浅析混联式混合动力电动汽车控制策略(编辑修改稿)

浅析混联式混合动力电动汽车控制策略(编辑修改稿)内容摘要：

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，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。 混联式 混合动力 电动 汽车的排放问题 在控制排放方面，混合动力电动汽车有若干优点，降低排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桂 林 航 天 工 业 院 第 10 页 共 25 页 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。 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。 桂 林 航 天 工 业 院 第 11 页 共 25 页 3 混联式 混合动力电动汽车结构与工作原理 根据动力源的数量及动力传递方式的不同，混 合动力电动汽车分为串联型、并联型和混联型 3种典型结构，不同结构实施不同控制策略。 控制策略的制定是混合动力电动汽车开发的关键，因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。 控制策略研究作为电动汽车的关键技术之一受到了普遍重视。 本章主要以介绍混联式电动汽车结构与工作原理为主。 串联式混合动力电动汽车结构 及工作原理 串联式混合动力电动汽车结构原理串联式混合动力电动汽车最简单，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和动力传动装置 驱动车轮结构 （ 见图 31)。 图 31 串联式混合动力电动汽车结构原理 并联式混合动力电动汽车结构 及工作原理 （ 1） 并联式混合动力电动汽车结构 并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立驱动系统，可以采用发动机驱动、电力驱动或混合驱动 3种工作模式。 从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。 国内外对并联式的混合动力电动汽车精力投入较其它两种形式要多，并且出现了多种并联式混合动力电动汽车控制策略。 （ 2） 并联式混合动力电动汽车 的 原理 桂 林 航 天 工 业 院 第 12 页 共 25 页 并联式混合动力 电动汽车发展迅速，它的一般原理结构 （见 图 32） ，动力复合装置采用行星轮系。 目前也有将发动机和电机直接同轴串联的新结构出现，它通过磁场叠加原理完成动力复合，省略了机械动力复合装置。 图 32 并联式混合动力电动汽车结构原理 混联式混合动力电动汽车结构 及工作原理 （ 1） 混联式混合动力电动汽车结构 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，能使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更 容易实现排放和燃油消耗的控制目标。 种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作，在另一种情况下则以并联式工作。 根据不同的驱动条件来选择具有优势的驱动方式。 但这种布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。 （ 2） 混联式混合动力电动汽车结构原理 混联式结构最能体现混合动力系统的最优化思想，同时也是最复杂、型式最多样和研究难度最大的结构。 下面就以丰田 2020年最新推出的 Lexus RX400h为例，介绍混联式混合动力电动 汽车结构和控制策略特点。 丰田 Lexus RX400h混合动力车驱动系的结构 （见图 33）。 桂 林 航 天 工 业 院 第 13 页 共 25 页 图 33 丰田 Lexus RX400h混合动力系统结构原理 该车包含了 4个动力源：发动机、发电机、前轮驱动电动机和后轮驱动电动机，前 3个动力源通过行星齿轮连接起来构成多能源的藕合驱动。 在此基础上，双轴式驱动系统增加了后轮驱动电动机，与前驱动轴相比，后驱动轴只少了一种发动机、电动机动力复合驱动模式。 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分 发挥了两种驱动形式各自的优点。 能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。 一种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一个离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作 ， 在另一种情况下则以并联式工作。 根据不同的驱动条件来选择具有优势的那一种驱动方式。 但是这种布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。 驱动系统是将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。 动力从发动机输出到与其 相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机 ， 另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。 这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个不同的速度 (例如：发动机的转速与差速器输入的转速 )。 此时车辆并不是串联式或者并联式 ， 而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。 但其对控制系统的要求很高。 桂 林 航 天 工 业 院 第 14 页 共 25 页 4 混联式 混合动力电动汽车 控制策略概述 混联式混合动力电动汽车 的 控制策略 混联式混合动力电动车在结构上集成了串联与并联系统，其制方法在同样也可充分利用它们各种控制方法的优点。 混联式由于其结构的复杂其控 制系统也非常复杂。 在传统的控制领域里 ， 控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，贝 U 越能达到精确控制的目的。 然而，对于复杂的系统，由于变量太多 ， 往往难以正确的描述系统的动态，于是对其控制系统进行简化，才能达成控制的目的。 传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统 ， 则显得无能为力。 自从 Zadeh 发展出模糊数学之后 ， 对于不明确系统的控制有极大的贡献，自 70 年代后，便有一些实用的模糊控制器相继的完成，使得我们在控制领域中又向前迈进 了一大步。 模糊控制是把模糊数学理论应用于自动控制领域 ， 从而产生的控制方法称为模糊控制方法，模糊控制有其优点，主要表现为： 1 无需预先知道被控对象的精确数学模型； 2 容易学习和掌握模糊逻辑控制方法 (规则由人的经验总结出来、以条件语句表示 )； 3 有利于人机对话和系统知识处理 (以人的语言形式表示控制知识 )。 在混联混合动力系统中的控制中需要加入模糊控制器才能使混联混合动力的节能优势发挥充分。 1)起动时，由电池组分别向车辆前驱动轴、后驱动轴电动机供电直到发动机可以较高效 率工作时，起动发动机并用于驱动车辆前轴； 2)轻载时，发动机关闭，车辆前驱动轴由电池组、电动机系统驱动； 3)正常行驶时，由发动机直接驱动车辆前驱动轴； 4)全节气门开度加速时，发动机和两个电动机同时工作用于提供车辆驱动行驶功率； 5)减速／制动时，电动机以发电机模式工作，实现再生制动； 6)电池组充电模式，在车辆正常行驶过程中，当电池组电量偏低时，应对电池组进行补充充电； 桂 林 航 天 工 业 院 第 15 页 共 25 页 7)四轮驱动，若前驱动轴出现打滑时，与该驱动轴相连的电动机以发电机模式工作，吸收发动 机的部分输出能量，并转化为电能输出到与后驱动轴相连的电动机，由电池组实现功率流之间的分配调整。 混联式混合动力电动汽车的工作模式及控制系统 混联式混合电动车的工作模式设计为准备启动工况、起步工况、发动机微加速工况、低载荷巡航工况、节气门全开工况、减速工况和倒车工况。 在各种工况中模糊理论通过各系统组成的共同控制实现节能，下面介绍各部分的控制 : 混合动力系统 ECU 的控制根据请求扭矩、再生制动和 HV 蓄电池的充电状态控制发动机、电动机和发电机。 具体工作状态有单位、加速踏板踩下角度和车速来确定。 混合动力系统 ECU 监控 HV 蓄电池的充电状态和温度。 发电机和电动机以对这些项目实施最有控制。 发动机 ECU 的控制 发动机 ECU接收 HV ECU发送的目标发动机转速和所需的发动机动力，来控制ETCSi系统、燃油喷射量、点火正时和 WTi系统。 变频器的控制 根据 HVECU提供的信号，变频器将 HV蓄电池的直流电转换为交流电来驱动发电机、电动机 ， 同样也可进行逆向过程。 此外，变频器将发电机的交流电提供给电动机。 电动机和发电机的控制 发电机由发动机带动旋转，产生高压，操作电动机并为 HV蓄电池充电。 另外它作为启动机启动发动机； 由发电机或 HV蓄电池供电驱动，产生车辆动力； 制动时或加速踏板未被踩下时它产生电能为 HV蓄电池再次充电 （ 再生制动）； 速度传感器检测到发电机、电动机的转速和位置并将信号输入到 HV ECU； 电动机上的。