王偉光

摘 要：隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國(guó)私家車汽車保有量正不斷增加，與此同時(shí)石油消耗量也在不斷增加，新能源汽車開(kāi)發(fā)迫在眉睫。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）作為傳統(tǒng)汽車向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的過(guò)渡產(chǎn)品，逐漸被人們所關(guān)注。本文通過(guò)分析PHEV汽車的各部件結(jié)構(gòu)關(guān)系及其工作原理，建立了模型，清晰的表述了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)汽車的電動(dòng)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)汽車電池組之間的功率流的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并建立了汽車在行駛工況自適應(yīng)的能量在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制仿真模型，為PHEV的能量?jī)?yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PHEV;能量控制;工況預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)： TP393 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2017）01-141-4

0 ?引言

PHEV有兩種動(dòng)力源，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，兩種動(dòng)力可以同時(shí)為車輛提供驅(qū)動(dòng)力，也可以分別獨(dú)立為車輛提供驅(qū)動(dòng)力，因此在不影響駕駛性能和安全性能的前提下，如何根據(jù)車輛功率需求科學(xué)的分配兩種動(dòng)力源的功率分配是決定整車的燃油經(jīng)濟(jì)性的決定性因素，也是PHEV的核心。

1 ?PHEV的分類

PHEV是在HEV的基礎(chǔ)上進(jìn)行[項(xiàng)目：山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：J16LB66）;項(xiàng)目名稱：插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量控制策略研究]改進(jìn)，增大了電池的容量并增加了一套為車載電池充電的外界充電裝置。根據(jù)PHEV的動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以將PHEV分為串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式、并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式和混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式三種。

1.1 串聯(lián)式的驅(qū)動(dòng)模式

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)的主要零部件有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、鋰電池組和外接充電器。[1]由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油產(chǎn)生機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛或存儲(chǔ)到動(dòng)力電池組中，車輛所需動(dòng)力全部由電動(dòng)機(jī)提供。其連接方式如圖1所示。

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圖1 ?串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有運(yùn)行效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的額定功率和最大功率有較大的要求，需要較大的安裝空間，且發(fā)動(dòng)機(jī)的能量需要轉(zhuǎn)換兩次，能量損耗較大，能量的利用率較低。該結(jié)構(gòu)適用于多行駛在道路復(fù)雜的城市工況的大型公交車和客車。

1.2 并聯(lián)式的驅(qū)動(dòng)模式

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的主要零部件有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池組、電動(dòng)機(jī)和外接充電器。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)車輛的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力可以由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)提供，也可以由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)處于爬坡工況時(shí)，需要較大的驅(qū)動(dòng)力，需要的功率也較大，主要由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力;當(dāng)處于平坦工況或低速行駛時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)力較小，需求功率也較小，這時(shí)可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)而僅由電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛，減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間。通過(guò)變換驅(qū)動(dòng)方式來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)保持高效工作，提高燃油利用率，降低燃油浪費(fèi)。

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圖2 ?并聯(lián)式結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，當(dāng)一個(gè)動(dòng)力源出現(xiàn)故障時(shí)可以切換到另外一個(gè)動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛，并且對(duì)電池容量及電動(dòng)機(jī)功率要求較低，可以降低開(kāi)發(fā)成本。其缺點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)與串聯(lián)式相比較為復(fù)雜，整車布置難度較高，當(dāng)行駛在工況變化較多較快的路段時(shí)，無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)適用于在高速公路上行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定的小型車。

1.3 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)模式

混聯(lián)式結(jié)構(gòu)既有串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)也具有并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)既可以根據(jù)不同的工況需求自由切換串聯(lián)模式或并聯(lián)模式。此外，該結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池的布局上要求較低，可以保證各動(dòng)力系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，可以明顯降低燃油消耗和二氧化碳的排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的。混聯(lián)式結(jié)構(gòu)零部件較多，動(dòng)力系統(tǒng)非常復(fù)雜，對(duì)能量控制策略的要求較高。

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圖3 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)

