2.3 混合動力汽車能量管理

2.3.1 混合動力汽車的能量傳遞路線

混合動力汽車的能量轉換裝置通常由發(fā)電裝置（發(fā)動機/發(fā)電機）、能量儲存裝置（超級電容、蓄電池等）、變流器、動力傳遞裝置、充放電裝置等組成，其能量傳遞路線可分為4條：

1）由發(fā)電裝置到車輪。

2）由能量儲存裝置到車輪。

3）由發(fā)電裝置到能量儲存裝置。

4）由車輪到能量儲存裝置（能量回收）。

為使汽車具有良好的動力性能、電驅動性能及合理的能量分配等，電動汽車的能量管理必須對能量傳遞路線的工作進行有效監(jiān)測和控制。

根據(jù)能量供給方式，混合動力系統(tǒng)基本工作模式可分為：

純電動驅動模式。

純發(fā)動機驅動模式。

混合驅動模式。

行車充電模式。

減速/制動能量回收模式。

怠速/停車模式等駕駛循環(huán)不同階段對應的工作模式。

2.3.2 混合動力汽車的能量控制策略

能量管理策略的控制目標是根據(jù)駕駛人的操作，如對加速踏板、制動踏板等的操作，判斷駕駛人的意圖，在滿足車輛動力性能的前提下，最優(yōu)地分配電機、發(fā)動機、動力電池等部件的功率輸出，實現(xiàn)能量的最優(yōu)分配，提高車輛的燃油經(jīng)濟性和排放性能。由于混合動力汽車中的動力電池不需要外部充電，能量管理策略還應考慮動力電池的荷電狀態(tài)（SOC）平衡，以延長其使用壽命，降低車輛維護成本。

混合動力汽車的能量管理系統(tǒng)十分復雜，并且因系統(tǒng)組成不同而存在很大差別。下面簡單介紹3種混合動力汽車的能量管理策略。

（1）串聯(lián)式混合動力汽車能量管理控制策略

由于串聯(lián)混合動力汽車的發(fā)動機與汽車行駛工況沒有直接聯(lián)系，因此能量管理控制策略的主要目標是使發(fā)動機在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作。為優(yōu)化能量分配整體效率，還應考慮傳動系統(tǒng)的動力電池、發(fā)動機、電動機和發(fā)電機等部件。串聯(lián)式混合動力汽車有3種基本的能量管理策略。

1）恒溫器策略。當動力電池SOC低于設定的低門限值時，起動發(fā)動機，在最低油耗或排放點按恒功率模式輸出，一部分功率用于滿足車輪驅動功率要求，另一部分功率給動力電池充電。而當動力電池SOC上升到所設定的高門限值時，發(fā)動機關閉，由電機驅動車輛。其優(yōu)點是發(fā)動機效率高、排放低，缺點是動力電池充放電頻繁。加上發(fā)動機開關時的動態(tài)損耗，使系統(tǒng)總體損失功率變大，能量轉換效率較低。

2）功率跟蹤式策略。由發(fā)動機全程跟蹤車輛功率需求，只在動力電池SOC大于設定上限，且僅由動力電池提供的功率能滿足車輛需求時，發(fā)動機才停機或怠速運行。由于動力電池容量小，其充放電次數(shù)減少，使系統(tǒng)內部損失減少。但是發(fā)動機必須在從低到高的較大負荷區(qū)內運行，這使發(fā)動機的效率和排放不如恒溫器策略。

3）基本規(guī)則型策略。該策略綜合了恒溫器策略與功率跟蹤式策略的優(yōu)點，根據(jù)發(fā)動機負荷特性圖設定高效率工作區(qū)，根據(jù)動力電池的充放電特性設定動力電池高效率的SOC范圍。同時設定一組控制規(guī)則，根據(jù)需求功率和SOC進行控制，以充分利用發(fā)動機和動力電池的高效率區(qū)，使兩者達到整體效率最高。

