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电动汽车文献综述


混合动力电动汽车整车控制文献综述
摘要: 混合动力电动汽车是指以蓄电池与辅助动力单元共同作为动力源的汽车。 由于混 合动力电动汽车在节能和降低排放污染方面的明显优势, 因而受到很大的重视, 研制开发和 产业化的进程相当快。目前混合动力电动汽车主要有两种混合驱动结构:串联式和并联式。 本文结合文献对这两种混合动力系统结构和特点进行了分析, 并重点对并联式进行了分析介 绍。

最后分析了混合动力电动汽车未来的发展前景。 关键词:混合电动汽车,控制策略,关键技术 1. 引言[1] 节能和环保是汽车技术发展的主要方向之一。 目前世界上大多数大汽车公司, 都充分利 用内燃机汽车的先进技术和电动机的无污染特性, 将他们共同组成混合动力电动汽车, 发展 一种“超低油耗,超低污染”的车辆,作为内燃机汽车向电动汽车发展的过渡产品。美国的 PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles)、欧洲的“The Car of Tomorrow ” 计划、日本的“Advanced Clean Energy Vehicle Project”以及我国的“清洁汽车行动” 都正是基于HEV而制定的战略计划。 而在HEV关键技术中, 整车控制策略占据着核心灵魂位置, 因此, 科学深入研究混合动力汽车的整车控制策略显得必然重要。 通过对混合电动汽车的控 制理论及技术现状作了系统分析,可以看到HEV控制策略研究关键技术和发展方向。

2.

混合动力电动汽车

2.1 混合动力结构分析 现代电动汽车一般可以分为三类:纯电动汽车,混合动力汽车,燃料电池电动汽车。混 合电动汽车(Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV)是指同时装备两种动力来源——热动 力源(由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的汽车。通过合理复 合动力系统,灵活调控整车功率流向,使发动机保持在综合性能最佳的区域工作,从而降低 油耗与排放。 混合动力电动汽车是整个电动汽车的重要过渡型产品。混合动力汽车主要有串联 (SHEV)、并联(PHEV)和混联(SPHEV),和传统汽车的主要区别在于其多了电动机 或发电机, 不同混合动力之间的结构区别主要在于起能量流向的不同, 1 和图 2 给出了串 图 联和并联混合动力汽车的能量流向。 抽象的混合动力控制策略, 就是通过合理规划整车在具 体行使工况中的不同动作,使整车能量高效、合理流动,达到整车经济性、动力性、排放等 各项指标达到最佳结合点。 电动机驱动轮 发动机 电动机 驱动轮

图一SHEV特征能量流动

发动机 驱动轮 电动机

图二PHEV特征能量流动
2.2 混合动力的优势 与纯电动汽车比较,混合动力电动汽车具有以下优点: 1)由于电池容量减小,整车重量轻。 2)汽车的叙事里程和动力性可达到内燃机的水平。 3)保证驾车和乘坐的舒适性(空调,暖风,动力转向的使用)。

与内燃机汽车比较,混合动力汽车具有有以下优点: 1)可以使发动机在最佳的工况区域稳定运行,从而降低排污和油耗。 2)在人口密集的商业区,居民区等地可以用纯电动方式驱动车辆,实现“零排放”。 3)通过电动机回收汽车减速和制动时的能量,进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。 3. 混合动力控制策略 3.1 控制目标 由于各种混合动力电动汽车结构上的差异, 因而需要不同的控制策略来调节和控制功率 流从不同元件的流进和流出, 采用不同控制策略的目的是为了实现不同的控制目标。 具体来 说,混合动力控制策略的控制目标主要有以下四个:燃油经济性;排放指标;系统成本;最 驱动性能。 控制系统的目的就是要实现发动机运行在最佳的工作状态, 以使油耗和排污最低, 并尽 可能充分利用发动机的能量,最大限度地吸收制动能量,尽量减少电池的能量消耗。目前, 在控制策略的制定方面,基本控制机理都是将整个行车过程划分为巡航,加速,制动三个过 程加以优化。而控制策略的实现,都是建立在电动机,APU 和电池的性能指标准确的评估 之上的。因此,在即定控制策略下,各动力系统参数的准确性及其动态特性的优良成了策略 实现的关键。因此,控制策略的关键技术还是在,建立动态的驱动系统数学模型,这是参数 匹配和优化控制策略的重点也是难点所在。 3.2 控制理论机理与策略 目前已经提出的混合动力汽车控制策略主要有 1)简单地限定发动机工作区的静态逻辑门限控制策略。 2)通过实时计算比较确定发动机和电动机的最佳工作点的瞬时优化控制 3) 应用最优控制理论和最优化方法的全局最优控制策略, 该控制策略依据所使用的控 制方法的不同,又分为基于多目标教学规划方法,基于古典变分法和基于Bellman动态规划 理论的能量管理策略三种,其中研究最为成熟的是基于Bellman动态规划理论的能量管理策 略。 4)基于模糊逻辑或神经网络的智能控制策略。 目前只有基于工程经验进行设计的逻辑门限能量管理策略在实际商品化混合动力汽车 中得到了应用,但是该方法主要依靠已有经验设置参数初值,结合“试错法”对这些参数进行 调整,虽然具有一定的实用性,但是不能保证动力系统的最佳匹配,无法使整车系统达到最 大效率。全局最优能量管理策略,可以求得控制变量(如发动机/电动机转矩)的全局最 优解,但是这些方法需要行驶工况已知,难以应用于实车控制瞬时优化能量管理策略,在 工况未知的情况下可以实现每个时刻的燃油消耗最小, 但是需要大量的浮点运算, 实现较为 困难。 基于模糊逻辑的智能控制能量管理策略,虽然具有鲁棒性强、实时性好的优点,但是 其模糊控制器的建立主要依靠经验,无法获得全局最优。 由于混合动力汽车能量管理策略问题是一类典型多变量 (既包括连续变量又包括离散变 量)的非线性动态优化问题,故较难用某一种方法从理论上取得重大突破,目前仍无可应用 于实车控制的最优解决方案来突破能量管理策略实用化、 高性能化的技术瓶颈随着研究的 深入,人们开始逐步认识到混合动力汽车离散与连续并存问题的重要性和挑战性。 3.3 串联混合动力汽车及控制策略 串联型混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系,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。以下介绍串联型混合动力汽车的两种基本的控制模式。 1)恒温器控制模式
[9]

