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1、绪论混联式混合动力汽车控制策略研究 摘要文章以汽车对社会环境、能源利用等相关问题影响为前提，首先通过对混联式混合动力电动汽车的概述进行阐述，然后介绍了混联式混合动力系统的结构，指出控制策略的技术研究是混联式混合动力电动汽车技术开发的核心之一，也是目前混联式混合动力电动汽车设计与研究的关键所在。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优化有了更大的灵活性和可能性。本文对混联式结构的几种方案进行了介绍，其中包括本田Insight 的单轴式结构和丰田Prius 的行星齿轮机构的双轴式结构，而重点放在了对后者的介绍上。本文还对目前混联式混合动力汽车工作模式与控
2、制策略方案进行了介绍和分析。关键词 混联式；混合动力电动汽车；控制策略；优化I绪论目 录目 录11.1本课题的研究意义12 混联式混合动力电动汽车的概述32.1 混联式混合动力动力电动汽车概念32.2 混联式混合动力电动汽车的特点32.3 混联式混合动力系统的节能潜力42.4 混联式混合动力电动汽车降低排放途径42.5 混联式混合动力电动汽车分类53 混联式混合动力系统的结构63.2.1 丰田Prius行星齿轮混合动力系统73.2.2 华沙工业大学的行星齿轮混合动力系统94 混联式混合动力汽车工作模式与控制策略114.1 工作模式及其能量流动114.1.1 纯蓄电池模式114.1.2 发动机+
3、发电机+充电模式114.1.3 混合驱动模式124.1.4 回馈制动模式124.1.5 停车充电模式124.2 混合式混合动力汽车控制策略134.2.1 发动机恒定工作点模式134.2.2 发动机最优工作曲线模式134.2.3 瞬时优化模式144.2.4 全局优化模式策略154.2.5 控制策略的应用及优缺点165 混联型混合动力汽车驱动工况控制策略优化研究185.1 充电工况控制策略（Pb_c0）185.2 放电工况控制策略（Pb_c0）21结 语24参 考 文 献25致 谢261 绪论1.1本课题的研究意义 随着全球经济以及汽车工业的发展，汽车保有量也在逐年急剧增加，但汽车数量的增加却是城
4、市大气污染的主要来源，因此世界各国纷纷制定一系列十分严格的排放法规，强制要求生产低油耗小排放的汽车。但是，尽管目前内燃机电控技术和三元催化等排气净化技术广泛应用，能够大幅度的降低汽车的排放以及耗油量，可是能源紧张和排放带来的环境污染问题还是没有从根本上得到解决。为此，全球的汽车制造商都寻找新的解决办法，把主要精力放在研究开发新型节能于污染的绿色汽车。 氢燃料电池动力汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,简称FCEV),燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污 染、无
5、二氧化碳排放，是一种新型的环保动力源，另外，由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可以说是取之不尽，用之不竭的能源。提取氢的方法非常方便，一是可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行；二是可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。但是其缺点主要是成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，所以无法在短期内取代传统动力汽车。在这种情况下，混合动力电动汽车异军突起，是目前新型清洁动力汽车中最具 有产业化和市场化前景的车辆。混合动力电动汽车将两种或更多能量转换技术和一种或更多的能量存储技术集合为一体，使得混合动力电动汽车能够明显减少汽车排放和降低油耗，难能可贵的是可以达到与传