串聯(lián)式混合動力汽車主要包含以下工作模式：

1）純電動模式。發(fā)動機關閉，車輛僅由蓄電池組供電、驅動。

2）純發(fā)動機模式。車輛驅動功率僅源于發(fā)動機-發(fā)電機組，而蓄電池組既不供電也不從驅動系統(tǒng)中獲得任何功率，電設備組用作從發(fā)動機到驅動輪的電傳動系統(tǒng)。

3）混合模式。驅動功率由發(fā)動機-發(fā)電機組和蓄電池組共同提供。

4）發(fā)動機驅動和蓄電池充電模式。發(fā)動機-發(fā)電機組供給向蓄電池組充電和驅動車輛所需的功率。

5）再生制動模式。發(fā)動機-發(fā)電機組關閉，驅動電機產(chǎn)生的電功率用于向蓄電池組充電。

6）蓄電池組充電模式。驅動電機不接收功率，發(fā)動機-發(fā)電機組向蓄電池組充電。

7）混合式蓄電池充電模式。發(fā)動機-發(fā)電機組和運行在發(fā)電機狀態(tài)下的驅動電機共同向蓄電池組充電。

（2）并聯(lián)式混合動力汽車能量管理控制策略

并聯(lián)式混合動力汽車能量管理的控制，本質上是一個在一定約束條件下的燃料與排放的最優(yōu)控制問題。一方面，由于行駛路況和駕駛人的操作具有隨機性，并聯(lián)式混合動力汽車的最優(yōu)控制是一個隨機性動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。另一方面，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括眾多不同類型的部件，各部件之間存在復雜的協(xié)調工作關系，系統(tǒng)工作時各部件的運行狀態(tài)均處于不斷變化中，因此系統(tǒng)的動態(tài)方程非常復雜。

同時，并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略與串聯(lián)式混合動力汽車不同，通常需要根據(jù)動力電池SOC、駕駛人操作的加速踏板位置、車輛和驅動輪的平均功率等參數(shù)進行控制，由發(fā)動機和電機輸出相應的轉矩，以滿足驅動輪驅動力矩的要求。由此導致并聯(lián)式混合動力汽車在能源控制策略上常采用動態(tài)優(yōu)化控制策略和基于模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡的智能控制策略。

并聯(lián)式混合動力汽車的能量管理策略基本屬于基于轉矩的控制。目前主要有以下4類：

1）靜態(tài)邏輯門限策略。該策略通過設置車速、動力電池SOC上下限、發(fā)動機工作轉矩等一組門限參數(shù)，限定動力系統(tǒng)各部件的工作區(qū)域，并根據(jù)車輛實時參數(shù)及預先設定的規(guī)則調整動力系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，以提高車輛整體性能。靜態(tài)邏輯門限策略實現(xiàn)起來較簡單，目前實際應用較廣泛。但由于主要依靠工程經(jīng)驗設置門限參數(shù)，靜態(tài)邏輯門限策略無法保證車輛燃油經(jīng)濟性最優(yōu)，而且這些靜態(tài)參數(shù)不能適應工況的動態(tài)變化，無法使整車系統(tǒng)達到最大效率。

2）瞬時優(yōu)化能量管理策略。針對靜態(tài)邏輯門限策略的缺點，一些學者提出了瞬時優(yōu)化能量管理策略。瞬時優(yōu)化策略一般采用“等效燃油消耗最少”法或“功率損失最小”法，二者原理類似。其中，“等效燃油消耗最少”法將電機的等效油耗與發(fā)動機的實際油耗之和定義為名義油耗，將電機的能量消耗轉換為等效的發(fā)動機油耗，得到一張類似于發(fā)動機萬有特性圖的電機等效油耗圖。在某一個工況瞬時，從保證系統(tǒng)在每個工作時刻的名義油耗最小這一目標出發(fā)，確定電機的工作范圍（用電機轉矩表示），同時確定發(fā)動機的工作點，對每一對工作點計算發(fā)動機的實際燃油消耗，以及電機的等效燃油消耗，最后選名義油耗最小的點作為當前工作點，實現(xiàn)對發(fā)動機、電機輸出轉矩的合理控制。為將排放一同考慮，該策略還可采用多目標優(yōu)化技術，以一組權值來協(xié)調排放和燃油同時優(yōu)化存在的矛盾。“等效燃油消耗最少”法在每一步長內是最優(yōu)的，但無法保證在整個運行區(qū)間內最優(yōu)，而且需要大量的浮點運算和比較精確的車輛模型，計算量大，實現(xiàn)困難。