2 ?PHEV的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵零部件

PHEV結(jié)合了將傳統(tǒng)汽油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、純電動(dòng)汽車的電池、發(fā)電機(jī)技術(shù)、電動(dòng)汽車電池充電技術(shù)、電池管理系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)降低燃油消耗，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃油的目的。

整車能量控制是根據(jù)整車行駛時(shí)的能量需求，優(yōu)化匹配各部件參數(shù)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出的控制策略，也是PHEV的重點(diǎn)研究對(duì)象。

3 ?PHEV新結(jié)構(gòu)與工作原理

混聯(lián)式結(jié)構(gòu)包含了并聯(lián)式、串聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)并已經(jīng)應(yīng)用于市場(chǎng)，豐田普銳斯混合動(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)用了混聯(lián)式結(jié)構(gòu)。[2]PHEV混聯(lián)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是采用行星齒輪作為動(dòng)力耦合器，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的連接，動(dòng)力系統(tǒng)連接方式如圖4所示。主要參數(shù)如表1所示。

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圖4 ?豐田普銳斯混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)圖

從圖4中可以看出，不同工作模式切換是通過(guò)兩個(gè)離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)離合器分離軸承分離，電動(dòng)機(jī)離合器壓盤(pán)結(jié)合，電動(dòng)發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)時(shí)直接驅(qū)動(dòng)車輪，提供動(dòng)力輸出;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)離合器壓盤(pán)結(jié)合，電動(dòng)機(jī)離合器分離軸承分離，發(fā)動(dòng)機(jī)以消耗汽油來(lái)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一部分可通過(guò)行星齒輪的傳遞驅(qū)動(dòng)車輪，提供動(dòng)力輸出，另一部分機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電為鋰電池提供電能充電。[3]

表1 ?PHEV主要參數(shù)

[部件＼&內(nèi)容＼&參數(shù)＼&整車＼&類型＼&SUV＼&發(fā)動(dòng)機(jī)＼&類型

峰值功率＼&汽油發(fā)動(dòng)機(jī)5.8L

250kW 5400r/min＼&電動(dòng)機(jī)＼&類型

峰值功率＼&交流永磁同步電機(jī)

70kW 41000r/min＼&發(fā)動(dòng)機(jī)＼&類型

峰值功率＼&交流永磁同步電機(jī)

70kW 41000r/min＼&電池組＼&類型

額定容量

額定電壓

重量＼&鋰離子電池

10kW

240V

85kg＼&]

4 ?PHEV驅(qū)動(dòng)能量?jī)?yōu)化控制

PHEV的驅(qū)動(dòng)方式為電池電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，或兩者同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛對(duì)驅(qū)動(dòng)能量進(jìn)行控制的優(yōu)化結(jié)果決定了PHEV能量利用率。目前對(duì)于能量控制全局優(yōu)化的方法都是在已知路況的前提下，對(duì)能量控制進(jìn)行離線優(yōu)化，對(duì)在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制還缺少有效的優(yōu)化方法。本文從能量流動(dòng)的角度，對(duì)再生制動(dòng)能量和驅(qū)動(dòng)能量的分配方式進(jìn)行優(yōu)化，并釆用DP算法對(duì)驅(qū)動(dòng)能量進(jìn)行全局離線優(yōu)化，以電池電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率最優(yōu)解來(lái)保證車輛駕駛性能，使燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。

5 ?DP控制策略研究

DP理論的優(yōu)化原理是對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分組，將復(fù)雜的變量拆分，將復(fù)雜的多變量的關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的單變量問(wèn)題，本文利用DP理論對(duì)PHEV驅(qū)動(dòng)能量?jī)?yōu)化控制進(jìn)行拆分簡(jiǎn)化，分解多階段的過(guò)程，分段求解即可得到問(wèn)題的全局極大或極小值。通過(guò)正序和逆序兩種尋優(yōu)方式進(jìn)行尋優(yōu)，當(dāng)已知初始狀態(tài)時(shí)，用逆序的方式逆向求解;當(dāng)終止?fàn)顟B(tài)給定時(shí)，用正序的方式正向求解。

