混合动力汽车控制策略ppt课件

1、根据混合动力汽车的特点，混合动力汽车是兼顾电动汽车和传统汽车优点的新一代汽车结构。由于其低油耗和低排放潜力，其动力性能接近传统汽车，生产成本也低于纯电动汽车。近年来，其研发已成为世界各大汽车公司、研究机构和大学的研究热点。可以相信，在电动车辆的储能部件电池没有根本突破之前，使用混合动力电动车辆是解决污染和能源问题的最现实的方法之一。混合动力电动车辆的特征不同于传统的内燃机车辆和电动车辆，因为它们通常具有至少两个车载能源，其中一个是具有高功率密度的能源。利用两种能源的互补特性，可以提高整个车辆系统的性能。为了实现它们之间的协调，有必要有一个好的控制策略。控制策略是混合动力汽车的灵魂，它根据驱动过

2、程中动力系统的能量需求，动态分配发动机和电机系统的输出功率。为了达到最佳设计目标，采用了不同的控制策略，其主要目标是：最佳燃油经济性、最低排放、最低系统成本和最佳驾驶性能。目前，已开发的混合动力电动汽车可分为三类：串联、并联和串并联混合动力电动汽车。在确定了每个部件的选择后，实现最佳燃油经济性和减少排放的关键是采取适当的控制策略。混合动力汽车的特点、节能机理和方式：选择较小的发动机，提高发动机负荷率，改善控制策略，使发动机工作在高效区，从而提高整车的燃油经济性，回收制动能量。混合动力汽车控制策略中需要考虑的问题，优化发动机工作点：根据最佳燃油经济性、最低排放或它们的组合来确定发动机的最佳工作点

3、。优化发动机工作曲线：发动机在不同功率下的最佳工作点构成发动机的最佳工作曲线。最小发动机动态波动：应控制发动机的工作速度以避免波动，从而使发动机动态波动最小。限制最低发动机转速：当发动机转速低于一定值时，应切断发动机。减少发动机开关的数量：频繁切换发动机会增加发动机的油耗和排放。适当的电池充电状态：电池的荷电状态应保持在适当的水平，以便汽车在加速时能提供足够的动力，在刹车和下坡时能回收能量。安全电池电压：在放电、发电机充电或再生制动过程中，电池电压会发生很大变化，因此应避免电池电压过低或过高，否则，电池将被永久损坏。合理分工：在驾驶循环中，发动机和电池应合理分配汽车所需的功率。工作条件选择：在

4、一些城市或地区，混合动力电动汽车应该工作在纯电动模式，这种转换可以手动或自动控制。1.1串联驱动系统，其结构示意图如图1所示。混合动力汽车的动力源由发动机和发电机组成，发动机和发电机通常是一个整体。发动机驱动发电机发电，其电能通过控制器直接传递给电机，电机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上在平衡原动机的输出功率和电机的输入功率方面起着作用：1。当发电机产生的功率大于电机所需的功率时，控制器控制发电机给电池充电；2.当发电机产生的功率低于电机所需的功率时，电池向电机提供额外的电能。该系统中辅助动力设备与电机之间没有机械连接，整车布局自由度大，控制系统简单。但是，有很多能量转换的时候，效率不高，而且

5、dr1.2并联驱动系统并联驱动系统的示意图如图2所示。汽车可以由发动机和马达一起驱动，也可以独立驱动。当电机仅用作辅助驱动系统时，功率可以相对较小。与串联结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量利用率较高，使得并联式的燃油经济性高于串联式。并联驱动系统最适合在城际高速公路和高速公路上稳定行驶的汽车。由于并联驱动系统的发动机工况受汽车行驶工况的影响，不适合汽车行驶工况变化越来越大的情况；与串联结构相比，传动机构更加复杂，需要变速装置和动力复合装置。与串联混合动力驱动系统相比，行驶里程更长；系统结构复杂，成本高，因为人们对控制单元有更高的要求。1.3串并联驱动系统，是串并联的组合，其结

6、构示意图如图3所示。发动机产生的动力一部分通过机械传动传递给驱动桥，另一部分驱动发电机发电。发电机产生的电能传递给电机或电池，电机产生的驱动力矩通过动力复合装置传递给驱动桥。串并联驱动系统的控制策略是：当汽车低速行驶时，驱动系统主要是串联工作；当汽车高速稳定运行时，主要是并行工作。这种结构可以全面实现汽车的各种性能要求，但控制技术复杂，结构设计和制造要求高。发动机的工作不受汽车行驶条件的影响，始终以最高的效率工作或自动停机，使汽车在任何时候都能实现低排放、超低油耗，达到环保节能的效果。在确定了混合动力汽车各部件的配置后，如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目标的关键。在满足汽车动力

