并联混合动力中型客车多能源动力优化控制策略(4)

山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究

图2-4 后置式单轴并联结构

图2-5 前置式单轴并联结构

单轴并联结构形式的优缺点除如上所述外，还有一个特点是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配。

单轴并联结构的合成方式为扭矩合成。这种结构(发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴)将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的工作区域，造成两者特性的不匹配，为改善这种关系，需要布置一多速变速箱，这又会导致控制系统较为复杂。

并联混合动力系统一般的工作模式是：低速时和纯电动车一样只有电动机接合(即电驱动模式)，发动机只在较高车速时才开始工作。因此有利于改善低速HC, CO排放和燃油经济性。在再生制动或者高负荷运行下(例如急加速)电动机又会接合。停车时发动机关闭，由电池提供其他设备所需功率。并联式与串联式结构相比，其能量的利用率，燃油经济性相对较高;需要变速装置和动力复合装置，传动机构比串联式复杂。由于并联式HEV的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不太适合于市内行驶，而更适合于在城市间公路和高速公路上稳定行驶。

目前用于并联的策略一般有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略(实时控制策略) 和模糊逻辑控制策略三种，下面分别加以介绍。

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 ◆并联电辅助驱动式控制策略 在电辅助驱动控制策略中, 利用电动机提供额外功率, 并要保持电池的荷电状态处于允许的工作范围。具体的控制策略如下：

a. 当车速低于某一最小车速时, 电动机提供全部的驱动力； b. 当转矩需求高于发动机的最大值时, 电动机提供额外的驱动转矩；

c. 当发动机在给定的车速上效率很低时, 发动机关机, 由电动机提供驱动转矩； d. 当电池SOC过低时, 发动机提供额外扭矩带动电机工作对电池充电。 e. 回收制动能量, 为蓄电池充电；

电辅助控制策略的出发点是保证发动机工作在较高效率区, 由电动机来提供余下的功率, 没有考虑到电机的效率和发动机产生的机械能转化为电能的效率。

◆并联自适应式控制策略(实时控制策略) 这种控制策略兼顾了燃油经济性和发动机废气排放两方面的性能, 在每一个时间段内都对发动机和电动机的转矩分配进行优化控制。主要特点如下:

a. 当车速低于某一最小车速时, 由电机提供全部驱动力；

b. 当车速大于最小车速, 并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时,根据发动机的燃油消耗率和当前电池的SOC值来决定动力源；

c. 当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩, 并且小于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时, 由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机对电池充电, 取决于电池的SOC以及此时电池和电机的效率；

d. 当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时, 由电机提供扭矩助力；

e. 减速时回收制动能量。

该控制策略可以将汽车的优化设计结合发动机、排气装置、电动机和蓄电池的瞬时效率能耗和尾气排放, 根据用户定义的燃油经济性和排放目标, 由发动机、电动机及蓄电池的状态和可回收的制动能量等条件,动态调整控制策略。

◆模糊逻辑控制策略 模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。模糊逻辑控制策略目标与实时控制策略类似, 但是与实时控制策略相比, 模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点[11]。

双输入模数逻辑的两个输入分别为:(1)整车的需求功率和当前转速下发动机最优功率的差值；(2)蓄电池组SOC 值的估计值。模糊控制器对两路输入信号进行模糊运算, 经清晰化运算后得到两个比例控制系数X1 和X2 分别控制发动机和电机的控制器。

输入变量隶属度函数的设计主要根据发动机、蓄电池和电机的工作效率图, 确定各自高效运行的模糊集。各变量的隶属度函数为调整方便可以选用正态函数或者0-1 范围内的梯形图[12]。

在确定出各输入变量的量化等级和隶属度函数后, 就可以制订模糊控制规则, 所掌握的规则越多, 对系统的描述就越清晰, 控制结果也就越接近最优值。模糊控制规则的

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 主要意图是:

a. 所需功率近似为当前转速下发动机最优功率时，电机基本不工作。

b. 所需功率大于最优功率一定值时，发动机工作点位于最优工作点附近, 余下的部分功率由电机提供,同时使电机运行效率也在较高范围内。

c. SOC 超出限定值时，采取相应措施，使其回到正常范围。 2.2.3 混联式混合动力客车（PSHEV）

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构图如图2-6所示。其驱动系统是发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，但驱动电动机的发电机串联于发动机与电动机之间。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥

[13]

。

图2-6 混联结构

混联式驱动系统的控制策略是:

a. 起动时, 由电池组分别向车辆前驱动轴、后驱动轴电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；

b. 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； c. 正常行驶时, 由发动机直接驱动车辆前驱动轴；

d. 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；

e. 减速制动时, 电动机以发电机模式工作, 实现再生制动；

f. 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。

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点，以达到热效率更高，排气污染最低的效果。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高[14-15]。

