混合动力汽车动力耦合系统与能量控制策略研究概述

徐 凯 高惠东 吕金贺 褚亚旭

（北华大学土木与交通学院 吉林 吉林 132013）

引言

随着经济社会的发展，推进可持续性发展是世界各国发展的首要前提。实现车辆的高动力及低能耗成为现如今汽车工业发展的大趋势，在此趋势下混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）应运而生。

HEV目前特指内燃机（Internal Combustion Engine，ICE）和电动机（Electric Motor，EM）组合的混合驱动类型汽车，兼顾电动汽车（Electric Vehicle，EV）和内燃机汽车（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）的优势。相比于EV，既有ICEV高比能量和比功率的特性，又有超长续航里程的优势。相比于ICEV，既有可瞬间产生峰值转矩，又可改善ICEV的工作效率。作为ICEV与EV的中间产物，HEV已成为新能源汽车研发的焦点[1]。

1 混合动力汽车动力耦合系统分类

针对HEV的系统配置形式及工作模式，HEV的动力耦合系统可分成3种类型：机械式、电磁式及液压式[2]，3种动力耦合系统综合对比如表1所示。

1.1 机械式动力耦合系统

现如今，HEV搭载的机械式动力耦合系统多为行星轮系结构，可简洁高效地实现转矩集中与分配。机械式动力耦合系统的代表为丰田THS系统，现已发展至THS-Ⅱ系统[3-4]。与THS系统的单行星轮系机构不同，其采用双行星轮系结构，如图1所示。ICE输出轴连接第一排行星架，MG1连接第一排太阳轮，MG2连接第二排太阳轮，第二排行星架固定，第一排齿圈与第二排齿圈连接，第二排齿圈连接主减速器及差速器驱动半轴[5]，其动力耦合系统原理[6]如图2所示。

表1 动力耦合系统对比

图1 THS-Ⅱ系统机械结构示意图

图2 THS-Ⅱ系统动力耦合原理框图

丰田THS-Ⅱ系统属于深度混合的混联式混合动力系统，其对变速器、起动机、发电机进行集成[7]，可实现的功能有：

1）发动机起动时，MG1处于起动机模式带动发动机转速至约1 000 r/min时，火花塞点火起动发动机，可有效降低废气排放。

2）行星轮系传动比的改变决定其分配比例。THS-Ⅱ系统采用多行星轮系结构可改变ICE输出转矩分配，ICE与电动/发电一体机输出转矩的分配比例为72∶28。

3）丰田THS-Ⅱ系统不是利用机械结构实现零件锁止，而是利用IEG电动/发电一体机及ICE来改变转矩比例，以实现传动比的连续变化，故称为电子无级变速器（Electronic Continuously Variable Transmission，ECVT）。

多行星轮系的机械式动力耦合系统由于内部各机构配置复杂，控制技术难度大，成本高及可靠性的原因，目前还处于发展阶段。目前代表车型有丰田Camry等。

1.2 电磁式动力耦合系统

电磁式动力耦合系统通过电磁力实现输出转矩耦合，属于分离式耦合形式，工作原理与电磁耦合效应相关。双转子电机（Double Rotor Motor，DRM）动力耦合系统为主要代表。

DRM动力耦合系统是相关领域研究的新兴技术，结构如图3所示，传动配置结构如图4所示。DRM为系统核心组成部分，其结构较为复杂，由内转子、中间转子和定子组成，内转子和中间转子组成内部电机，中间转子及定子组成外部电机，从结构分析其为双电机复合形式。最早荷兰MartinHoeijmaker教授创新性的将DEM动力耦合结合到HEV。后期，瑞典专家设计DRM结构四象限能量转换器（Four-Quadrant Transducer，4QT），并开发实验机型。4QT 由2个永磁同步电机复合而成，包括一个DRM，一个定子电机[8]。其建立有限元及仿真模型，对转矩波动、定位力矩、反电动势等做相应论证及对比[9-10]。美国电机专家Xu L教授针对DRM研究其控制策略，开发双机械端口电机（Dual Mechanical Port，DMP），并针对DPM研究电磁式动力耦合系统的控制策略及流程[11]。埃及学者Abdelsalam Ahmed把模糊控制引入DRM动力耦合系统的能量控制策略中。模糊规则可视为由研究人员综合前期的实践经验的综合决策[12]。在测试中发现，DRM动力耦合系统可取代行星轮系动力耦合系统[13]。

