB）、并联式混合动力客车（PHEB）和混联式混合动力客车（SPHEB）。

串联式混合动力客车主要由发动机、发电机、蓄电池组和驱动电机等部件组成。发动机仅仅用于带动发电机发电，而发电机所发出的电能供给蓄电池组或驱动电机，最后由驱动电机驱动汽车行驶。制动时，驱动电机工作于发电机模式所发出的电能向蓄电池组充电；红灯时，发电机仍可向蓄电池中充电，通过这两种方式可延长混合动力客车的行驶里程。另外蓄电池组还可以单独向电动机提供电能来驱动客车，使混合动力客车在零污染状态下行驶。在串联式混合动力客车中，发电机和驱动电机是各自独立运行的装置，驱动电机可以两用，作为驱动电机或发电机。

并联式混合动力客车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。并联式驱动系统既可以单独使用发动机或电动机作为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。插接式混合动力客车蓄电池组的电能来自外部电源，部分来自制动时能量的回收。非插接式混合动力客车蓄电池组的电能主要来自内燃机模式时边走边发电和制动时能量的回收。在并联式混合动力客车中，电机、发电机是一体机，是“一机两用”，但工作时只能有一种工作模式。

混联式混合动力客车主要由发动机、发电机、电动机、混合器和蓄电池组等部件组成。混合器可以将发动机、发电机和电动机三种动力直接或间接地连接起来。此时车辆既不是串联式，也不是并联式，而是介于串联和并联之间的混联式。它充分利用了两种驱动方式的优点，可以在串联模式下工作，也可以在并联模式下工作，只提控制更为复杂。

2 混合动力客车国内外研发情况

2.1 国外混合动力客车研发情况

1991年，重型车制造商日野汽车就开发了HIMR并联式混合动力客车。1997年，韩国亚洲汽车公司研发了韩国第一辆并联式柴油—电动混合动力城市客车。同年4月，丰田公司就发布了装载串联式混合动力系统的Coaster微型客车。美国纽约从1998年起，使用了由Orion客车公司生产的BAE串联式混合动力城市客车。1999年戴姆勒-克莱斯勒在德国上市了新的柴油电机串联式混合动力中型客车CITO。2000年，三菱发布了串联式混合动力低底盘主干线路客车，日产柴油发布了由CNG发动机和高效电容电驱动装置的混合动力客车。2003年，美国俄勒冈州的波特兰市，Tri.Met公司开始将标准长度的串联式混合动力客车投入运营。2003年12月，英国Eneco公司成功地研制出一辆串联式混合动力城市客车，并破纪录地完成了300英里不间断的行驶。2004年，美国西雅图市将装备有柴油发动机的混合动力电动客车投入运营。目前，在美国大约有40个不同的城市已经使用或计划使用混合动力客车及技术。

2.2 国内混合动力客车研发情况

截止2010年8月3日公布的工产业[2010]第110号文《车辆生产企业及产品（第216批）》公告，我国已先后公布了13批次的《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录》，其中混合动力客车共有42款。目前国内满足国家发展和改革委员会《新能源汽车生产准入管理规则》，符合生产条件的企业有：厦门金龙旅行有限公司（金旅），中通客车控股股份有限公司（中通），北汽福田汽车股份有限公司，厦门金龙联合汽车工业有限公司（大金龙），深圳五洲龙有限责任公司（五洲龙），丹东黄河汽车有限公司（黄河）。

2.2.1中通、安凯

中通客车控股股份有限公司上目录车型有LCK6121HEV、LCK6101GEV和LCK6101HEV三款混合动力客车。安徽安凯汽车股份有限公司上目录的车型有HFF6110G03PHEV、HFF6120G03PHEV和HFF6121G03SHEV三款混合动力客车。

以上车型采用的是株洲南车系统,其基本型属于串联式系统，可靠性一般，节油率15%左右。

2.2.2福田、宇通、申沃、青年、恒通

北汽福田汽车股份有限公司上目录车型为BJ6123C7C4D混合动力客车。郑州宇通客车股份有限公司ZK6126MGQA9混合动力客车。上海申沃客车有限公司SWB6127HE2，金华青年汽车制造有限公司有JNP6120GHP-1、重庆恒通客车有限公司有CKZ6126HENV3和CKZ6116HEV3。

这些车型使用美国伊顿系统，其基本型属于并联式，发动机可以单独工作，即使电驱动系统出现故障、电池没电，车辆仍可使用。使用小容量锂电池，电机功率较小，属轻度混合，节油效果12%左右。

2.2.3一汽、二汽、大金龙

中国第一汽车集团公司上目录车型有CA6120URH1、CA6120URH2混合动力客车，东风汽车公司有EQ6110HEV混合动力客车，厦门金龙联合汽车工业有限公司有XMQ6127GH1、XMQ6125GH和XMQ6125GH1三款混合动力客车。

