甲醇锂电池混合动力汽车控制策略分析

何柯达，万里翔，张敬科He Keda，Wan Lixiang，Zhang Jingke（西南交通大学 机械工程学院，四川　成都　611756）

甲醇锂电池混合动力汽车控制策略分析

何柯达，万里翔，张敬科
He Keda，Wan Lixiang，Zhang Jingke
（西南交通大学 机械工程学院，四川成都611756）

文中介绍了一种新型甲醇锂电池混合动力汽车结构及其控制策略。利用排气余热供入甲醇改质器，保证反应所需高温，在气候温度较低时，可提供热量给车载锂电池，保证正常工作温度；按汽车各行驶工况，采用合理控制策略，以保证车辆良好的燃油经济性、动力性和排放性能。

甲醇；改质气；混合动力；控制策略

0　引　言1

近年来，能源短缺和废气污染问题日益凸显，新能源汽车快速发展。由于电池储电量及充电时间、动力性和经济成本等因素的制约，电动汽车的发展存在很大的阻碍，于是混合动力汽车作为一种过渡产品应运而生。

当前的混合动力汽车大多使用汽油发动机。然而甲醇燃料来源广泛，再通过改质气装置将液态甲醇预处理为氢气和一氧化碳的混合燃烧气，这样发动机的排放性能可得到很大改善。虽然锂电池综合性能优良，但是易受到环境温度的影响。利用汽车发动机的余热和车载空调构建一套保温系统，可以最大程度地解决锂电池的保温问题和改质气装置的反应温度问题，综合这几部分再建立一套相匹配的驱动系统和控制策略，得到一种新型的改良混合动力汽车系统。

1　结构分析

该混合动力汽车结构依据被授权的发明专利“甲醇锂电池并联式混合动力汽车排气余热回返系统”提出。该混合动力汽车为并联式，即具有分时选择转矩耦合和转速耦合功能。发动机动力系统以甲醇为原料，经甲醇改质器催化氧化后，分解为氢气和一氧化碳，以氢气和一氧化碳为燃料，供入混合气发动机燃烧，产生动力。发动机的排气余热，一部分用于甲醇改质催化氧化所需要的温度，控制在400～600℃。当余热不足以维持上述温度时，由锂电池加热完成甲醇改质。在低温环境需要对锂电池保温加热时，废气多余的热量可提供给锂电池，以维持正常工作温度；当发动机余热不足时，利用锂电池自加热保温。通过锂电池向电动机提供电能，产生动力。二者的动力由行星齿轮机构耦合，此结构可选择实现转矩耦合和转速耦合。如图1所示[1]，电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）收集锂电池工作温度传感器12，排气温度传感器13，甲醇改质反应温度传感器14，生成氢气温度传感器15反馈来的信息，实时监控系统运行状态，相应调整换向阀4，10的各向流量，使系统运行于最佳工况。

1.1甲醇改质器

甲醇改质器发生化学反应的方程式为

选取负载型铜—锌基甲醇分解催化剂（MD-3型）[2]。经实验证明，此种催化剂活性和选择性比贵金属（Pt等）催化剂要好，具有良好的耐高温活性及使用寿命，低温时活性好，高温生成甲烷量少，经过50h反应后，甲醇转化率能稳定在80%[2]。分解得到的氢气含量（体积比）约占70%，一氧化碳含量约占30%[2]，如图2所示。

混合气燃烧发动机初选定为改造型的四缸点燃式发动机，相关文献显示，氢气发动机的排气温度约为626℃，尾气余热达到甲醇改质要求温度。

1.3温度调控系统

ECU收集足够的信息后，控制图1中换向阀4，10的通向及开度。

1）低温锂电池自加热模式

一般锂离子电池的正常工作温度为-20～65℃[3]，假设在此温度范围内启动汽车，锂电池靠外围缠绕的电阻丝为自身加热，同时检测自身荷电状态（SOC），温度与荷电状态都合适，ECU控制电动机顺利工作，汽车起步。

2）低温锂电池保温模式

5.从小学生的实际认知水平角度，认知发展理论由瑞士心理学家皮亚杰提出。认知学习理论是通过研究人的认知过程来探索学习规律的学习理论。主要观点包括人是学习的主体，主动学习。目前的认识学习理论中布鲁纳的认知发现说对小学英语教材的内容有重要的指导意义。小学英语教材的内容应该有利于激发学生的潜力，有利于激发学生学习英语的兴趣，有利于知识的保持与提取。教学上主张给学生最充分的指导，使学生能够沿着仔细规定的学习程序，一步一步、循序渐进地学习。因此，教材的内容的选取必须在充分了解和研究了小学生认知情况的前提下进行。