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,蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的好 处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池有更高的要求. 2)功率跟随控制模式 采用自动无级变速器CVT(Continuously Variable Transmission) ,通过调节CVT 速比,控 制发动机沿最小油耗曲线运行,发动机的功率紧紧跟随车轮功率的变化,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,目前应用较多,但整车成本有所上升。 现在的研究趋势是将上述两种控制模式也可以结合起来使用,同时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。 几种模式的选择中,都有电池SOC状态的评估,因此电池SOC的准确估算及其高效区的 合理评价,是整车控制策略得以正确实施的前提条件。 3.3.1串联式控制研究现状 Marine corps于2003—2004年示范的PHEV-20 HUMVEE军车的动力系统则采用串联式结构, 如图所示。该车装有锂电池和四个轮毂电机,主要作为战场侦察和监视使用。在纯电动工作 模式F,具有静音行驶、无“热痕迹”、燃油费用低等优点,这些对前线作战非常有利;在 有迅速加速和爬坡要求时,车辆以混合驱动模式行驶;当电池组不起作用或不能使用时.车 辆将以发动机单独驱动的模式行驶。美国Odyen公司研制的plug.in混合动力垃圾收集车采 用串联式结构。 该车采用Cummins West Port公司的CNG发动机, 铅酸电池组容量为50kWh, 每英里成本是原来单独使用CNG成本的一半。 天然气罐储气压力4000psi, 气罐储气容最可以 保证最小行驶里程为322公里。
[3]

3.4 并联混合动力汽车的控制策略 PHEV整车控制系统主要负责对动力元件协调控制包括合理的分配功率给动力元件、 协调 动力源耦台过程实现各种模式平稳切换等。技术难点在于功率分配控制策略的制定及实现, 以及动力元件耦合过程的精确控制等。 由于结构和能量的并向流动因素, 并联式混合动力汽车的控制策略比串联式复杂。 其策 略主要有如下几种。 [4] 1)车速因子控制策略

