1、插電式混合動力汽車能量控制策略摘要：環境污染和能源短缺成為近幾年來汽車工業發 展面臨的兩大難題，各國政府和汽車使用人員的節能減排意 識在不斷加強，大力發展新能源汽車成為汽車工業可持續發 展的大勢所趨。 作為一種介于傳統混合動力電動汽車 HEV 和 純電動汽車 EV 之間的新型混合動力汽車，插電式混合動力 電動汽車(Plug-inHEV)因既可以利用非車載充電裝置充電 來保證一定距離的純電動續駛里程，又可以用混合動力模式 長途行駛來降低燃油消耗率，而成為最終向清潔能源汽車過 度的最佳選擇。關鍵詞：插電式混合動力汽車；能量管理；策略研究引言 隨著我國汽車保有量的逐年增加，汽車能夠給人們帶來 更多的

2、方便。同時人類也面臨著許多問題，例如，石油資源 的短缺和大氣污染等。所以純電動汽車以及混合動力汽車越 來越受到人們的關注。純電動汽車之所以能夠實現零排放， 因為純電動汽車是解決石油資源短缺和大氣污染問題的理 想途徑之一。由于電池技術、充電站以及續駛里程的種種因 素限制了純電動汽車的發展。由于插電式混合動力汽車即可 以做到短途行駛零排放，節能環保，又可以做到增加續駛里 程，不影響長途駕駛的需求，所以成為發展的重點。所以本 文重點對插電式串聯混合動力汽車的能量管理控制策略進 行研究。1 能量管理控制策略研究插電式串聯混合動力汽車與燃油汽車相比有多種工作 模式，插電式混合動力汽車的核心內容是在多種工

3、作模式下 的控制策略的制定。控制策略不僅直接決定了汽車整車的動 力性能，也決定著汽車的經濟性，所以本文與傳統控制策略 相比，提出了一種基于駕駛員需求的能量管理控制策略。1.1 插電式串聯混合動力汽車的工作模式 插電式串聯混合動力汽車具有兩個能量源，一個是電池， 一個是發動機 -發電機組， 因此它有多種工作模式。 又由于混 合動力汽車能夠實現制動能量回饋，所以在整車行駛過程中， 插電式串聯混合動力汽車具有以下幾種工作模式。1）純電動模式 插電式串聯混合動力汽車的常用模式是純電動模式，光 由電池提供電能給驅動電機，這種模式常用于短途行駛，其 工作原理與純電動汽車完全相同。這種工作模式下可以做到 整

4、車零排放和零污染，并且電能來源于電網充電，經濟性比 較好。2）發動機 -發電機組單獨驅動模式發動機 -發電機組單獨驅動模式是利用 ?l 動機-發電機組 提供電能。能量來源于發動機將化學能轉化為動能，再驅動 發電機發電，并且沒有多余的能量給電池充電。3）電池與發動機 -發電機組共同驅動模式 在這種工作模式下需要驅動電機提供較大的功率，而且 電池還得提供電能的情況下， 這時電池和發動機 -發電機組共 同提供電能給驅動電機。這種模式常用在汽車爬坡或急加速 等功率需求較大的情況下。4）發動機 -電機組驅動 +充電模式這種模式是當電池組的 SOC值低于門限值時，發動機- 發電機組工作。 發動機 -發電機

5、組提供的電功率遠遠大于整車 的驅動需求，因此把多余的能量給電池充電。5）能量回收模式 這種模式是當汽車在下坡或制動過程中，由車輪反拖驅 動電機發電給電池充電，而且驅動電機也會提供一定的反拖 制動力。這種模式下電池和發動機 -發電機組均不提供電能。本文插電式串聯混合動力汽車將遵循控制策略在 5 種工 作模式中進行變換，以實現在不同工況下兼顧汽車整車動力 性和經濟性。2 現有能量管理控制策略的發展過程與分析 本文針對插電式串聯混合動力汽車的能量管理控制策 略進行研究，首先從現有的能量管理控制策略出發。現在的控制策略都是通過對發動機 -發電機組的開關控 制，然后以電池SOC值作為門限值，根據SOC值

6、的變化來判 定發動機 - 發電機組的開關。 當汽車以純電動模式行駛一段時 間后電池的SOC值會降低，當汽車電池的SOC值小于最低門 限值SOCmin時，發動機-發電機組開始工作從而為整車提供 電能，使整車進入混合動力工況。如果汽車在行駛過程中， 電池的SOC值高于最高門限值 SOCmax時，發動機-發電機組 將關閉， 使整車進入純電動工況。 當汽車電池電量在 SOCmin 與SOCmax之間時，發動機-發電機組將維持之前的工作模式， 進入保持模式。這種控制策略是各種控制策略的基礎，任何控制策略都 要遵循這個大原則。這種控制策略的目的是盡可能的讓整車 保持純電動行駛，這樣就可以保證汽車在電池電量

7、比較充足 時處于純電動行駛，并且可以獲得較好的經濟性和低排放。隨著對控制策略的不斷研究，人們希望在混合動力工況 下能追求更好的經濟性，并且兼顧動力性。首先是發動機單 工作點的控制策略，又稱為“恒溫器”式控制策略。也就是 混合動力模式下發動機只工作在一個預先設定好的工作點 上，發動機的工作點不會隨汽車整車的行駛工況而發生變化， 這樣就可以為整車提供穩定的電能。對于此工作點的選擇將 會成為影響整車經濟性和動力性的關鍵因素。因此，這種控 制策略的核心就在于發動機工作點的選擇，不僅要滿足整車 動力還要具有良好的經濟性。3 發動機多工作點控制策略分析3.1 能量管理控制策略的確定 本文根據汽車整車使用的