6、统汽车同样的行驶里程，另外混合动力电动汽车燃料补充便利，节能、环保也是混合动力电动汽车的主要特点，表1是四类车型的比较。表 1 四类车型的比较类型燃油消耗（L）续驶里程（KM）排放电池寿命（次）加油站 改造(元)成本（元）传统汽车100100100100EV030-500100300-400FCV5HEV40-6010040-60300-10000130-160注：表中数据表示比例关系从表1可以看出，EV和FCV都具有零排放的优点，但是燃料电池的比能以及技术发展仍然是制约其市场化的一大瓶颈，所以不能满足市场要求；HEV的燃油消耗和排放都比传统汽车低，而且HEV对电池的要求不高，并能满足日益严格
7、的汽车尾气排放标准，当前，HEV已经是汽车技术领域的一个重要的发展方向。但是，世界范围内更加严格的尾气排放标准的出台使得现有的混合动力电动汽车不能适应新形势的需要，其中大部分都存在着退市的危险，目前我国大部分汽车厂商对这种情况的处理方法基本上都停留在改进现有发动机的基础上，很少把发动机、排气系统和控制策略等因素进行综合考虑，已达到符合国III标准的目的，所以系统的研究新型混合动力电动汽车就显得尤为重要。通过前文的内容可以知道，混合动力汽车因具备节能和环保的双重优势将成为21世纪汽车工业可持续发展的必经阶段。尤其对于汇集了串联和并联混合动力汽车所有优势的混联式混合动力汽车，再加上电力机械无级变速
8、器在混联混合动力汽车上的应用，使节能和环保的双重优势发挥到了极致，因此，混联式混合动力汽车将成为混合动力汽车竞相发展的目标。但对于处于初级研究阶段的我国来说，对混联式混合动力汽车的研究将面临更大的困难，主要表现在以下三个方面: 1) 混联混合动力汽车动力总成系统构型复杂、构成方案繁多，高达几千甚至上万种，给研究人员研究带来极大的挑战。 2) 混联混合动力汽车动力总成系统具有更多的自由度，使动力总成参数匹配变成了更加复杂的非线性多目标最优求解问题。 3) 混联混合动力汽车的仿真模型和控制能源管理控制策略，以及控制参数的优化也相对于串联和并联式混合动力汽车更加复杂。 因此，本文研究正是以混联式混合
9、动力汽车的概述为前提，再结合对混联式混合动力系统的结构进行分析，将对混联式混合动力汽车工作模式进行深入研究，为混联式混合动力汽车动力控制策略优化寻求可行的理论方法。12 混联式混合动力电动汽车的概述2.1 混联式混合动力动力电动汽车概念汽车己与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多的燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放，低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，电动汽车成为最主要的选择之一。所谓混合动力电动汽车，是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(APU)，其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原
10、动机驱动的发电机组，目前所釆用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。将产生动力的部件与电能储存元件与不同的方式结合起来，可以形成不同类型的混合动力电动汽车。简而言之，混合动力电动汽车就是将传统的内燃机、电力驱动装置和储能装置结合在一起,它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。2.2 混联式混合动力电动汽车的特点混联式混合动力电动汽车的结构特点与串联式和并联式混合动力电动汽车比较，混联式混合动力电动汽车的结构特点如下： 1）将串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力电动汽车相结合，具有两者的优点; 2）与串联
