混合动力汽车整车控制策略比较分析

刘庆凯，纪丽伟，刘 雄

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

1 前言

混合动力电动汽车是相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车而言的，国际电子技术委员会(IEC)对混合动力电动汽车的定义为“在特定的工作条件下，可以从2种或2种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车，其中至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能”。

混合动力电动汽车根据提供能量源的种类不同分为油电混合动力汽车和电电混合动力汽车。油电混合是指汽油机或柴油机与电能存储器（如镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、超级电容等）的混合；电电混合是指以2种或2种以上电能源的混合（如燃料电池与锂离子蓄电池混合）。根据混合程度的不同可以分为弱度混合、中度混合和强度混合等。根据动力系统配置和能量传递方式的不同可以分为串联式、并联式和混联式三种[1]，目前这种分类方式获得了普遍的认同。

混合动力电动汽车利用2种（或2种以上）能量源的特性互补，协调提供动力，实现整车系统性能的改善和提高。为此，必须制定一个科学有效的整车控制策略。不同类型的混合动力汽车，其控制对象和控制方法是不同的，也就需要有不同的控制策略。本文通过分析比较各种类型混合动力系统特点和各种整车控制策略的优劣，在此基础上讨论在实际运用过程中不同动力系统如何选用不同的整车控制策略。

2 混合动力系统分类

2.1 串联式混合动力系统

串联式混合动力系统根据能量源的种类不同，又可分为油电混合动力系统和电电混合动力系统，其典型结构如图1所示。

图1中系统（a）和系统（b）的区别仅仅是辅助动力单元APU（Auxiliary Power Unit）不同，而其作用都是向驱动电机或动力蓄电池提供所需的电能，功率转换器在实际系统中一般采用双向或单向DC/DC变换器进行能量流控制。

2.2 并联式混合动力系统

相对于串联式混合动力系统而言，并联式混合动力系统结构较为复杂，针对不同需求，可以设计成多种类型，这也就决定了其控制策略的复杂性和多样性。并联式混合动力系统根据结构配置和动力合成方式不同又可分为单轴并联式、双轴并联式、四轮驱动单轴并联式、四轮驱动双轴并联式等。

图2为单轴并联式混合动力系统结构的示意图。图中（a）和（b）主要区别为（b）系统可以实现纯电动的工作模式，而（a）系统无法实现；但（b）系统的成本较高，控制也相对复杂。无论是（a）和（b），由于整车布置和尺寸的限制，纯电动工作模式都比较难实现。为了解决这个问题，在图2系统的基础上，在汽车的2个后轮（或前轮）各安装一台轮毂电机，依靠这2台轮毂电机实现纯电动工作模式，当然这样增加了控制的复杂程度，如图3所示。

单轴并联式混合动力系统相对于其它并联式系统，结构简单，体积小，成本低，易于控制，适用于轿车等小型乘用车。

双轴并联式混合动力系统是相对于单轴并联式系统而言的。从前述可知，单轴并联式系统结构简单，便于布置，但发动机与ISG电机的结构尺寸和性能参数互相制约，同时需要考虑整车的空间布置，所以单轴并联式系统在设计开发时灵活性不够。双轴并联式系统解决了这个问题，发动机和ISG电机依靠动力耦合箱进行扭矩的耦合，如图4所示。但双轴并联式系统由于使用的是双输入轴动力耦合箱，所占空间尺寸较大，适用于布置在空间比较充裕的大中型客车上。在图4系统基础上，增加2台轮毂电机，构成四轮驱动双轴并联式系统，如图5所示。该系统不但能实现纯电动的工作模式，而且可以在行进中启动发动机，而图4所示双轴并联式系统则无法实现。

另外，对于动力系统中与动力耦合装置相连接的零部件（如发动机、电机等）可以根据实际需要布置在耦合箱的同一侧（如图4、图5所示），也可分别布置于两侧，在此不再赘述。

2.3 混联式混合动力系统

在工作过程中，混联式混合动力系统既能够实现串联式的工作方式，又能实现并联式的工作方式，是二者的综合。目前，较易实现的混联式混合动力系统有行星轮式混联系统、单轴混联式系统和双轴混联式系统，其中行星轮式混联系统是一种转速复合式动力系统，参见图6；单轴混联式系统和双轴混联式系统则属于扭矩复合式动力系统，如图7和图8所示。