7、性能、其他基本技术性能和成本要求的前提下，针对汽车各部件的特点和行驶工况，控制策略应实现发动机和电机之间能量的有效合理分配，从而使整车系统效率最大化，获得整车最大的燃油经济性、最低的排放和稳定的行驶性能。控制策略通常有两个基本思想：一是直接法，即优化目标直接表示为系统状态变量、控制变量等的函数；第二，间接法，即最小损失法，通过计算当前行驶条件下各部件的效率，得到整个系统的能量损失。损失最小的状态变量是在当前驾驶条件下应该选择的状态变量，例如发动机扭矩、速度、电池放电电流等。驱动条件通常由驱动轴的扭矩和速度来表示。从这两个基本思想，可以得到许多具体的控制策略。2.1串联混合动力电动汽车的控制策略

8、由于串联混合动力电动汽车的发动机与车辆的行驶条件没有直接关系，所以控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区域和排放区域工作。此外，为了优化控制策略，还必须考虑组合电池、电力驱动系统、发动机和发电机的整体效率。系列混合动力电动汽车有以下基本控制模式。串联混合动力电动汽车的发动机与驱动轮没有机械连接，因此发动机可以相对独立于车辆的行驶条件而工作。控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外，为了优化控制策略，还必须考虑组合电池、电力驱动系统、发动机和发电机的整体效率。2.1.1恒温器控制模式，当电池的荷电状态降至设定的低阈值时当蓄电池的荷电状态上升到设定的高阈值时，发动机关闭，车轮由

9、电机驱动。在这种模式下，电池组应满足所有瞬时功率要求，并且电池组过度循环导致的损耗可能会降低发动机优化带来的益处。这种模式对发动机有益，但对电池有害。2.1.2功率跟踪控制模式，该控制策略根据电池的荷电状态和负载确定发动机的开关状态和输出功率，以满足设备的功率需求。当发动机功率需求小于输出功率时，将发动机的输出功率调整到最小值；当荷电状态高于下限并且汽车的总要求负载不超过电池容量但超过发动机的最大功率时，发动机输出功率被调节到最大值。发动机功率紧跟车轮功率的变化，这类似于传统的汽车操作。采用这种控制策略，电池的工作周期将消失，与充放电相关的电池损耗将降低到最低程度。然而，发动机必须在从低到高的

10、整个负载范围内运行，并且发动机的功率快速且动态地变化，这将损害发动机的效率和排放性能。解决方案是使用自动无级变速器(CVT)无级变速器来控制发动机沿着最小燃料消耗曲线运行，从而同时降低碳氢化合物和一氧化碳的排放。与这两种控制模式相比，恒温控制模式的发动机一般工作在最佳油耗点附近，功率跟随模式的发动机一般工作在最佳经济运行线附近。相比之下，原发动机的平均工作效率较高，但功率跟随控制策略在功率性能和燃油经济性方面具有较好的综合性能。上述两种控制模式可以结合使用，目的是充分利用发动机和电池的高效率区域，以实现最高的整体效率。并联混合动力汽车的控制策略还不成熟，需要进一步优化。通用控制策略根据蓄电池荷

11、电状态、驾驶员加速踏板位置、车速、驱动轮平均功率等参数，使发动机和电机按照一定的规则输出相应的转矩，以满足驱动轮的驱动转矩要求。2.2.1以车速为主要参数的控制策略是最早也是最常用的控制策略，它以车速为控制依据。当车速低于设定速度时，电机独立驱动车轮。当车速高于设定车速时，电机停止驱动，发动机驱动车轮；当车轮负载相对较大时，发动机和电机共同驱动车轮。这种策略利用了电机的低速和高转矩，避免了发动机的怠速和低负荷状态。当高速有利于发动机的有效运行时，发动机的启动可以避免纯电动汽车高速行驶时电池的快速放电损耗。在这种控制策略中，发动机起动的设定速度可以设计为固定值。对于消耗电荷的混合动力汽车，设定速

12、度越低，一次充电的车辆行驶里程越长。设定速度也可以设计为电池组放电深度的函数。对于采用上述控制策略的充电维护混合动力电动汽车，还需要监控电池组的荷电状态。当荷电状态降至某一设定值以下时，无论此时车速有多低，发动机都将启动，发动机的一部分功率将通过发电机向电池组充电。以功率为主要参数的控制策略，当车轮平均功率低于某一设定值时，汽车由电机单独驱动；当车轮的平均功率高于设定值时，有利于发动机有效工作，因此发动机启动，电机停止运转。启动发动机的最佳时间是在变速箱换档期间，这有助于获得平稳的驾驶性能。一旦车轮的平均功率超过发动机所能提供的功率，发动机就会启动，辅助发动机会提供额外的功率。在上述两种控制策