11、式混合动力电动汽车相比，增加了机械动力的传递路线; 3）与并联式混合动力电动汽车相比，增加了电能的传输路线。 混联式混合动力电动汽车的优点 1）三个动力总成比串联式混合动力电动汽车三个动力总成的功率、质量和体积小。 2）有多种工作模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”。 3）发动机可直接驱动车辆，没有机械能-电能-机械能的转换过程，能量转换的综合效率比内燃机汽车高。 4）电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城市中实现“零污染”行驶。当车辆需最大输出功率时，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比串联式混合动力电动汽车好。2.3
12、 混联式混合动力系统的节能潜力传统汽车相比混合动力电动汽车耗油的原因主要有以下几种：1）发动机燃油消耗率特性和汽车实际行驶工况的需求不匹配； 2）制动能量的消耗（特别是在城市市区行驶)；3）带有液力变矩器的汽车在频繁起停的时候传动效率很低。混合动力电动汽车相比传统ICE汽车之所以节油，主要结合上述在以下方面有所改进：1）作为动力装置的发动机尺寸有所减小。2）通过控制能使发动机工作点尽量靠近或在发动机最优经济区域,提高发动机工作效率，不足动力由电机补充。3）在汽车制动时，控制电机以发电机模式工作进行回馈制动，将汽车的动能或势能部分回收。4）在频繁起停工况下：汽车停车时，若电池荷电状态处于合理范围
13、，将发动机关闭，节省发动机怠速油耗；在汽车起动时，由电机单独驱动，能避免带有液力变矩器的汽车在起动时的传动效率低的问题。2.4 混联式混合动力电动汽车降低排放途径在控制排放方面，混合动力电动汽车有若干优点，降低排放的主要途径如下。 （a）纯电动汽车模式运行混合动力电动汽车一般设计成具有纯电动运行模式。这种混合动力电动汽车在进入车辆和人口密集的城市中心时，可以关闭其发动机以纯电动方式工作，达到零排放，到了郊区时可重新启动发动机。这种车辆还可以在晚上或停车时利用电网的电充电，类似与纯电动汽车的情况。 （b）降低发动机排放混合动力电动汽车可采用电动起步，当车速达到预定值或车辆负荷达到预定水平时才启动
14、发动机，尽量使发动机工作在远离排放差的区域；采用功率小的发动机意味着混合动力车辆比起传统车辆来，在常见负荷下，可在较高的额定功率下工作，效率更高、污染最小；动力电池的功率缓冲能力可使发动机缩短冷启动时间，从而减少整车冷启动是的排放。混合动力电动汽车还可以在停车、滑行、低负荷、制动或蓄电池SOC到最大值时关掉发动机，取消发动机怠速，而当需要发动机输出力矩时重新启动，这样可以取消怠速时的排放，降低整车排放污染。2.5 混联式混合动力电动汽车分类 混合动力电动汽车是指采用两种动力源作为动力装置的汽车，HEV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。因混合动力电动汽车各个组成部件、布置方式
15、及控制策略的不同，而形成了各式各样的结构型式，混合动力电动汽车的分类方法也有多种方式。根据动力源的数量及动力传递方式的不同，分为串联型、并联型和混联型；根据行驶前后蓄电池组的荷电状态(SOC)变化情况，混合动力电动汽车可分为电量维持型和电量消耗型两种；根据发动机运行模式的不同，分为发动机开关模式和发动机连续运行模式；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴式和双轴式。 3 混联式混合动力系统的结构串联式和并联式两种混合系统均有各自的优缺点1，混联式混合动力系统结合了两种结构的优点，在能量流的控制上有更大的灵活性，可以实现油耗和排放的最佳设计目标。混联式结构通常是在并联式结构的基础上增加
16、一套发电机构,这样发动机发出的功率不仅可以与电动机的功率复合后直接驱动车辆，还可以转换成电能储存到蓄电池，进而驱动电动机。由于两者间的这种关系，在许多文献中，混联式结构也作为并联式的一种特殊结构而包含在该结构中。在混联式结构中,存在两种功率复合方式:转矩复合和速度复合。本文根据这两种复合方式，对混联式系统的结构进行简单的介绍。3.1 转矩复合式结构 最近问世的本田Insight 型混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动五档变速车创造了3L汽油行驶105km的纪录（日本法规 10 15 工况），而装备CVT 的车型也创下了3L汽油行驶96km的好成绩。在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要动