行星轮式混联系统零部件布置紧凑，所占空间较小，适用于轿车等小型车辆；而单轴混联系统和双轴混联系统占用空间较大，适合在客车等大中型车辆上使用。

3 整车控制策略比较分析

整车控制策略是混合动力汽车的核心技术之一，采用恰当的整车控制策略是实现最佳燃油经济性和降低排放的关键。不同结构和配置的混合动力系统，其控制策略是不相同的；即使结构相同，如果零部件性能和配置不同，其控制策略也是不同的。在确定了混合动力系统的结构和配置后，就可以制定相应的整车控制策略。

一般来说，随着结构和配置复杂程度的增加，控制策略的复杂程度和难度也随之增加。通过前文的讨论可知，串联式混合动力系统的控制策略较简单，而混联式混合动力系统则较复杂，这是在设计和配置混合动力系统时需要考虑的重要因素之一。

3.1 串联式混合动力汽车整车控制策略

串联式混合动力汽车整车控制策略按照控制方法和性质划分可分为被动型控制策略和主动型控制策略两类[2]。被动型控制策略以提高能量流动效率为主要目的，而主动型控制策略以降低能量消耗为主要目的。由于主动型控制策略需要预先知道行车路线、路面状况和交通信号等情况，实际应用较困难，目前尚处于仿真与试验阶段。本文仅讨论被动型控制策略，被动型控制策略一般分为开关型控制策略、功率跟随式控制策略以及综合式控制策略。

3.1.1 开关型控制策略

开关型控制策略的主要内容：（1）当动力蓄电池荷电状态SOC≤SOCmin时，发动机启动后即在最低油耗点或最低排放点按恒功率输出。产生的功率一部分用于满足驱动车辆，另一部分功率对蓄电池充电。如果车辆需求功率较大且SOC＞SOCmin时，可由发动机和动力蓄电池同时提供所需功率。（2）当动力蓄电池SOC≥SOCmax，发动机处于停机或怠速状态，驱动车辆的能量全部由动力蓄电池提供（SOCmin表示SOC的下限值，SOCmax表示SOC的上限值）。

开关型控制策略的主要优点是发动机始终工作在最佳油耗区域或最低排放区域，实现了整车的经济性运行或低排放运行；该策略的主要缺点是由于频繁地对动力蓄电池大电流充放电，会影响动力蓄电池的工作性能和使用寿命，系统总体损失变大，能量转换效率趋低。

3.1.2 功率跟随式控制策略

这种控制策略的主要方法就是由燃油发动机（或燃料电池）实时跟踪车辆功率需求。有功率需求时则输出功率；如果车辆无驱动功率需求时，便只向动力蓄电池充电；只有在SOC≥SOCmax时，发动机停机或怠速运行。

与开关型控制策略相比，功率跟随式控制策略的主要优点是动力蓄电池容量可以减小到最小，质量也相应减小，因而整车质量减小；其次避免了频繁地对动力蓄电池大电流充放电，对动力蓄电池较有利。其主要缺点是发动机工况在一个较大范围内变化，经济性和排放性难以保证。

3.1.3 综合型控制策略

该策略的基本控制方法包括：（1）当SOC≤SOCmin或负载较大时，发动机（或燃料电池等）进入负载运行。（2）当SOC≥SOCmax且负载较小时，发动机（或燃料电池等）关闭或怠速运行。（3）除1和2的情况之外，发动机（或燃料电池等）便跟踪车辆负载以最优工作曲线运行。（4）如果负载超过了发动机最优工作区域时，超过的功率便由动力蓄电池进行补偿。

3.1.4 串联式混合动力系统控制策略比较

在实际应用过程中，选用何种控制策略，需要从车辆种类、设计需求、动力系统结构、行驶环境等多方面综合考虑来选取。

串联式混合动力系统，结构简单，布置空间灵活，而且是由驱动电机来完成对车辆的驱动。对于开关型控制策略，由于发动机工作在恒定工作点，有较好的经济性或排放性能，适于装配于城市公交客车上；但如果采用燃料电池作为动力源，由于其较宽的高效工作区间和零排放性能，就可以采用功率跟随式或综合型控制策略。如果是市郊或长途客车，则可以运用功率跟随式或综合式的整车控制策略。

