混合动力汽车的控制策略

胡红霞

摘 要：混合动力汽车要适应社会发展的需要，具备高性能，就必须完善其控制策略。目前混合动力电动汽车的控制策略并不是完美的，需要进行完善和补充。控制的目的往往是为了给企业带来更高的经济效益，保证混合汽车行业能够长久健康地发展下去。本文就混合动力汽车的系统类型进行分析，并对控制策略加以讨论，旨在让电机、电池和传输系统实现最佳匹配。

关键词：混合动力汽车;策略;系统

近年来，随着现代交通系统的不断完善，汽车已经成为人们出行的首选。电动汽车作为一种承载清洁能源、环境友好、自然消耗率低的新兴汽车，已经吸引了许多企业。如今，混合动力汽车的发展如此之快，以至于许多汽车制造商将其视为公司发展的一个新的战略位置。混合动力电动汽车具有丰富的产品类型，根据其运作原理和结构的不同，一般有串联、并联以及混合型。本文主要分析了混合动力车的分类和控制策略。

1 混合动力汽车的分类

混合动力汽车是指汽车上同时装备有电力驱动系统和辅助动力单元的车辆。混合动力电动汽车结合了原动机、电动机和能源存储设备，将这些结构灵巧地组合在一起，在互不干扰的前提下发挥出动力混合的优势，让汽车能够优先选择最佳的频率，与此同时还能减少气体污染，具有最实用的低排放和低油耗汽车的发展意义。目前，全世界都在致力于开发不同结构形式的混合动力汽车。下面我们分析混合动力车内部驱动结构的三种基本类型。

1.1 串联系统

这类结构中的电力驱动系统和辅助动力单元是由原动机和发电机组成的。驱动的一系列装置是递进作业的关系，发电机先进行发电，然后电能流经控制器使电机运作起来，汽车即可启动。串联系统结构中的电池可以控制机器的功率，对其工作状态加以平衡，让输入输出的功率处在合理的范围内，保障机器的平稳运行。比如发电机发电量超出了预期，那么多余电量就能被电池吸收，变相给电池充电;发电机不足时，电池则会释放电能，补足发电机的发电量，让机器能够正常运行，确保了系统的平衡。辅助动力设备与系统电机之间没有机械连接，这样可以大大提高汽车结构摆放的组合类型，根据个人需要能灵活地做出调整;但控制系统也相应的没有较好的能量传输，需要进行多次的能量转换，缺乏效率，汽车的最远单程行驶距离也会受到影响。

1.2 并联系统

这类系统中，汽车驱动装置运行不再是递进关系，而是具备共同作业的能力，发动机和电动机可以同时启动，这两者都能互相辅助，并且具有独立驱动汽车的功能。较之串联驱动系统的优点在于，发动机能够直接让汽车运行起来，不需要再层层递进，浪费能量传输，起到了节能的功效。正因并联系统有此特点，所以从经济价值的角度考虑，选择几率会高一些。平行传动系统非常适合城际公路和高速公路，使得汽车能够稳定地行驶。因为引擎并行驱动系统的状况是影响汽车的驾驶条件，它是不适合汽车的驾驶条件的情况发生了很大变化。与串联式结构相比，传动机制更加复杂，因为需要的变速装置和动力复合设备。与串联式比较，并联式可以使得汽车的行驶里程更长，但是其系统结构相对复杂，要求相对更高，成本也就更高。

1.3 混联系统

顾名思义，这类系统是将上述串并联的形式结合在一起的驱动系统。发动机产生的一部分动力传递到驱动桥上，另一部分动力用来驱动发电机发电。发电机产生的电能传递给电机或电池，电机产生的驱动力通过功率复合装置传送给驱动桥。混联系统工作时，根据汽车行驶时的速度变化，会对内部驱动方式进行相应的调整，最大化节省燃油效率。比如当汽车行驶速度较低时，控制串联系统工作;汽车行驶速度较快时，控制并联系统工作。可以看出混联式的结构更加符合新时代发展的需要，让汽车能够最大化的发挥出性能，但相对来说具有更高的工艺要求，无论是制作还是维护都需要专业的技术。混联系统还有一个关键优势，它能够让发动机始终处于最佳的作业状态，并且可以自动关机，这样可以让汽车随时实现低排放、超低油耗，达到环保节能的效果。

2 混合动力汽车的控制策略

上述控制系统的结构和功能进行简述之后，如何进行控制策略的优化，是我们着重讨论的话题。出于汽车行驶时节能减排的目的，在保证汽车正常驾驶功能和前提下，将成本控制在合理范围。具体制定控制策略时，还要根据每个地区的特征和车辆运行状态，对汽车内部串并联以及混联系统进行优化，让发电机和电动机处在最节能和最效率的工作状态。

控制策略在实际工作中一般分为两种：直接法，直接将优化目标表示为系统状态变量、控制变量等的函数;间接法，即最小损失法，通过计算各部件在当前驱动条件下的效率，可以确认其所在的工作系统的整体能量损耗。损耗最小的状态变量是当前驱动条件下应选择的状态变量，如发动机转矩、转速、电池放电电流等。驱动条件通常用传动轴的扭矩和转速来表示。