汽车起步后，此时锂电池和甲醇改质器温度普遍偏低，锂电池驱动电机同时向甲醇改质器加热装置供电，为改质器加热蓄能；同时，锂电池与空调系统没有热交换。遇到坡道或加速工况，需要混合气发动机启动时，由于之前甲醇改质器温度已达400℃，混合气发动机可以顺利启动，其排气全部通向换向阀4；此时，换向阀4至改质器的通路打开，大部分尾气余热为改质器加热，加热后的废气经换向阀10排向消音器，锂电池至加热装置的通路断开，同时锂电池自身保温线路断开，为锂电池节能。若此时锂电池温度依然较低，换向阀4至锂电池的通路打开，为锂电池保温。换向阀4至排气消音器的通路一直打开，保证排气顺畅。

3）高温散热降温模式

磷酸铁锂电池组的最佳工作温度是0～55℃，电池组内部温差不应超过5℃[4]。当锂电池温度高于这个限值时，换向阀4至锂电池通路关闭，且锂电池与空调系统开始热交换，为其降温；当改质器温度高于500℃时，换向阀4作为单向通道，不向锂电池和改质器加热，尾气全部排向消音器。

1.4动力耦合机构

选择转矩耦合运行模式，可满足高加速性能和爬陡坡能力需求。此时，图3中制动器1，3处于放松不工作状态，制动器2将行星齿轮固定于车梁；离合器1和离合器2处于接合状态，离合器3分离，发动机动力与电动机转矩直接耦合输入于行星齿轮的太阳轮，行星架为输出，驱动车辆行驶。

选择转速耦合运行模式，可保证发动机处于经济运行区间。此时，制动器1，2，3皆处于放松状态，离合器2分离，离合器1，3处于结合状态，发动机动力输入行星齿轮的太阳轮，电动机动力输入外齿圈，行星架为发动机转速和电动机转速的组合，输出动力，驱动车辆行驶。

2　控制策略分析

2.1技术现状分析

控制策略的制定对混合动力汽车影响重大，直接决定着汽车的行驶性能。控制策略在实现车辆最佳燃油经济性的基础上，还应当兼顾车辆行驶里程、尾气排放、蓄电池寿命、驾驶性能、零部件可靠性和整车成本[5]。实现发动机、电动机、蓄电池和传动系统的良好匹配是控制策略的关键。根据当前的混合动力汽车现状，小功率电动机搭配小排量发动机和自动变速器是一种比较理想的组合。

采用发动机和电动机构成并联式驱动系统，其中使用的是甲醇燃料发动机，通过电池和尾气对液态甲醇加热，进行气化和改质得到氢气和一氧化碳的混合气体，以此提高燃料的能量利用和尾气能量回收。电动机由锂电池组进行供电。锂电池组能量密度较一般电池组高，但易受环境温度影响，通过温度调控装置克服锂电池在温度变化剧烈的情况下不稳定的问题。

2.2工作模式

结合驾驶工况以及驱动系统各部件的实际情况对该系统的控制策略进行分析。应符合条件，始终满足驾驶员的转矩指令（牵引和制动）；始终保持峰值电源的荷电状态处在合适的电平（70%上下，且不低于30%）[6]。以车速、负载功率及荷电状态等为主要参数，根据图4的转矩关系，得出以下运行模式。

1）启动。指令转矩在B区域及以下时为单电机驱动模式。车辆启动时，发动机处于关闭状态，锂电池组供能给电动机提供驱动力。同时在这一阶段，应通过锂电池组将改质气装置预热到400℃的反应温度。动力传递原理为，制动器1将行星齿轮机构的太阳轮锁定在车梁上，制动器2脱开，离合器1，2分离，离合器3接合。电动机动力经由离合器3，Z3与Z4，Z5与Z6最终传递到动力输出轴，此时为减速增扭。

2）加速。指令转矩在C，D，F区域及以下时为转速耦合联合驱动模式。车辆加速时，驾驶员指令为节气门全开，发动机保持在最佳节气门开启的工作点，电动机补偿额外所需要的加速动力。动力传递原理为，制动器1，2释放行星齿轮机构的太阳轮和齿圈，离合器3分离，离合器1，2接合。发动机动力经由离合器1传递到太阳轮，电动机动力经由离合器3，Z3与Z4传递到齿圈，2部分动力转速耦合为行星齿轮支架的转速，将动力传递至动力输出轴。

3）低速小负荷正常行驶。指令转矩在A区域，当驾驶员指令转矩小于发动机最佳节气门开启的最大牵引转矩时，为单发动机驱动模式。动力传递原理为，制动器2将行星齿轮机构的齿圈锁定在车梁上，制动器1脱开，离合器2，3分离，离合器1接合。发动机动力经由离合器1，Z7与Z6最终传递到动力输出轴。

指令转矩在B区域，当驾驶员指令转矩大于发动机最佳节气门开启的最大牵引转矩，而小于电动机对应转速下的牵引转矩时，为单电机驱动模式。动力传递原理为，制动器1将行星齿轮机构的太阳轮锁定在车梁上，制动器2脱开，离合器1，2分离，离合器3接合。电动机动力经由离合器3，Z3与Z4，Z5与Z6最终传递到动力输出轴。