3.2 并联式混合动力汽车整车控制策略

对于并联式混合动力汽车，制定何种整车控制策略是由并联式混合动力系统本身的特点所决定。并联式混合动力系统动力的合成是一种功率或扭矩的合成，在制定控制策略时需要考虑该特点。根据驾驶员行为以及动力系统各零部件状态，按照一定的规则将动力需求合理地分配至发动机和电机。据此，可以将并联式混合动力汽车控制策略主要分为三大类：基于规则的稳态控制策略、基于优化算法的动态控制策略和基于模糊控制的智能型控制策略[3]。

在实际中只有基于规则的稳态控制策略得到广泛应用，其它控制策略尚处于试验与仿真阶段，本文只讨论基于规则的稳态控制策略的应用与分析。该策略依据被控主要对象（参数）的种类主要分为基于车速（或功率）的控制策略、电力辅助型控制策略以及基于扭矩的控制策略[4]。

3.2.1 基于车速或功率的控制策略

基于车速或功率的控制策略是最早应用于混合动力汽车上的一种控制策略，该策略的主要内容为：当车速（或功率）低于设定值时，由驱动电机单独驱动车轮，车辆以纯电动运行模式运行；当车速（或功率）高于设定值且轮边负载小于设定值时，驱动电机停止驱动，由发动机单独驱动，即以纯发动机模式驱动车辆；当车速（或功率）高于所设定值且轮边负载大于设定值时，则由发动机和驱动电机联合驱动，即混合驱动模式。

这种控制策略的优点是约束条件较少，控制容易实现；缺点是无法使各零部件的性能均达到最佳，整车系统效率也无法获得最佳。

3.2.2 电力辅助型控制策略

电力辅助型控制策略的主要内容：在保证动力蓄电池SOC值在一定范围内，将电机作为动力系统中的灵活被控对象，即通过调节电机的输出功率大小来调节整个动力系统的功率输出，发动机则起“削峰填谷”的作用[4]。具体方法是根据发动机的万有特性曲线，确定发动机的优化工作区域，发动机仅工作在纯电动转速、最大扭矩线以及关断扭矩线之间，如图9所示。当动力蓄电池SOC＞SOCmin时，在发动机的关闭区域，车辆以纯电动模式运行；在发动机工作区域，根据车辆驱动需求，来确定发动机的功率输出。当SOC＜SOCmin时，电机停止工作，发动机的功率输出一部分满足车辆驱动需求，另一部分给动力蓄电池充电。

该控制策略的优点是控制简单，易于实现；缺点为对发动机工作区域控制不够精细，没有充分控制发动机的油耗与排放。

3.2.3 基于扭矩的控制策略

该控制策略的主要内容为：将扭矩作为能量管理策略中最主要的控制变量，根据驾驶员需求以及各零部件状态来确定整车扭矩需求，并将扭矩需求实时、合理地分配至发动机和驱动电机。该策略取消了发动机怠速状态，在控制发动机工作在高效区间的同时兼顾动力蓄电池SOC值，确保SOC值维持在一定范围内，让动力蓄电池工作在高效区，防止过充或过放。如果设驾驶员扭矩需求为Td_req，驱动电机扭矩为Tm，发动机扭矩Te，则三者之间的关系为Td_req=Tm+Te[5]，Td_req以发动机万有特性曲线以及各零部件状态为依据来决定如何分配。

以扭矩为主要控制变量的控制策略，是目前较为常用的控制策略，该策略较好地考虑了发动机的油耗和排放，对发动机的工作区间进行了细化，在各转速下发动机的工作点都进行了优化。由于该控制策略依据的是各零部件的稳态特性参数，对于满足瞬时控制要求的实时性方面是有差别的，所以实际性能与理论预期有所不同，这需要对相关控制变量进行实时优化以降低排放。

3.2.4 并联式整车控制策略应用及比较分析

上述3种并联式整车控制策略控制的复杂程度是不同的，但对于各种形式的并联式混合动力系统，这3种控制策略均可采用。实际应用时选用何种控制策略，应根据设计目标、开发成本等方面进行综合考虑。如果对油耗、排放要求不高，要求成本较低的则可选用基于车速（或功率）的整车控制策略，反之则可选用基于扭矩的整车控制策略。

3.3 混联式混合动力汽车整车控制策略

对于单轴式或双轴式混联式系统，可以根据其工作模式分解为串联式和并联式状态下的整车控制，从而根据实际行驶工况和系统特点，采用相应的控制策略。对于行星轮式混联式系统主要分为发动机恒定工作点控制策略和发动机最优工作曲线控制策略[6]，其它控制策略都可以在这2种控制策略的基础上进行拓展。