2.2.4 插电式混合动力客车

目前，又开发出了一种插电式混合动力汽车PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle),它是指可以使用家用电源插座(例如110V/220V电源)对混合动力系统中电池充电的汽车，这种混合动力汽车比全混合电力汽车有较长纯电动行驶里程(30km、50km或80km，依设计而异)，但需要时，仍然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，可利用电池行驶40km，到旅程终点后，再利用电网电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池来行驶，超过50km后则可以常规的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再一次利用电网电源对电池充电[16-17]。

通用汽车公司在2007年底特律车展推出了配备汽油涡轮增压发动机E-Flex系统的Volt串联插电式混合动力车。Volt混合动力车在第十二届上海国际汽车展、通用2007高新科技能源动力技术展上展出，2010年准备量产。通用汽车公司将需量产的Volt前驱电动车取名为增程式电动车。它可以通过电力来全时、全速驱动车辆。当行驶里程小于64km(40英里)时，完全可只依靠一个车载16kWh锂离子蓄电池电力来带动电机驱动车辆。当锂离子蓄电池电力耗尽时，Volt可通过一个车载的汽油或E85乙醇燃料1.4L排量发动机延长续驶里程为车载锂离子蓄电池充电。发动机不直接参与驱动车轮，因此，Volt实际上是串联插电式混合动力车。与传统纯电动汽车不同的是Volt汽车彻底消除了人们对行驶距离的顾虑，它可以使驾驶员完全不用担心由于锂离子蓄电池电量耗尽而进退两难所带来的尴尬。雪佛兰Volt串联插电式混合动力车可通过标准家用220V电源为车载锂离子蓄电池进行插电式充电[18]。Volt车所具备智能充电技术可确保车载锂离子蓄电池能在3小时内完成充电。如果蓄电池内电量尚未完全耗尽，充电时间也会相应缩短。而在110V电源上充电时间为8小时。以平均1小时耗电8度计算，雪佛兰Volt串联插电式混合动力车在美国充电成本约为10美分／小时(折合人民币0.68元／小时)。在中国完全可以采用晚间廉价电力来充电。

Volt串联插电式混合动力车采用1.4L小排量发动机。电机功率为70kW。发电机功率为53kW。采用由A123系统公司生产的磷酸铁锂离子蓄电池，其功率为16kWh，Volt车的电动系统可产生110kW、370Nm的输出扭矩，而最高车速为161 km／h。0-96km/h加速时间为9s。

美国通用汽车(GM)在底特律车展(2008 North American International Auto Show)展出了配备柴油发动机的插电式混合动力概念车―Saturn Flextreme Concept‖，该车采用了该公司定位于下一代电动汽车平台的―E-Flex‖。E-Flex可以利用家庭电源给汽车中的锂离子

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山东理工大学硕士学位论文 第二章 YTK6605QHEV动力系统总体方案研究 充电电池充电，进行电动汽车行驶(EV行驶)。这是一款采用串联方式的插电式混合动力车， 当充电电池的剩余电量较少时，不利用发动机来行驶，而是用发动机来驱动发电机来发电，然后用所发的电边给充电池充电边驱动汽车行驶，所以该车为系列(series)式插电式混合动力车。Flextreme Concept备有排量1.3 L的柴油涡轮发动机。锂电池容量等详细信息未公布，不过每次充电最多可实现约54km的EV行驶。 2.2.5 四种混合动力驱动系统的性能特点和对比

一、SHEV驱动系统的性能特点 (一)SHEV的优点主要有四个方面[19-21]：

(1)SHEV只有驱动电动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于EV。从总体结构上来看，比较简单，易于控制，三大动力总成之间没有机械联系，在电动汽车上布置起来，有较大的自由度，可以独立地布置。

(2)SHEV的发动机－发电机组中的发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，因此，发动机具有良好的经济性和较低的排放指标。

(3) SHEV以动力电池组为基本能源来驱动，使SHEV在城市中，实现“零污染”状态的行驶。发动机－发电机组所发出的电能向动力电池组充电，用于补充动力电池组的电能，或直接供给驱动电动机，大大地延长SHEV续驶里程。

(4)可以采取电动机集中驱动系统或轮毂驱动系统。 (二)SHEV的不足主要有以下三个方面：

(1)驱动电动机的功率必须能够克服汽车在行驶过程中的最大阻力，驱动电动机的功率要求较大，外形尺寸较大，质量也较重。由于不是经常在满负荷状态下运转，因此效率较低。由于外形尺寸较大，质量也较大，在中小型车上的布置有一定的困难，但较适合在大型客车上采用。

(2)发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都有能量损失，因此发动机输出的能量利用率比较低，这是其固有的弱点。

(3)发动机－发电机组与动力电池之间的匹配要求较严格，应能自动启动或关闭发动机－发电机组，以避免动力电池组过度放电，这就需要更大的电池容量。

二、PHEV驱动系统的性能特点

(一)PHEV的优点主要包括以下三个方面：

(1)基本驱动模式是发动机驱动模式，由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，没有机械能－电能－机械能的转换过程，与串联式布置相比，能量综合效率较高。

(2)由于在车辆需要最大输出功率时，驱动电动机可以向汽车提供额外的辅助动力，因此发动机功率可以选择得较小，使汽车的燃油经济性提高。

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