4）中高速较大负荷正常行驶。指令转矩在D、F区域及以下时为转速耦合联合驱动模式。发动机保持在最佳节气门开启的工作点，电动机补偿额外所需要的动力。动力传递原理与加速模式相同。

5）减速/制动。汽车减速或者制动时，电动机处于发电模式，通过传动结构，回收制动能量。充电原理：制动器1将行星齿轮机构的太阳轮固定在车梁上，制动器2脱开，离合器1，2分离，离合器3接合。车轮惯性动力经由Z6与Z5，Z4与Z3，离合器3驱动发电机为锂电池组充电。

6）爬坡。指令转矩在C、D区域及以下时为转矩耦合联合驱动系统。节气门全开，发动机和电动机联合驱动，提供爬坡动力。动力传递原理：制动器2将行星齿轮机构的齿圈固定在车梁上，制动器1脱开，离合器3分离，离合器1，2接合。发动机动力和电动机动力通过Z1与Z2，Z7与Z6，将2部分动力转矩耦合输出到动力输出轴。

7）蓄电池充电。停车时，可通过外部充电装置充电，也可通过发动机驱动发电机给锂电池组充电。

停车时发动机给锂电池组充电的动力传递原理：制动器3将行星齿轮机构的行星架锁定在车梁上，制动器1，2脱开，离合器3脱开，离合器1，2啮合。发动机动力经由离合器1，离合器2，Z2与Z1驱动发电机为锂电池组充电。

行车时发动机给锂电池组充电的动力传递原理：制动器1，2，3均脱开，离合器2分离，离合器1，3接合。发动机动力经由离合器1传递至太阳轮，然后通过行星齿轮机构将动力分别传递给驱动轴（Z7与Z6）和齿圈（Z7与Z6，Z6与Z5），齿圈经由Z4与Z3，离合器3将发动机部分动力传递给发电机，驱动发电机为锂电池组充电。

2.3工作模式补充说明

以上7个运行模式是在一定条件限制下的理想选择。根据驱动系统性能参数，还应有如下补充：发动机应尽可能处于最高燃油利用率的节气门位置，电池组荷电状态应维持正常状况，电池组荷电状态优先于发动机省油状态。

发动机的启动需要改质气装置达到400℃，为保证发动机在启动后能随时工作，在启动时应通过锂电池对其预热。达到改质气反应温度后应启动发动机产生尾气，维持改质气装置的反应温度。

行驶过程中，应当全程监视锂电池组电量，一旦锂电池组的荷电状态低于规定最低值，应当启动发动机对锂电池组进行充电，直到电平值达到70%[7]。

在单电机驱动的工作模式下，一旦指令的牵引转矩大于电动机在相应转速下的最大牵引转矩时，应当启动发动机，通过转速耦合联合驱动产生牵引驱动力[8]。

锂电池组和甲醇燃料改质气装置的保温系统同样重要。一方面是在发动机处于运行状态时，利用发动机含有热量的尾气在管道循环对这2部分进行保温；另一方面是利用锂电池组加热对这2部分进行保温；锂电池组的保温优先于改质气装置的保温，尤其是在冬季极寒环境。2部分均安装有温度测量传感器，实时监控。低于规定温度值时，若有尾气则使用尾气加热，若无尾气则使用电池组加热。高于规定温度值时，使用汽车自带的空调系统对其降温。

3　结　论

结合甲醇燃料发动机、改质气装置、锂电池组和电动机、保温系统和驱动系统，构建出一种新型的混合动力汽车系统。通过分析研究甲醇燃料发动机和锂电池组当前的技术现状，针对各自的优缺点，提出相应的优化思路，使用改质气装置和保温系统，并在此基础上设计出一套并联式驱动系统，最大程度地发挥混合动力汽车的各项性能，最后根据动力源的转矩特性，对整个系统提出相应的控制策略，为汽车日常的各种工况匹配出相应的驱动系统工作模式，保证该混合动力汽车系统的燃油经济系、动力性和排放性等关键性能综合最优。该系统的设计和控制策略均从技术现状和汽车实际使用条件出发进行分析制定，具有实际参考意义。

[1]万里翔，张敬科，何柯达.甲醇锂电池并联式混合动力汽车排气余热回返系统：中国，ZL 2015 2 0531876.9[P].2015-12-23.

[2]周泽兴，彭美生，尹玲，等.甲醇分解催化剂及其在甲醇汽车上的应用[J].环境化学，1993，12（2）：87-92.

[3]刘振军，林国发，秦大同，等.电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化[J].汽车工程，2012，34（1）：80-84.

[4]梁金华.纯电动车用磷酸铁锂电池组散热研究[D].北京：清华大学，2012.

[5]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.

[6]杨世春，徐斌，姬芬竹.电动汽车设计基础[M].北京：国防工业出版社，2013：20-27.

[7]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），2001，24（6）：28-31.

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U469.79

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.04.005

1002-4581（2016）04-0019-05

（国库项目）西南交通大学本科生创新实践专项经费（A0920502051518）。

2016-03-15