2.1 串联式混合动力车的控制策略

内部串联的控制系统，只牵扯到能量的损耗，与汽车的行驶路况无关，所以控制策略的主要思想是控制发动机工作在最优效率区和排放区。相应的，为了确保优化策略能发挥出应有的功能，我们要结合发动机和发电机的启动、电池的传输功率等多个因素，务必提高系统结构整体的效率。串联式混合动力汽车具有以下基本控制模式。

2.1.1 恒温器控制模式

当蓄电池荷电狀态（SOC）下降到设定的低阈值时，发动机启动并在最低油耗或排放点输出恒功率。部分电源用于满足车轮驱动电源的要求，另一部分用于给电池充电。当电池组的荷电状态上升到设定的高阈值时，发动机关闭，由电机驱动车轮。此类控制方式，对电池具有较高的要求，各类瞬时功率电池都要能瞬间达到。但长期作业时，电池的这类循环充放电会不可避免地对其造成损耗，进而影响车辆的行驶效率。

2.1.2 功率跟踪式控制模式

采用这类模式进行控制，要根据电池的荷电状态确定发动机的开关状态和输出功率的大小，目的是满足设备的功率需求。当发动机的功率需求小于输出功率时，将发动机的输出功率调节到最小值。当荷电状态高于下限值时，整车总需求负荷不超过电池容量，但超过发动机的最大功率，则需要将发动机输出功率调整到最大。发动机的功率紧跟车轮功率的变化，这与传统的汽车操作类似。通过这种控制策略，电池的工作周期将会消失，与充放电相关的电池组损耗将会减少到最小。但发动机必须在整个负荷区域内从低到高运行，发动机功率变化快、动态大，会影响发动机的效率和排放性能。解决的办法是采用自动无级变速传动（CVT）无级变速器，控制发动机沿最小油耗曲线运行，这样同时减少了HC和CO的排放量。

2.2 并联式混合动力车的控制策略

采用这类结构的车辆，其内部一般配备有两套独立的传动装置来驱动车辆运动。它有三种不同的工作模式：发动机可以让汽车启动，电动机也可以直接让汽车启动，两个电机联合进行汽车驱动。并联混合动力电动汽车作为一种电力作为辅助动力燃料的汽车，当电源提供的功率大于正常运行所需的能源和汽车的制动，发电机发电，引擎提供的剩余能量存储到电池。当车辆处于加速或爬坡状态时，需要较大的驱动力。发动机和电动机共同工作，以保证车辆所需的驱动力。当车辆处于低速工况，如城市工况时，由于发动机无法在经济工作区域内工作，发动机提供了车辆的驱动力。并行混合动力汽车的控制策略包括逻辑门控制策略、瞬时优化策略、全局优化策略和智能算法。本文主要介绍了瞬时控制策略和全局最优控制策略。

2.2.1 瞬时控制策略

通过实时计算瞬时油耗率和排放的发动机和电动机在不同功率分布组合和不同的工作分，电动机的等效燃油消耗和实际发动机的燃油消耗统称为名义的燃料消耗，以及最优混合动力系统的工作模式和工作点确定在保证最低的前提下名义燃料消耗。具体如下，在某一时刻将能量转化成为发动机汽车消费的能量消耗的燃料和排放，以及制动能量的恢复和时间消耗的燃料和发动机排放和燃料消耗模型和排放模型，计算出最小值和最小条件最优工作点。

2.2.2 全局优化控制策略

利用最优控制理论和最优方法，提出了混合动力分配控制策略。建立了以车辆燃油经济性和排放为目标，以系统状态量为约束条件的全局优化模型，即动态最优控制，并利用相关优化方法计算出最优混合分配策略。

2.3 混联式混合动力车的控制策略

混联式的控制策略有发动机恒工作点策略和发动机最优工作曲线策略。

2.3.1 发动机恒工作点策略

控制策略是指车辆采用行星齿轮传动机构，发动机转速变化对车轮速度，使发动机工作在最佳工作点，提供恒转矩，所提供的剩余转矩电机，由电机提供加速或爬坡时，避免动态调整损坏引擎和电动机控制更敏感、快速、困难。

2.3.2 发动机最优工作曲线策略

使发动机工作在通用特性油耗线上，从静态通用特性曲线出发，根据跟踪条件确定最优工作曲线。当需要的功率或转矩高于某一设定值时，发动机开始工作。当发动机停止工作时，当发电机产生的电流超过电池可接受的电流，或当驱动电流超过电机或电池可接受的容量时，离合器分离或啮合来调整发动机的工作点。

3 结束语

综上所述，我们了解了当前的混合动力汽车的控制策略，知道了其利弊。混合动力的控制策略不仅要达到最佳的燃油经济性、排放性能和動力性能，还要适应不同的工况和驾驶方式，同时考虑电池寿命、各部件的可靠性和整车的成本。今天的混合动力汽车变得越来越流行，人们更青睐于它的优越性，而能量优化控制算法的发展将进一步提高经济和混合动力汽车的动力性能，以便进一步促进混合动力汽车的发展。

参考文献：

[1]张玉盼.插电式混合动力汽车控制策略研究[D].大连理工大学，2015.

[2]程飞，赵韩，尹安东，et al. 插电式并联混合动力汽车模糊控制策略设计与仿真[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2015（9）：1159-1164.