3）全局最優(yōu)能量管理策略。全局最優(yōu)能量管理策略是應用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論開發(fā)出來的混合動力系統(tǒng)能量分配策略，目前主要有基于多目標數(shù)學規(guī)劃方法的能量管理策略、基于古典變分法的能量管理策略和基于Bellman動態(tài)規(guī)劃理論的能量管理策略3種。

4）模糊能量管理策略。該策略基于模糊控制方法來決策混合動力系統(tǒng)的工作模式和功率分配，將“專家”的知識以規(guī)則的形式輸入模糊控制器中，模糊控制器將車速、動力電池SOC、需求功率/轉矩等輸入量模糊化，基于設定的控制規(guī)則來完成決策，以實現(xiàn)對混合動力系統(tǒng)的合理控制，從而提高車輛整體性能。

基于模糊邏輯的策略的優(yōu)點：①可表達難以精確定量表達的規(guī)則；②可方便地實現(xiàn)不同影響因素（功率需求、動力電池SOC、電機效率等）的折中；③魯棒性好。但是模糊控制器的建立主要依靠經(jīng)驗，無法獲得全局最優(yōu)。

并聯(lián)式混合動力汽車主要包含以下工作模式：

1）純電動模式。當混合動力汽車處于起步、低速等輕載工況，且動力電池電量充足時，若以發(fā)動機作為動力源，則發(fā)動機燃油效率較低，且排放性能很差。因此，關閉發(fā)動機，由動力電池提供能量并以電機驅動車輛。但當動力電池的電量較低時，為保護動力電池，應切換到行車充電模式。

2）純發(fā)動機模式。在車輛高速行駛等中等負荷情況下，車輛克服路面阻力運行所需的動力較小，一般情況下主要由發(fā)動機提供動力。此時，發(fā)動機可工作于高效區(qū)，燃油效率較高。

3）混合驅動模式。在加速或爬坡等大負荷情況下，當車輛行駛所需的動力超過發(fā)動機工作范圍或高效區(qū)時，由電機提供輔助動力。若此時動力電池的剩余電量較低，則轉換到純發(fā)動機模式。

4）行車充電模式。在車輛正常行駛等中低負荷情況下，若動力電池的剩余電量較低，則發(fā)動機除要提供驅動車輛所需的動力外，還要提供額外的功率，通過電機發(fā)電以轉換成電能給動力電池充電。

5）再生制動模式。當混合動力汽車減速/制動時，發(fā)動機不工作，電機盡可能多地回收再生制動能量，剩余部分由機械制動器消耗。

6）怠速/停車模式。在怠速/停車模式中，通常關閉發(fā)動機和電機，但當動力電池剩余電量較低時，需要起動發(fā)動機和電機，控制發(fā)動機工作于高效區(qū)并驅動電機為動力電池充電。

（3）混聯(lián)式混合動力汽車能量管理控制策略

汽車低速行駛時，驅動系統(tǒng)主要以串聯(lián)混合動力汽車能量管理控制策略對能量進行管理，汽車高速穩(wěn)定行駛時，以并聯(lián)混合動力汽車能量管理控制策略對能量進行管理。

這樣的能量管理控制策略能較好地實現(xiàn)汽車的各項性能指標，使發(fā)動機工作不受到汽車行駛狀況的影響，總是在最高效率狀態(tài)下工作或自動關閉，使汽車任何時候都可實現(xiàn)低排放及超低排放。但實現(xiàn)該控制策略的技術復雜，能量管理控制器結構設計與制造要求高。

混聯(lián)式混合動力汽車具有特殊的傳動系統(tǒng)結構（如采用行星齒輪傳動），因此除采用瞬時優(yōu)化能量管理策略、全局最優(yōu)能量管理策略和模糊能量管理策略（與并聯(lián)式混合動力汽車能量管理策略原理類似）外，還有如下特有的能量管理策略：