17、力，动机为辅助动力，电动力分配比为 91 。在结构上电动机和发电机集成在一起，与发动机曲轴相联。在启动和加速时，辅助电动机工作，弥补汽油机起动加速差的缺点，发挥了电动机低速大转矩的优点。在到达巡航车速后，由发动机单独驱动。减速时，电动机作为发电机对电池充电，如图1 所示。这套系统结构不是很复杂，成本低，质量小，结构紧凑；由于电动机只在启动和加速等少数工况工作，又避免了上面提到的此种结构在发动机控制上的缺点，再加上精心设计的极端稀薄燃烧发动机，使得动力性和经济性都取得较佳的性能。图1 本田Insight动力系统图 这种结构的特点是发动机通过主传动轴与变速器相联，电机的转矩与发动机的转矩在变速器前
18、或变速器后进行复合，传到驱动轴上的转矩是两者的和。这种功率复合形式被称为转矩复合。转矩复合的速度、转矩关系如式(1)。混联式混合动力系统的结构 Ts =（Te+KTm） （1） ns = ne = nm/ K （2）式中,Te、Tm、Ts 分别为发动机、电动机和变速箱输入转矩；ns、ne、nm 分别为变速器输入轴、发动机和电动机转速；为传动效率；K 为传动比。在这种结构中，发动机与主传动轴之间通过机械联接。随着行驶工况的变化，发动机的转速必然会随车速变化。这就使发动机的工作点选择受到了限制，为选择控制策略增加了困难。为了调节发动机的输出转矩，可以通过式 (1) 中的转矩关系，根据需求转矩，调节
19、电动机的转矩，使得发动机转矩输出保持恒定或调整到其设定值。3.2 速度复合结构随着丰田Prius 混合动力电动车的推出，采用行星差速机构的混合动力系统逐渐流行。这种型式通过行星机构可以实现多个部件转速的复合，而各个部件间的转矩保持一定的比例关系，这种功率复合形式被称为速度复合。这种行星机构有两个自由度，但通过不同离合器和制动器的作用，可以实现单自由度、固定传动比的传动。目前对于这种混合动力系统的研究很多，也出现了许多种结构3 ,4 。3.2.1 丰田Prius行星齿轮混合动力系统图2 为丰田公司Prius 的驱动系统结构示意简图，它的驱动系统被公认为目前最成功的混合动力结构之一。 图2 丰田P
20、rius混合动力系统结构示意图在此结构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传给外圈的齿圈和内圈的太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机一部分转矩(大约为70%)直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上。发电机发出的电将根据指令或用于给电池组充电，或用于驱动电动机以增加驱动力。 (1 + ) ne = ng + nr （3） Te = （1 + 1/）Tg =（1 + ）Tr （4） nm = nr （5） Tw = Tm + Tr = Tm + T/（1 + ） （6） Nw = nr/K =（1 + ）ne - ng/K （7） 式中，为太
21、阳轮齿数与齿圈齿数之比（01）；ne、ng、nr、nm、nw 为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转速；Te、Tg、Tr、Tm、Tw为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩； K 为齿圈与驱动轴间的传动比。 通过对行星机构的变速比和受力分析可以得到公式（3）（4）（5）（6）（7）。在驱动轴转速不变时，通过调节发电机使发动机转速可以变化，而不像转矩复合结构那样，发动机转速受驱动条件的制约。此外发动机、发电机的转矩与作用在齿圈上转矩是成一定比例的，传到驱动轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩 (为负时代表制动能量回收)的矢量和。这种结构可以有非常灵活的控制策略，因此可以实现对混合