本文以PHEV混聯(lián)式結(jié)構(gòu)汽車在行駛過(guò)程中電池的充放電為研究對(duì)象，利用DP理論進(jìn)行優(yōu)化。鋰電池的充放電參數(shù)為已知的初始條件，因此需采用逆序的尋優(yōu)方式。[4]具體優(yōu)化過(guò)程如下： 首先根據(jù)時(shí)間順序?qū)⒄麄€(gè)工況過(guò)程劃分為n段，每階段都由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)單獨(dú)或共同提供，從終點(diǎn)（第n段）從后向前尋優(yōu)，至向始點(diǎn)（第1段）尋找全局的極小或極大值。以第k段為例，根據(jù)該段發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)能量值作為變量dk，得到該段的能量消耗值k。再對(duì)所有階段的能量消耗求解，其中最優(yōu)的k值即為車輛行駛中的最優(yōu)解。如圖5所示。

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圖5 ?DP尋優(yōu)流程

6 ?目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造

將已知整個(gè)工況的時(shí)間段t，離散化成n個(gè)時(shí)間點(diǎn)，即

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式中N表示自然數(shù)。

在每一時(shí)間段k（0≤k≤n）讓發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率△P從0趨向與Pr，電動(dòng)機(jī)的輸出功率則由Pr趨向0。所有時(shí)間段內(nèi)每一時(shí)刻的輸出總功率組成一個(gè)燃油消耗矩陣，對(duì)每一時(shí)刻的燃油消耗率mf（k）構(gòu)成整個(gè)過(guò)程的燃油消耗，即

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PHEV的目標(biāo)是以最小的燃油消耗為車輛提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，即

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PHEV能量?jī)?yōu)化控制的函數(shù)具有離散性，屬于非線性函數(shù)。根據(jù)函數(shù)找出矩陣中的最小值即為燃油消耗最少的時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的輸出功率，得到最優(yōu)解。燃油消耗率矩陣與電池剩余容量的關(guān)系如圖6所示。

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圖6 ?DP優(yōu)化過(guò)程

7 ?PHEV能量在線實(shí)時(shí)控制策略

車輛能量控制隨工況的變化而變化，且受工況影響很大。目前大多優(yōu)化是根據(jù)已知工況的離線信息來(lái)優(yōu)化能量控制，對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制還沒(méi)有較好的控制策略。本文都通過(guò)DP理論來(lái)優(yōu)化在線實(shí)時(shí)控制策略。

7.1 PHEV能量實(shí)時(shí)優(yōu)化控制流程圖

基于DP的PHEV能量實(shí)時(shí)優(yōu)化控制流程，如圖7表示。圖中調(diào)用子融合網(wǎng)絡(luò)得到發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的輸出功率部分調(diào)用基于DP優(yōu)化結(jié)果訓(xùn)練得到的融合網(wǎng)絡(luò)。

7.2 PHEV能量在線實(shí)時(shí)控制的仿真實(shí)驗(yàn)

以豐田普銳斯混合動(dòng)力電動(dòng)汽為研究對(duì)象，對(duì)高、中、低速擋3種工況，運(yùn)用DP算法進(jìn)行優(yōu)化。[5]對(duì)PHEV能量在線實(shí)時(shí)控制進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1。優(yōu)化結(jié)果如表2、表3、表4。

8 ?結(jié)論

本文分析了PHEV結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)PHEV的關(guān)鍵技術(shù)能量控制策略和關(guān)鍵零部件發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的功率優(yōu)化控制進(jìn)行了介紹，基于DP理論提出了在線實(shí)時(shí)能量控制優(yōu)化的仿真模型，通過(guò)模型對(duì)不同工況下PHEV能量在線控制優(yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，為商用PHEV的能量在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制提供了新的方法。在石油消耗量日益增加的情況下，PHEV的能量控制優(yōu)化，是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要途徑，是汽車相關(guān)科研的主要努力方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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