13、略中，存在发动机和马达联合驱动的混合动力条件。这种工况通常发生在车轮平均功率很高时，其控制策略有以下几种模式：踩下油门踏板时，发动机和电机的功率按一定比例同时增加，以满足驾驶员的高功率需求。电机功率已增加到最大值，然后启动发动机提供补充功率。控制发动机在低油耗高功率区稳定运行，电机提供所需的补充动力。上述两种控制策略相对简单，但不能保证各部件的最佳匹配和整车系统的最大效率，因此有必要将优化技术引入控制策略研究。2.2.3法国学者DzLP、Qi Hong和PANGANELLI利用优化技术的控制策略，研究了混合动力条件下机械式步进变速器并联混合动力汽车的能量分配优化，建立了以电机转矩和变速器档位为

14、优化变量的约束优化计算模型，旨在使给定循环条件下的发动机油耗最小。虽然优化后的计算结果不能用于实时控制，但有利于推导汽车的实时控制策略。为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动力汽车上安装无级变速器已经成为一种发展趋势。德国学者Z0ELCH研究了无级变速并联混合动力汽车，提出了以燃油经济性为目标的最优控制策略。这种控制策略的实质是控制发动机和电机在最佳效率区工作，从而实现最佳的燃油经济性。以成本和燃料经济性为目标的控制策略采用以成本和燃料经济性为目标的控制策略的混合动力电动车辆配备有低功率电机和小容量电池组，以最小化电池组的成本和质量。在这种策略中，电机通常只有在汽车快速加速时才启动，辅助发动机

15、为车轮提供加速所需的动力。另一方面，在一般行驶条件下，小排量发动机单独行驶，并在其荷电状态下降到一定程度时给电池组充电，这进一步提高了发动机的负载系数。当汽车减速时，电池组吸收制动能量并充电。这种控制策略的一个缺点是发动机几乎总是处于工作状态，这避免了由发动机开关控制引起的发动机效率降低的问题，但是不能消除发动机在低负荷下的排放问题。这种汽车在加速过程中的控制策略有以下几种模式：(1)当汽车原地起步时，自动起步由发动机单独驱动，或者自动起步由电机单独驱动，然后当汽车的速度增加到一定值时，发动机开始为加速提供补充动力。当汽车快速起动或加速时，发动机和电机共同为车轮提供驱动力。2.2.5模糊逻辑控

16、制策略，这些控制策略通常通过优化发动机的工作点来提高燃油经济性或效率。模糊逻辑控制的思想是同时优化发动机、电机和蓄电池的控制。美国学者GLENN等人提出用模糊逻辑控制器(FLC)驱动内燃机(66KW Volkwagen TD1-66kW柴油机和32 kw电机)，以达到最高的效率区和燃油经济性。试验结果表明，模糊逻辑控制策略可以大大提高并联混合动力系统的燃油经济性。排放控制策略的研究需要进一步验证。2.2.6电动辅助控制策略将电机作为动力系统中的一个灵活因素，根据汽车工况对发动机输出功率进行削峰填谷，从而优化发动机的运行。这种控制策略已经应用于真正的混合动力系统，如本田Insight(右)和雪铁

17、龙xSARA。串并联混合动力汽车的控制策略、发动机的恒定工作点模式、串并联混合动力汽车的控制策略以发动机为主要动力源，电机和电池为峰值负载提供额外的转矩，使系统能够获得足够的瞬时功率。由于行星齿轮机构，发动机转速不会随车速变化，因此发动机工作在最佳工作点并提供恒定的扭矩输出，而剩余的扭矩由电机提供。这样，电机负责动态部分，避免了发动机动态调整造成的损失。与发动机相比，电机的控制更加灵敏，易于实现。2.3.2发动机最佳工作曲线模式，该策略从发动机在静态条件下的通用特性出发，经过动态修正，跟踪由行驶条件决定的发动机最佳工作曲线，从而实现对发动机和整车的控制。在这种策略下，让发动机在通用特性图中的最佳油耗线上工作(图4)。发动机将不会启动，直到它超过某个扭矩或功率极限。发动机关闭后，离合器可以分离(以避免损失)或接合(当工作条件变