22、动力能量流的最优控制。 通过不同制动器和离合器的作用，这套行星差速机构可以实现下面的功能：1)启动及低速工况：从静止起步到车速低于一定的车速，如30km/h 时，发动机不启动，行星系统只有一个自由度，车辆由驱动电机驱动，为纯电动工况。2)正常行驶工况：此时发动机功率通过行星系统分为二条路线，一条是通过齿圈直接传到变速器，另一条是驱动发电机发电，给电池充电或者通过电动机驱3)加速爬坡工况：此时发动机的工作情况与正常行驶工况一样，而电动机不仅由发电机提供能量，还要从电池获得能量，此时系统工作在混合模式。4)减速制动工况：在踩下制动踏板后齿圈轴反拖电机轴旋转，电机作为发电机发电，向蓄电池充电，同时产
23、生制动转矩。5)充电模式：在需要时发动机可以仅驱动发电机向蓄电池充电。 该混合动力系统的功能在实际中要比上面讲的细致、复杂得多。而且丰田Prius 用的发动机是针对混合动力系统的工作特点精心设计的，该发动机通过减少燃烧室容积，提高了压缩比。延迟进气门的关闭，降低气缸压力，以消除增加压缩比带来的爆震的影响：采用更小、更轻的零部件，以减轻发动机的整体重量，这些改进措施提高了发动机的热效率。再加上使用混合系统让发动机始终工作在高负荷工况，避免了效率较低的低负荷工况，这些措施使发动机的平均效率上升50 %左右。丰田Prius 的混合动力系统结构上是较为复杂的，无论在制造上和控制上都带来一定的困难，但正
24、是这种复杂结构带来了控制上的灵活性，可以获得较佳的性能。3.2.2 华沙工业大学的行星齿轮混合动力系统如图3所示，在这种混合动力系统中同样使用的是行星齿轮差速机构，不同的是在这种动力系统中只有一个电机，既可以作驱动电机也可以作制动回收能量的发电机。齿圈与电机轴通过齿轮相联，该齿轮与电机之间有轴制动器B2。发动机与太阳轮相联，两者之间有离合器C和轴制动器B1。行星架与驱动桥上的差速器相联。电机、发动机和驱动轴间的转速和转矩关系如式（8）（9）。 图3 华沙工业大学的混合动力系统ICE:内燃发动机；C：离合器；EM：电机/发电机；Bat：蓄电池；B1、B2：轴制动器：DG：主减速器；TW：驱动轮；
25、CU：控制单元；PG：行星齿轮机构（2个自由度） （1 + ）nc = ne + nm （8） Tc = （1 + 1/）Te =（1 + ）T （9） 这种结构也可以实现无级调速，却无法实现发动机转矩与电机转矩的直接叠加。但是输出转矩却大于发动机或电机的单独输出的转矩。这种结构需要电机有较大的转矩，以满足公式（3）中的转矩关系。这种结构与丰田Prius 的结构相比，结构上简单一些，在制造工艺和控制上都更容易一些，性能也较差一些。除了以上两种结构外，还有许多不同的行星齿轮混合动力系统。各种系统在结构上由于电机、发动机的位置不同而不同，但应该说大同小异，各部件的转速、转矩一定要满足行星差速机构的
26、转速和转矩方程。9混联式混合动力汽车工作模式与控制策略4 混联式混合动力汽车工作模式与控制策略 混联式结构通常是在并联式结构的基础上增加一套发电机构,这样发动机发出的功率不仅可以与电动机的功率复合后直接驱动车辆,还可以转换成电能储存到蓄电池,进而驱动电动机。混联式混合动力系统结合了两种结构的优点, 在能量流的控制上有更大的灵活性,可以实现油耗和排放的最佳优化目标。4.1 工作模式及其能量流动4.1.1 纯蓄电池模式 启动及低速运行时,从静止起步到车速低于一定的车速,如低于30km/时，发动机不启动，行星系统只有一个自由度, 车辆由驱动电机驱动，为纯电动模式。能量流动如图4所示。图4 纯蓄电池模
27、式能量流动图4.1.2 发动机+发电机+充电模式 在正常行驶时，发动机功率通过行星系统分为二条路线，一条是通过齿圈直接传到变速器，另一条是驱动发电机发电，给蓄电池充电或者通过电动机驱动。此时的能量流动如图5所示。图5 发动机+发电机+充电模式的能量流动图4.1.3 混合驱动模式 在汽车加速爬坡时，此时发动机的工作情况与正常行驶工况一样，而电动机不仅由发电机提供能量还要从电池获得能量，此时系统工作在混合模式。能量流动图如图6所示。图6 混合驱动模式能量流动图4.1.4 回馈制动模式 在减速或制动时，利用电动机的反拖作用，电机作为发电机发电，向蓄电池充电，同时产生制动转矩。能量流动图如图7所示。图