图3 DRM内部结构示意图

图4 基于DRM的动力耦合系统结构示意图

DRM动力耦合系统具有布置方便，控制灵活，造价低等特点，相较于传统电机，DRM动力耦合系统有功率密度高效化，输出转矩快速化，工作效率最大化等优秀表现。特别是多端口机电转换装置，通过内、外电机配合工作，在HEV上可代替变速器、起动机及发电机，从而实现ECVT及其他工作模式，理论上使ICE始终处于最高效率，使车辆的燃油经济性和排放性能更好。

1.3 液压式动力耦合系统

液压式动力耦合系统由双向变量液压马达、高压蓄能器、ICE等组件构成，如图5所示。可实现ICE、液压、HEV等驱动行驶模式。液压油为能量传递介质，其基本原理是通过改变液压油路以完成转矩的集中和分配。

图5 液压式动力耦合系统结构示意图

由于控制系统及液压系统的技术进步，1980年后美国、德国和日本等国的汽车企业逐渐将液压式动力耦合系统应用于实车。Ford公司和美国EPA于2004年联合开发全球首辆全液压HEV的SUV车型，对比同款ICEV车型，其燃油经济性提升约55%。澳大利亚Permo-Drive公司开发一款基于液压控制技术的液压再生驱动系统（Hydraulic Regenerative Drive System，HRDS），其针对大型货车及城市客车有较好应用，燃油经济性可提升约40%。目前美国军用车辆已进行基于HRDS的道路测试[14]。

液压式动力耦合系统控制可靠，造价低廉，高压蓄能装置功率密度大，故转换速度快且回收效率高。由于应用环境相对不成熟，在我国液压式动力耦合系统开发较晚。

2 混合动力汽车能量控制策略

能量控制策略主要根据车辆在运行时的能量需求情况，有针对性的动态分配ICE与EM的输出功率流，以此保证最佳的经济性、动力性和排放性等[15]。

2.1 能量控制策略的类型

近年来在HEV发展过程中，国内外专家学者以不同方向及视角对能量控制策略进行一系列具体研究，其分类方式如图6所示[16-18]。根据能量控制策略优化实时性，可分在、离线控制策略两类，在线控制策略可分为基于规则型控制策略及基于最优化型控制策略。几种能量控制策略综合对比如表2所示。

2.2 几种典型能量控制策略

2.2.1 模型预测能量控制策略

图6 能量控制策略分类框图

表2 几种能量控制策略对比

模型预测能量控制（Model Predictive control，MPC）策略通过分析车辆前期运行数据、道路综合信息及相关地域环境因素等，预测车辆在未来运行过程中阶段性的功率期望，以便对能量进行合理匹配。张昕等提出一阶齐次Markovprocess预测模型，对城市主要道路交通网构建车辆运行工况特征参数做相应预测[19]。Chao Sun等通过建立随机Markovprocess预测模型，对车辆相关速度指标做相应预测[20-21]。罗禹贡等针对行车安全性、油耗经济性和驾乘舒适性等方面提出基于非线性MPC理论的混合动力预测巡航控制算法，在巡航的安全性及经济性存在明显优势[22]。SUNC等提出动力电池组荷电状态监控及功率平衡的系统模型，制定基于实时交通信息的混合动力预测控制策略[23]。