这种控制策略就是以车速为参考指标, 将驱动模式分为电机单独驱动、 发动机单独驱动 及电机发动机联合驱动三种模式。当汽车车速低于所设定的车速时,由电机单独驱动车轮; 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。此策略中,利 用电动机低速大转矩的特性,有效避免了发动机的怠速及低负荷工况。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。 美国K.L.Bulter 等人提出了另一种基于速度的控制策略。汽车在低速行驶时,也是由电 机单独驱动车轮;但当车速高于所设定的车速时,则采用了混合驱动。此时,发动机保持在一 个恒定的节气门开度运行,而由电机提供车轮所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定 车速并保持蓄电池组的SOC 在驾驶循环前后不变,可以减少发动机工作的时间。这种控制策 略可以明显减少汽车的排放,但电机及蓄电池组的功率较大,增加了整车自重和成本,对于采 用上述控制策略的荷电维持型混合动力汽车,还需要监视蓄电池组的SOC ,当SOC降到某一 设定值以下时,无论此时车速多低,发动机将启动,同时一部分发动机功率通过发动机向蓄电 池组充电。 2)功率因子控制策略 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,此时有利于发动机有效工作,因而发动机被启动,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,这有助于获得平稳的驾驶性能。一旦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。 在上述两种控制策略中,都存在发动机和电动机联合驱动的混合动力工况。这种工况一 般出现在车轮平均功率很高的时侯(如急加速或以较高车速爬坡) ,其控制策略有以下几种模 式: (1) 当加速踏板踩下时,发动机和电动机的功率按照一定比例同时增加,以满足驾驶员的 高功率需求; (2) 电动机功率一直增加到其最大值,然后启动发动机以提供补充动力; (3) 发动机被控制在有较高功率的低油耗区稳定运行,而由电动机来提供所需的补充功率。上述 两种控制策略都比较简单,但不能保证各部件得到最佳匹配,无法获得整车系统的最大效率, 因此优化技术被引入控制策略研究中。 3)工况优化控制策略 法国学者Sebastien DZLPRAT 和Gino PAGANELLI等人研究了带机械有级式变速器的 并联型混合动力汽车在混合动力具体工况时的能量分配优化问题,建立了以电机转矩和变速 器档位为优化变量、 以给定循环工况下发动机油耗最小为目标的有约束优化计算模型。 无独 有偶,德国学者Ulrich Zoelch 等人对带有i - CVT 的并联型混合动力汽车作了研究,以汽车 在一个给定驾驶循环工况中发动机油耗最小为目标函数,建立了包括CVT、电机效率在内的 优化计算模型,利用动态优化技术对发动机、 电动机(发电机) 所应分配的转矩和CVT 速比进 行了计算,并由此确定满足最小燃油量所需要的电机额定功率。该优化方法只能用于特定的 驾驶循环,不能用于汽车的实时控制。KIA 汽车公司的Chunho Kim 等人提出以燃油经济性 为目标的优化控制策略,该方法将电池输出功率转化为等效的燃油量,建立了基于有效燃油消 耗率的优化模型,以发动机燃油消耗量最小为目标函数,得到随车速、 电池组SOC 和所需功率 而变化的控制量(CVT 速比、电动机转矩、发动机节气门) 。这种控制策略的实质就是将发 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。车辆若常在某一具体工况 下运行,这种控制策略具有很高的应用价值。 3.3.4 并联式控制研究现状 EPRI/DaimlerChrysler Sprinter Vans(2003&2005)PHEV示范原理样车的动力系统采用
2

并联式结构,如图所示。该6辆原理样车分别在洛杉矶、纽约和德国等地进行试验运行,被 试车辆均表现出很好的性能。 原理样车的主要部件的性能参数:发动机采用2.7升汽油机或2.3升柴油机。电机的额 定功率为72kW,峰值功率为91kW。蓄电池采用容量为14kWh的镍氢电池或锂离子电池,其纯 电动行驶里程为32公里,混合行驶里程为6002公里。美国Enova公司与校车制造厂IC Corporation台作开发的PHEV专用校车也是采用并联式结构。

并联式PHEV混合动力系统总成有很多种耦台形式,不同的耦台方式优缺 点各不相同,它们工作方式和零部件参数匹配方法也不一样,本章主要介绍动 力系统总成的结构选型,并针对磁场耦合式结构动力总成的工作模式进行分析 和匹配。 插电式混合动力汽车能量管理策略多目标优化

4.

结论与趋势

1)混合动力汽车整车控制策略的制定与其结构形式有密切关联,基于具体运行工况可 以优化得到更先进控制策略; 2)建立动态的驱动系统数学模型是整车控制技术研究的重点难点; 3)SOC的实时准确估算是整车控制策略得以正确实施的保证,是未来混合动力汽车急 待解决的关键技术。 4)针对不同操纵习惯及特定工况制定的动态切换复合工况是以后发展趋势。 参考文献 [1]章桐,贾永轩编著. 电动汽车技术革命[M]. 北京:机械工业出版社,2010. [2]付主木,王斌, 高爱云, 费树岷. HEV再生制动时电池快速充电模糊控制策略[J]. 东南 大学学报(自然科学版), 2012, 42(3): 435-440.(EI: 20122715214982) [3]张博,李君, 高莹, 等. Plug-in 混合动力汽车能量管理策略优化设计[ J] . 农业机械 学报, 2009, 40( 9) : 20. [4] 张 松,吴光强,郑松林. 插电式混合动力汽车能量管理策略多目标优化[ J] . 同济大 学学报( 自然科学版),2011, 39(7) [5]王晓明;谢辉;吴志新 混合动力轿车多能源动力总成控制系统研制与开发 [期刊论文] 汽车工程2006(06) [6] 徐梁飞,相俊,剑锋. 燃料电池混合动力参数辨识及整车控制策略优化[ J]. 机械工程 学报, 2009 [7]王国海,韩以伦.汽车动力总成参效匹配与仿真机械设计与制造,2008(7) [8]周荣. 混合动力汽车与混合动力汽车用发动机. 天津: 中国国家汽车技术研究心,2005. [9]LIN C C;PENG H;JESSY W G Power management strategy for a parallel hybrid electric truck [外文期刊] 2003(11) doi:10.1109/TCST.2003.815606

[10]


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