28、7 回馈制动模式能量流动图4.1.5 停车充电模式 起步前或停车后如果电池SOC很低，可以进行停车充电。能量流动图如图8所示。图8 停车充电模式能量流动图4.2 混合式混合动力汽车控制策略 混联式混合动力汽车由于结构相对比较复杂，为了让发动机、电机等各部件相互协调工作，就需要有良好的控制策略，其基本思路通常有两种:一是直接法，即直接将优化目标(如油耗等)表示为系统状态、控制变量的函数;而是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，得到整个系统的能量损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量，如发动机转矩、转速、蓄电池的放电电流等。从这两种基本思路出发，可以
29、得到许多具体的控制策略，下面作一下简要的介绍。4.2.1 发动机恒定工作点模式这种策略采用发动机作为主要动力源，电机和电池通过提供附加转矩的形式进行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮机构使发动机转速可以不随车速变化，这样使发动机工作在最优的工作点提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电机提供。这样电动机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失。而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，也更容易实现。4.2.2 发动机最优工作曲线模式 这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱动条件决定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。在这种策略下
30、，让发动机工作在万有特性图中最佳油耗线上。发动机在高于某个转矩或功率限值后才会打开；发动机关闭后，离合器可以脱开(避免损失)或接合(工况变化复杂时，发动机起动更为容易)，只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电机驱动电流需求超出电机或电池的允许限制时，才调整发动机的工作点。 图9 发动机最优工作曲线图4.2.3 瞬时优化模式在发动机最优工作曲线模式思想的基础上,对混合动力车的在特定工况点下整个动力系统的优化目标(如效率损失、名义油耗)进行优化，便可得到瞬时最优工作点，然后基于系统的瞬时最优工作点，对各个状态变量进行动态再分配。通常的瞬时优化策略采用名义油耗作为控制目标，这种控制策略要求将
31、电机的能量损耗转换为等效的发动机油耗得到一张类似于发动机万有特性图的电机损耗图。电机的等效油耗与发动机的实际油耗之和称为名义油耗。瞬时油耗模式从保证系统在每个工作时刻的名义油耗最小出发，动态进行传动比选择和转矩分配。这种策略和发动机最优工作曲线策略相类似只是最佳的优化曲线是从名义油图上得出。也有的瞬时优化策略从功率损失出发对混合动力系统中各部件的瞬时总功率损失进行优化。在这种策略中，对发动机工作点不仅要根据油耗曲线来设定还要考虑电池的荷电状态(SOC)。如果电池的荷电状态在特定的驱动任务后太低，就应该增大发动机的功率反之也相应地进行调整。在这种调整工程中就会产生能量损失，因此就要使这种能量损失
32、最小。这里采用了称为灵敏度分析的方法。对车辆而言，在给定的驱动条件下(对应传动轴转速nds和转矩Tds)可以找到一个特定的发动机工作点(ne0,Te0)和电池电流(Ib0)与最小功率损失(Pl0)相对应。控制策略的目的是要改变电池的充电电流(Ib)而使因此产生的能量损失最小。为了研究在不同电池充电电流下效率损失的变化,采用灵敏度分析。 S = Pl/PI = Pl(ne,Te) - Pl0/ Ib(ne,Te) - Ib0 （10）式中Pl(ne,Te)表示电池电流改变到Ib(ne,Te)后对应于发动机工作点(ne,Te)的功率损失，Pl0、Ib0表示对应于特定驱动条件下的最小功率损失及此时的