MPC可在车辆处于运行状态下对能量匹配实时优化，但因具有较强特殊性，控制算法存在明显缺点。目前代表车型有丰田Prius等。

2.2.2 模糊逻辑规则能量控制策略

模糊逻辑（Fuzzy logic，FL）规则控制策略根据数理逻辑及模糊数学，通过模拟驾驶者的逻辑推导及决策判断，可解决非线性系统控制难的问题。ZHAO D Z等提出将FL与等效燃油消耗最小控制策略进行适当结合，对其中等效因素采用模糊控制，优化深度混合动力汽车的经济性[24]。PEIJZ等提出基于量子混沌鸽群优化算法的FL策略，同时对FL动力匹配控制系统的策略及相关隶属度函数做相应改进，对比普通FL策略其经济性表现更佳[25]。NCT通过使模糊逻辑算法与遗传算法、学习矢量量化人工神经网络进行适当结合，提出了以最小燃油消耗和动力电池组荷电状态为双优化目标的等效燃油消耗最小控制策略[26]。

因FL策略制定时无法脱离工程经验，且无法保证策略最优，故将FL和其他策略结合可得到更佳效果。但其最终获得的均为相应近似最优，且制定模糊逻辑规则表的工作量较大。

2.2.3 动态规划能量控制策略

动态规划能量控制策略对未来工况信息具有较大的依赖性，有着全局优化效果，且计算量较大。LarssonV，Lee H等人通过基于2～3次样条近似动态规则算法的混合动力能量控制优化问题，使迭代计算过程有效简化[27-28]。LEEH，CHA SW提出基于随机动态规划的并联式混合动力能量控制策略，用Markovprocess反映驾驶者的实时功率需要，依据随机动态规划得出结果，通过优化功率分配比例，使燃油经济性有较好表现[29-30]。QINF，LIW提出基于神经动态规划的能量控制策略，同时对燃油经济性和动力电池组荷电状态进行优化，相比随机动态规划算法，有更佳的性能表现[31]。

动态规划能量控制策略对未来工况数据有较强依附性及工作处于离线状态的弊端，通过算法优化或结合其他能量控制策略，以减小计算量及实现对未来工况信息的预测。

3 总结与展望

混合动力汽车的混合驱动类型、动力耦合系统和能量管理策略直接影响着混合动力汽车的综合性能。因此合理的系统结构匹配对混合动力汽车的开发至关重要。总体来说：

在动力耦合系统方面：DRM动力耦合系统尚存在部分问题有待解决，包括ICE的冷却问题、车辆协同能量控制策略的进一步优化问题及DRM的升级改进问题等，都是导致DRM动力耦合系统无法大规模应用的因素。液压式动力耦合系统同样明显存在问题：由于蓄能器的能量密度相对较小，故单位体积内储存能量少，导致纯液压行驶工况下的续航里程短。由于液压系统的结构可靠性相对较差，存在液压油泄露的可能，故需定期进行保养维护。目前部分汽车工业发达国家对机械式动力耦合系统研究时间较长，如丰田及通用等国际车企已成功研发出基于单行星轮系、双行星轮系及三行星轮系的机械式动力耦合系统。

现阶段，基于行星轮系的机械式动力耦合系统仍为主要研究内容，尤其是基于多行星轮系。通过行星轮系的增加可以实现更多不同工作模式，更好地结合车辆的使用工况将能量输出，尽可能使车辆始终工作在高效能区间内，更好地协调动力性与经济性的关系。由于机械式动力耦合系统内部各机构配置复杂，控制难度较高，在我国还处于研究的初级阶段，可在零部件的加工制造、新型材料的应用技术及控制策略等方面做相应技术提升。

在能量控制策略方面：HEV能量控制策略的研究对混合动力汽车的发展提供有力的技术支撑和改进方向。在今后的研究工作中，能量控制策略要在结合驾驶员的驾驶习惯、车辆行驶工况、动力电池组性能等的前提下，保证各方面综合性指标。

总之，单一的能量控制策略均存在部分问题，因此将多种能量控制策略进行系统性判断，取各策略优势将不同策略进行综合是目前能量控制策略研究的重点。综合选择最佳的能量控制策略，将近似全局优化、固定工况下的预测算法，依据未来运行工况信息下的动态规划、神经网络、大数据采集分析技术及智能交通技术等综合结合在优化能量控制策略上具有更好前景。