以上车型系东风系统，其基本型属仿伊顿并联式系统，系统贵，可靠性一般，节油效果12%左右。

2.2.4五洲龙

五洲龙上目录车型有：FDG6112HEVG、FDG6111HEVG1、FDG6111HEVG2。其基本型系自主研发系统，属于并联式，储能元件是超级电容+电池，但需外接电源充电，使用成本高，节油效果15%左右。

2.2.5黄海

丹东黄海汽车有限责任公司股有限公司上目录的车型有DD6118HES21混合动力客车，系自主开发系统，属混联式系统，储能元件是超级电容+电池，可靠性一般。节油率20%左右。

2.2.6金旅

厦门金龙旅行车有限公司上目录的车型有XML6125JHEV93C、XML6125JHEV13C和XML6125JHEV98C三款混合动力客车，系自主开发的系统，属混联式系统，储能元件是超级电容+电池，可靠性良好，节油率25%左右。

3 混合动力控制策略

控制策略是企业的核心技术，是企业赢得市场的关键所在，是不会也不可能向外界透露细节的。外界只有通过系列试验才能实测获得或猜测有关产品的控制策略。从文献上获得的控制策略往往是停留在理论层面上。

控制策略和产品的结构型式有着关系密切，有什么样的产品结构就决定了产品能有什么样功能，有什么样的功能就决定了能采取什么样的控制策略。

3.1 串联式混合动力客车的控制策略

SHEB有6种工作模式：纯电动模式（发动机不工作，蓄电池供电给电机驱动车辆行驶）、纯发动机模式（发动机驱动发电机发电存储在蓄电池组中，车辆不行驶）、混合驱动模式（发动机带动发电机供电，且蓄电池组也供电，二处电力混合驱动电机运转从而驱动车辆行驶）、行车充电（发动机带动发电机发电，其中一部分电能提供电机驱动车辆行驶，另外一部分多余电能则存储在蓄电池组中）、减速制动能量回馈模式（在车辆减速制动时，驱动电机作为发电机工作，将所发的电能储存在蓄电池组中）和怠速停车模式（遇红灯发动机怠速或停车时，对发动机和发电机的控制）。其动力系统按工作分工可划分为：驱动，发电和辅助动力系统3部分。驱动系统主要是驱动电机，发电系统则包括内燃机和发电机，辅助动力系统为风扇、空调系统等辅助的动力系统。

SHEB不是通过发动机直接驱动汽车行驶，控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作并驱动发电系统发电。串联式混合动力汽车有两种基本控制模式：恒温器控制模式和功率跟随控制模式。

3.1.1恒温器控制模式

当蓄电池SOC降到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油耗(或排放)点按恒功率输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率向蓄电池充电；而当蓄电池组SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求，但蓄电池组的过度循环会使动力系统的效率降低。这种控制模式对发动机比较有利，而对蓄电池要求很高。

3.1.2功率跟随控制模式

采用自动变速器(如AMT)，通过自动调节AMT速比，控制发动机沿最小油耗曲线、最低排放曲线或综合曲线运行，发动机的功率紧跟车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用这种控制策略，蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少到最低程度，此策略在采用自动变速器的客车中目前应用较多，但整车成本较高。

串联式混合动力汽车现在的研究方向是将上述两种控制模式结合起来使用，充分利用发动机和电池的高效率区，使其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时，为了满足车轮驱动功率要求，降低对蓄电池的峰值功率要求，延长其工作寿命，可采用功率跟随模式；而当汽车车轮功率要求低时，为了避免发动机低效率工况的发生，可以采用恒温器模式，以提高整车系统的效率。

3.2 并联式混合动力客车的控制策略

并联式混合动力客车有两套驱动系统，在传统的内燃机系统上增加了一套电机驱动系统。这两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动客车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。

并联式混合动力客车一般减小了传统汽车发动机的功率，避免“大马拉小车”的现象，同时增加一套电传动驱动系统，在汽车高速或加速行驶的时候提供部分行驶功率，并当电池SOC 不足时给电池充电，以优化发动机的工作区间，在制动工况回收一部分制动能量，从而提高整车的燃油经济性和降低排放。

PHEB的基本工作模式也有6种，包括纯电动模式、纯发动机模式、混合驱动模式、行车发电模式、减速制动能量回馈模式和起动停车模式。与SHEB不同的是，纯发动机模式并不是发电，而是直接驱动车辆行驶；混合驱动模式也不是仅仅同时工作，而是发动机和电机均驱动车辆行驶；行车发电模式也不是将所发电一部分电源驱动电机，并将多余的电储存在蓄电池组中，而是发动机一边驱动车辆行驶，富裕功率则带动电机发电机装置发电给蓄电池组充电。