33、电池电流。灵敏度S表示每增加单位充电电流而增加的功率损失，它在特定驱动条件下是发动机工作点的函数。如图10所示灵敏度的选择根据不同的驱动任务而修改电池的负载越高，电池的放电电流就越大电池的SOC就会越低。所以可以确定电池的SOC和选择的灵敏度的关系如果电池的SOC等于标准设定值就可以在策略中选择灵敏度最小也就是灵敏度为0，发动机可以工作在最低油耗点；当电池的SOC接近最低许可值时，电池必须要充电而不论驱动情况如何可以选择较高的灵敏度。这样便可确定最佳的灵敏度选择函数，使得对应的驱动条件下动力系统的瞬时能耗最小。图10 瞬间优化模式工作曲线图4.2.4 全局优化模式策略由优化理论可知，瞬时最小值
34、之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模式并不能导致全局最优的控制策略。全局优化模式实现了真正意义上的最优化，但实现这种控制策略的算法往往都比较复杂计算量也很大，在实际车辆的实时控制中很难得到应用。通常的作法是把应用全局优化算法得到的控制策略作为参考，再与其它的控制策略，如发动机最优工作曲线模式等相结合，在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。经典的动态最优控制理论有变分法、极小值原理和动态规划3种方法。这里介绍的是采用贝尔曼(Bellman)动态规划理论进行全局优化的策略。这个原理假设系统发展可以用状态方程来描述，状态变量是电池荷电状态(SOC),每一节点代表每一时刻(横轴)对应的SOC
35、值(纵轴)如图11所示。假设初始(t=0)SOC是A而终止SOC是E，连线上的数字代表了从一点到另一点的燃油消耗量，用L(1N)代表每一节点积累的油耗量(以克为单位)。应用此原理可以得出最优的途径(从A到E)是ABCDE。在实际的混合动力系统的仿真优化中Bellman过程这样来实现：首先要通过离散SOC来建立Bell2man过程的节点，SOC离散精度可以选择为1%，时间步长可以确定为1s。然后计算各SOC节点之间连线的权重，这个权重对应于实现SOC变化而需要的发动机油耗。只要那些从初始SOC节点可以到达或可以由此出发达到终点SOC的节点都要被考虑，在循环工况中计算各连线权重保留最优解，实现电机
36、和发动机的功率要求和传动比的全局最优化。仿真结果显示，在某种工况循环下，通常全局优化比瞬时优化降低油耗5%到20%。图11贝尔曼动态规划全局优化原理图4.2.5 控制策略的应用及优缺点全局优化控制策略实现了真正意义上的最优化，但实现这种控制策略的算法往往都比较复杂，计算量也很大，在实际车辆的实际控制中很难得到应用。通常的做法是把应用全局优化算法得到的控制策略作为参考，再与其他的控制策略，如发动机最优工作曲线模式等相结合，在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。在四种控制策略中，瞬时优化控制策略不受具体行驶工况的限制,能实现任一时刻能量流动过程中的能量损失最小，不足的是需要大量的浮点运算,
37、实现较困难,且无法保证汽车在整个运行工况的最优；全局优化控制策略可以求得控制变量的全局最优解不足的是需要已知行驶工况难以应用于实车控制；发动机恒定工作点控制策略简单,实用性强,应用广泛主要依赖于经验,但不能适应整车行驶过程中的动态变化；发动机最优工作曲线控制策略鲁棒性强,实时性好但控制系统的软件和硬件都较复杂难以实现最优。15混联型混合动力汽车驱动工况控制策略优化研究5 混联型混合动力汽车驱动工况控制策略优化研究 根据上述对混联型混合动力汽车运行工况的分析，为计算方便起见将其归纳为以下三个工况:充电工况、放电工况和制动工况。对于充电工况和放电工况，分别建立了基于发动机、发电机/电动机和蓄电池效
38、率图的系统综合效率模型，并以系统综合效率最大化为优化目标建立了控制策略优化模型。制动工况则采用了基于再生制动能量回收最大化为优化目标的控制策略。在本章中，主要研究充电工况和放电工况。5.1 充电工况控制策略（Pb_c0） 电机1工作为发电机(Pmgi0) 当汽车在低速匀速行驶，且蓄电池SOC值己低于设定的目标值时，则发动机启动运行对外输出功率。由于此时发动机处于轻载负荷工况，为了提高发动机的负荷率和维持发动机相对较高的转速，发动机富裕功率通过电机1发电和电机1调速作用来实现，其电能有以下三种可能的能量流模式: 1)发动机部分输出功率通过电机1向蓄电池充电，电机2关闭; 2)发动机部分输出功率通