8、需求，決定選擇發動機多工作 點的控制策略。這種控制策略的優點是可以控制發動機的有 限個工作點，使其都工作在發動機效率較高的區域，并且可 以根據使用需求調整工作點。這種控制策略結合了恒溫器式 控制策略和功率跟隨式控制策略，是目前比較好的控制策略 之一，選擇了 3 個點作為發動機的工作點。根據整車的使用 需求，發動機的工作點可以在這 3 個點中進行任意的切換。 這樣不僅兼顧了汽車整車的電能需求，而且還能獲得較好的 經濟性。3.2 發動機工作點的確定 發動機工作點的確定是發動機多工作點控制策略的一 個核心問題，所以發動機工作點的確定需要遵循以下幾個步 驟：1）需要從汽車整車的能量需求出發，分析整車在

9、不同工況下對電能的需求。2）通過分析發動機 MAP 圖，能夠找到發動機工作效率 比較高的區域。3）結合整車對于電能的需求和發動機工作效率比較高 的區域，初選發動機的 3 個工作點。在選擇發動機工作點的 過程中，要盡可能的使工作點落在發動機的高效區，這樣可 以保證較好的經濟性。3.3 發動機工作點變化分析 確定發動機工作點后，在控制策略中至關重要的一個問 題是根據什么改變工作點。一般來說就是根據整車的動力性 需求來改變工作點。如果整車對電能的需求大則需要發動機 -發電機組提供的電能也大。 當整車對電能的需求小時， 由于 考慮經濟性，則要減少發動機 -發電機組提供的電能。但是， 落實到實際控制策略

10、中，如何體現整車對電能需求和發動機 工作點的聯系是本文關注的重點。根據現有的控制思路，借鑒功率跟隨式控制策略可以時 時根據整車的工況來判斷此時整車的能量需求，用來改變發 動機工作點，這是比較直接的方式，也就是說整車行駛受到 的阻力越大驅動電機消耗的電能也就越大， 那么發動機 -發電 機組就會輸出更多的電能。也有一些人提出了根據不同的車 速的改變不同的工作點。這種思路來源于整車車速越高，驅 動電機需要的電能也就越大，因此根據車速的不同來調整不 同的工作點。但是，這兩種控制策略都存在弊端。不管是根 據行駛工況還是根據車速來調整發動機工作點，發動機的工 作點變化永遠是滯后于整車的需求，即只有路況或車

11、速變化 后整車才會根據變化來做出改變。并且對于根據車速改變發 動機工作點的控制思路，就不能做到在低速時發動機提供高 功率輸出，這就使得在急加速或者低速爬坡時，本應需求發 動機 -發電機組提供較多的電能， 但是卻無法實現。 并且此時 電池被迫提供?A大能量進行大電流放電，不僅影響電池使用 壽命，而且又不能獲得理想的能量分配。所以，本文希望控 制策略不僅能做到發動機工作點的改變不滯后于整車需求， 即任何時刻發動機 -發電機組都能及時提供合適的電能， 并且 無論低速或者高速， 在整車需求發動機 -發電機組高功率輸出 時都能提供充足的電能。4 基于駕駛員需求的能量管理控制策略 根據加速踏板對驅動電機的

12、控制原理，結合本文給出的 基于駕駛員需求的能量管理控制策略，本文最終確定將加速 踏板的行程分為 3 個階段，而且跟發動機設置的 3 個工作點 相對應。根據加速踏板行程的改變，完成發動機3 個工作點的改變。該控制策略可以根據駕駛員控制油門踏板調整發動 機工作在低功率、中功率和高功率輸出點，具體控制策略圖 如圖 1.9 所示。當電池SOC值低于SOCmin時進入混合動力工況，混合 動力工況下控制策略為：加速踏板行程處于 0%-x%之間時，發動機將以低功率工 作點工作。加速踏板行程處于 x%-y%之間時，發動機將以中功率工 作點工作。加速踏板行程處于 y%-100%之間時，發動機將以高功率 工作點工

13、作。當電池SOC值高于SOCmax時，進入純電動工況。這種控制策略不僅引入了駕駛員的控制，而且使發動機 工作點的切換不再滯后于整車的性能需求。只要駕駛員深踩 下油門踏板， 發動機 -發電機組便會提高輸出功率以滿足駕駛 員的需求。當然，這種控制策略是第一次引入了駕駛員控制，并非 能夠完全的自動控制。但是，這也不會增加駕駛員的駕駛難 度，駕駛員只需和操縱普通燃油車一樣，在需要加速時深踩 下油門踏板，控制電腦便會同時完成增大發動機一發電機組 電能輸出和增大驅動電機扭矩輸出兩個工作。5 結論本文通過對插電式混合動力汽車資料的搜集、整理與歸 納總結，詳細分析目前插電式串聯混合動力汽車的能量管理 控制策略的發展與利弊，得到如下結論：1）由于插電式混合動力汽車具有兩個動力源，而且能 夠實現制動能量回饋，所以具有六種工作模式，整車可以在 這幾種