并联式混合动力总成可采用的控制方法有逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络控制四种。由于逻辑门限值控制方法快速简单、实用性较强，因此国外的样车和产品车型大部分都采用这种控制方法。采用其他三种复杂的控制方法需要采集和运算的数据量非常大，特别是要实时采集大量的发动机运行数据计算发动机的最佳油耗点和最佳排放点，并在运行中实时跟踪两点数值的变化，使控制系统的软件和硬件都过于复杂。另外，三种复杂控制方法对目标的改善效果在很大程度上依赖于发动机的动态模型精度和运行数据的实时快速检测的精度，精度的偏差导致目标效果明显恶化。

采用逻辑门限值控制方法可以以整车油耗和排放最佳为控制目标，可以同时限制电池和发动机工作区间的控制策略，通过设定门限值，将发动机控制在高效率区运行，提供要求的转矩；电机作为载荷调节装置，当需要大转矩输出时参加驱动，当需要小转矩输出时吸收发动机转矩进行发电，并将电池组的电量状态维持在高效率区间内。

3.3 混联式混合动力客车的控制策略

混联式混合动力系统结合了串联式和并联式两种结构的优点,使得能量流动的控制和能量消耗的方式有了更大的灵活性和可能性。从控制策略的角度来看，它更为复杂。由于工况的唯一性，它的控制策略在某一工作点要么工作于串联、要么工作于并联，因此，混联式混合动力客车控制策略是以上两种控制策略的综合。

混联式混合动力客车控制策略跟混合器的结构型式也有非常密切的关系。由于混合器结构型式的多样性，导致混联式混合动力客车控制策略更加复杂多变。

厦门金旅的混合动力客车由于其结构的特点而有其独特的控制策略，如图1所示。金旅混联式混合动力系统包括：发动机、驱动电机、驱动电机控制器、电控离合器、永磁发电机、混合动力控制器及储能元件（超级电容）。该系统的工作模式为：在车速低于某一临界车速时离合器分离，工作于混合驱动模式（串联模式），发动机带动发电机给动力电池充电，动力电池为电动机提供电力驱动车辆，此时仅由电动机经过传动轴驱动后桥行驶；在车速高于这一临界车速匀速行驶时，离合器结合，工作于纯内燃机驱动模式，发动机提供动力，发动机平稳工作，发动机经过离合器、电动机、传动轴驱动后桥前进，此时电动机的转子仅作为传动轴的一部分在旋转运动；在车速超过这一临界车速并加速行驶时，工作于混合驱动模式（并联模式），除了发动机经过离合器、电动机、传动轴驱动后桥前进外，电动机也经过传动轴驱动后桥前进，此时为两套驱动系统共同驱动；减速或制动时，工作于再生制动模式，电机再生制动回收能量，驱动桥带动电动机（再生发电）为动力电池充电，进行能量回收。总而言之，金旅串联模式采用的是恒温器式控制策略，并联式采用逻辑门限傎控制策略。

图1 金旅的第三代混合动力客车控制策略示意图

4 控制策略的发展趋势

底盘结构的不同决定了混合动力客车拥有不同的工作模式，而工作模式的不同又决定了可以采取不同的控制策略来控制混合动力客车的正常运行。总体来说，混合动力客车控制策略的目标非常明确就是“在不影响汽车动力性前提条件下，更加节能更加环保”，对它的研究有如下三条发展趋势：

4.1 更加节能和环保：节能和环保是混合动力客车得以大面积推广运用的源头所在。当混合动力客车的结构一旦确定下来，采用什么的控制策略便是重要问题，而首要考虑的便是谁更节能、谁更环保。

4.2 更加精确和迅速：控制精度的提高、反应速度的提升均能有效地提高节能与环保的目标，这一切与控制器的性能、控制算法的繁简与科学性有密切的关联。

4.3 更加自适应：目前来看，混合动力客车一般均运行于固定的路段，这对进一步提升节能与环保的力度埋下了伏笔，因为现有控制策略的理论研究来自于理想路段。未来的控制策略具有自学习特性，可以根据运行路段的特点而主动地修改有关参数，达到更加节能与环保的目的。

[1] 舒红,秦大同,胡建军.混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J].重庆大学学报: 自然科学版, 2001(11).

[2] 古艳春,殷承良,张建武,等.并联混合动力汽车控制系统设计及控制策略研究[J]. 高技术通讯, 2007(12).

[3] 中华人民共和国工业和信息化部网站：http://www.miit.gov.cn/.

On Hybrid Electric Bus Control Strategies

Zhong Yong，Duan Fuhai

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

Hybrid electric bus types and the bus’s development at home and abroad were discussed. The control strategies of diversified electric buses were summarized. A view on the overall goal and developmental orientation of the control strategies of the hybrid electric bus is presented.

hybrid electric bus; control strategy; orientation

福建省教育厅项目（JA08166），福建省科技平台建设项目（2008J1002）。