39、过电机1向电机2(作为电动机)提供电能; 3)发动机部分输出功率通过电机1向蓄电池充电，同时也向电机2(作为电动机)提供电能。 图12 充电工况混合动力系统等效模型（PmgI0） 由于蓄电池组中的电能都来源自发动机油箱，根据Chunho Kim等人提出的并联型混合动力汽车等效模型的概念，在此工况中，将蓄电池组简化为一等效油箱2，而电机2简化为等效发动机。在充电工况下，将系统综合效率定义为驱动轮处输出功率与发动机油箱实际向汽车传动系统输出的功率之比。图12是电机1作为发电机即PmgI时充电工况混合动力系统等效模型。发动机油箱1输出功率与发动机曲轴的输出功率的关系式为: Pkl = Pe/e （1
40、1）式中：Pkl是发动机油箱1的输出功率，W；Pe是发动机曲轴输出功率，W；e是发动机的热效率，是发动机转矩和转速的函数。发动机输出功率中的富裕部分功率通过电机1向蓄电池充电和/或向电机2供电。设发动机传输给电机1的功率为PmgI，电机2输出功率为PmgII，则蓄电池获得的充电功率为： Pb_c = (PmgImgI + PmgII/mgII)b_c （12）式中：Pb_e是蓄电池充电功率(Pb_c0)，W；PmgI是电机1的输出功率，W；mgI是电机1的效率，是电机1转矩和转速的函数；PmgII是电机2的输出功率，W；mgII是电机2的效率，是电机2的效率，是电机2转矩和转速的函数；b_c是
41、蓄电池的充电效率，是电池充电功率、SOC和温度的函数。因此，输入到蓄电池等效油箱2的功率为: Pk2 = Pb_c/e （13） 根据系统综合效率的定义，输入到传动装置的功率并不是燃油的所有输出功率，因此储存于蓄电池的那部分能量不予计算。所以油箱1实际向汽车传动系统输出的功率Pea为: Pea = Pk1 + Pk2 =（e + Pb_c）/e （14）式中：Pr只为驱动轮处需求功率，W。 为了降低混合动力汽车系统的燃油消耗率，发动机、电机工、电机且和蓄电池应运行在系统综合效率最高的区域，因此取系统综合效率最大化作为优化目标函数，在本文里取系统综合效率的倒数作为优化目标，即: minf（x）=
42、 min（l/s）= min(Pe + Pb_c)/(Pre) （15）上述优化问题可取发动机的转矩和转速为优化控制变量(下同)，发动机、电机1和电机2转矩、转速和驱动轮需求功率之间的关系式为： Pe = Tene/30 （16） PmgI = TmgInmgI/30 （17） PmgII = TmgIInmgII/30 （18） nmgII = vi。/（0.377R） （19） nmgI =（ne - nmgII（1 + ）/ （20） TmgI = Tep （21） Pr=Te（1+）pnmgII/30+TmgIInmgII/30r （22）约束条件为： g1 = Te - Temax0
43、 g2 = ne - nemax0 g3 = nemin - ne0 g4 = TmgInmgI/30 - PmgImax0 g5 = TmgIInmgII/30 - PmgIImax0 g6 = |Pb_c| - Pb_cmax（SOC）0 式中：TmgI为电机1的输入转矩，N.m；TmgII为电机2的输出转矩，N.m；V为汽车车速，km/h；i。为主减速器传动比；R为车轮滚动半径，m；T为汽车机械传动效率；Temax为发动机最大输出转矩，N.m；nemin、nemax分别为发动机最低和最高转速，r/min；PmgImax、PmgIImax分别为电机1和电机2的最大功率，W；Pb_cmax为蓄电池荷电状态SOC对应的最大充电功率，W。电机2作为发电机（PmgII0） 汽车在中高速巡航行驶时，为了进一步提高发动机负荷和使其运行在转速相对较低和燃油经济性高、排放低的区域里，此时可以通过电机1作为电动机和电机2作为发电机来实现，其电能可能有以下3种可能的能量流模式: 1)发动机部分输出功率通过电机2仅向蓄电池充电; 2)发动机部分输出功率通过电机2仅向电机工(作为电动机)提供电能;3)发动机部分输出功率通过