3.3.1 发动机恒定工作点控制策略

该控制策略的主要内容：由于采用了行星轮机构，可以使发动机转速不受车速变化的影响，能够在最优工况点运行时提供恒定的功率输出，而整车需求扭矩的剩余部分则由电机进行灵活调节。

由于发动机工作点恒定，发动机油耗或排放可以达到最优，该控制策略相对简单，易实现；在车辆行驶过程中，由于需要频繁调节驱动电机的输出功率，会影响电机以及动力蓄电池的性能和使用寿命。

3.3.2 发动机最优工作曲线控制策略

发动机最优工作曲线控制策略的主要内容：行星轮式混联式系统中的发动机转速可以不受车速变化的影响，以万有特性曲线为基础，发动机经过动态校正，发动机输出功率根据车辆驱动需求的变化而变化，确定发动机在各工况下的工作点，从而确定发动机的最优工作曲线。在此基础上，还可以以名义油耗和功率损失为控制目标，对特定工况下的最优曲线进行优化，得到瞬时最优工作点，然后再进行能量的动态分配。

该控制策略兼顾了发动机、驱动电机以及动力蓄电池在各种工况下的性能和效率的优化问题，是混联式动力系统较为科学、合理的一种控制策略。但该策略涉及稳态和动态两方面的优化和校正，较复杂，开发成本很高，实现起来有一定难度。

3.3.3 混联式混合动力汽车整车控制策略分析

混联式混合动力系统的复杂性决定了其控制策略也是目前各种混合动力系统中最复杂的，在实际运用中也是最需要研究和完善的。发动机恒定工作点控制策略和发动机最优工作曲线控制策略二者相比较，前者易于实现，开发成本低，但不能使每个零部件性能达到最佳，而后者可以进行瞬时优化和全局优化，使零部件或整车性能达到最佳，当然这样实现起来较复杂。

4 结束语

（1）对于混合动力系统来说，结构愈复杂，其控制策略也就越复杂，成本也就越高。从串联式系统到混联式系统，随着系统结构复杂程度的增加，其相应控制策略的复杂程度也随之增加。

（2）串联式混合动力系统中常用的3种整车控制策略，由于综合型整车控制策略综合了开关式和功率跟随式控制策略的优点，更有利于降低油耗和排放，避免发动机频繁启停，防止动力蓄电池频繁充放电。开关式控制策略适用于城市公交客车，而功率跟随式控制策略或综合型控制策略适用于郊区公交客车或长途客车。

（3）并联式混合动力系统的结构型式较多，可以根据不同的车型和特点可以配置不同的结构型式，所以并联式混合动力系统在实际中应用较广泛。并联式混合动力系统根据整车设计目标和零部件特性的不同，同一结构的系统可以采用不同的整车控制策略。随着并联式混合动力系统技术的不断成熟和完善，基于扭矩的控制策略，由于其综合效果较好而逐渐得到广泛应用。并联式混合动力系统如果能够和CVT、VVT或DCT系统相结合使用，可以获得更佳的性能，目前已有一定的技术积累和应用，有着良好的发展前景。

（4）作为目前最为复杂的整车控制策略，混联式动力系统控制策略在实际车辆中实现起来较困难、成本较高，但与串联式和并联式系统相比，可以获得更佳的经济性、动力性和排放性，因此开发成熟、实用的混联式混合动力系统是研究方向之一。

混合动力汽车控制策略的目的就是使车辆在运行过程中获得最佳的动力性、经济性和排放性。在混合动力系统零部件不断完善并趋于成熟、可靠性不断提高、成本不断降低的前提下，逐步实现混合动力电动汽车的产业化。

1陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京理工大学出版社，2002.

2赵国柱，杨正林.串联式混合动力公交汽车的能量管理策略[J].北京汽车，2005（5）：15-18.

3童毅，张俊智，欧阳明高.混合动力汽车扭矩管理策略[J].清华大学学报（自然科学版），2003，43（8）：1134-1137，1142.

4于秀敏，曹珊，李君等.混合动力汽车控制策略的研究现状及其发展趋势[J].机械工程学报，2006，42（11）：10-16.

5黄妙华，陈飚，陈胜金.基于转矩分配的并联式混合动力电动轿车能量管理策略研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2006，30（1）：33-36.

6杨宏亮.混联式混合动力汽车控制策略研究综述[D].清华大学，2002.