1）發(fā)動機恒定工作點策略。由于采用了行星齒輪機構，發(fā)動機轉速可獨立于車速變化，這樣使發(fā)動機工作在最優(yōu)工作點，提供恒定的轉矩輸出，而剩余的轉矩則由電機提供。電機負責動態(tài)部分，避免了發(fā)動機動態(tài)調節(jié)帶來的損失，而且與發(fā)動機相比，電機的控制也更為靈敏，易于實現(xiàn)。

2）發(fā)動機最優(yōu)工作曲線策略。發(fā)動機工作在萬有特性圖中的最佳油耗線上，只有當發(fā)電機電流需求超出動力電池的接受能力，或當電機驅動電流需求超出電機或動力電池的允許限制時，才調整發(fā)動機的工作點。

混合動力汽車的實際運行工況十分復雜，主要包括起步、加速、減速、巡航、上坡、下坡、制動、停車、倒車等。混合動力汽車由兩種動力源驅動。由于發(fā)動機和電機這兩套動力系統(tǒng)分別具有不同的高效工作區(qū)，為充分發(fā)揮混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，汽車在不同的運行工況下，應具有多種不同的工作模式，以充分提高車輛整體性能。

2.3.3 混合動力汽車的制動能量回收系統(tǒng)

混合動力汽車裝備了再生制動系統(tǒng)后能充分發(fā)揮自身優(yōu)點，將車輛制動、下坡滑行、減速運行等狀態(tài)下的部分動能和勢能轉化為電能存儲在蓄電池等儲能裝置中，有效地利用了車輛制動時的動能，可顯著改善車輛的燃油經(jīng)濟性及制動性能，增加混合動力汽車的行駛里程。混合動力汽車再生制動系統(tǒng)的框圖如圖2-3-1所示。

混合動力汽車再生制動系統(tǒng)電機的減速和停止都是通過逐漸減小運行頻率來實現(xiàn)的，在變頻器變頻減小的瞬間，電機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電機轉速未變，或者說其轉速變化有一定時間滯后，這時會出現(xiàn)轉速大于給定轉速，從而產(chǎn)生電機反電動勢高于變頻器直流端電壓的情況，這時電機就轉為發(fā)電機模式，非但不消耗電能，反而可以通過變頻器專用型能量回饋單元向電源充電。這樣既有良好的制動效果，又能轉化為電能，向電源充電達到回收能量的效果。

圖2-3-1 HEV再生制動系統(tǒng)組成

（1）制動能量回收-液壓制動系統(tǒng)

在實際應用上，大部分制動能量回收系統(tǒng)是與液壓制動系統(tǒng)一起工作的。因此經(jīng)常把這二者合稱為制動能量回收-液壓制動系統(tǒng)。制動能量回收-液壓制動系統(tǒng)一般應滿足4方面的要求。

1）為使駕駛人在制動時有一種平順感，液壓制動力矩應可根據(jù)制動能量回收力矩的變化進行控制，最終使駕駛人獲得所希望的總力矩。同時，液壓制動的控制不應引起制動踏板的沖擊，以免使駕駛人產(chǎn)生不正常的感受。

2）為使車輛能穩(wěn)定制動，前后車輪上的制動力必須很好地平衡分配。

3）電動汽車沒有發(fā)動機驅動的液壓泵，因此需要一個電動泵來提高液壓。液壓制動力矩是電控的，將產(chǎn)生的液壓傳到制動輪缸上。制動能量回收-液壓制動系統(tǒng)需要防止制動失效的機構，為提高系統(tǒng)的可靠性，滿足安全標準，系統(tǒng)一般采用雙管路制動。當其中一條管路失效時，另一條管路必須能提供足夠的制動力。

4）為防止汽車發(fā)生滑移，施加在前后輪上的最大制動力應低于允許的最大值（主要由滾動阻力系數(shù)決定）。

（2）制動能量回收系統(tǒng)及控制策略

混合動力汽車一般有4種不同的制動控制策略：具有最佳制動感受的串聯(lián)制動、具有最佳能量回收率的串聯(lián)制動、并聯(lián)制動及ABS防抱死制動。