混合动力电动汽车控制系统设计与能量管理策略研究

混合动力电动汽车控制系统设计与能量管理策略研究

国树文

湖北工业大学电气与电子工程学院湖北武汉430068

摘要：随着能源危机以及能源问题日益严重，混合动力汽车成为了目前世界上的新一代清洁汽车研究重点。混合动力借助的是以往的汽油引擎以及电动机输出动力的相互配合，在工作的时候借助引擎可以对蓄电池进行充电，将电动机和引擎产生的动力不断切换和转化，达到双动能推动。这样的配合以电动机驱动为主，引擎驱动为辅，达到预期为减少耗油和废气排放的环保效益。鉴于此，本文就混合动力电动汽车控制系统设计与能量管理展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：混合动力电动汽车；能量管理策略；深度强化学习

1混合动力电动汽车的定义及驱动类型

1.1串联式混合动力电动汽车（SHEV）

串联式混合动力汽车动力系统有三大部件组成：发动机、发电机和驱动电机，三大部件采用“串联”的方式构成动力系统。动力系统的工作原理是：发动机首先将燃料燃烧产生的能量转换为机械能，然后驱动发电机将机械能转化为电能，再由整流器将产生的电能进行整流并存储在蓄电池中，最后由蓄电池为驱动电机供电，电机驱动车轮行驶。串联式的混合动力系统结构具有以下优点：驱动电机和发动机不直接进行机械连接，发动机的转速可独立于车速之外单独运行，因此发动机的转速可以保持在稳定、高效率、低污染的区间，从而达到提升燃油利用效率、降低污染物的排放的目的。

1.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）

并联式混合动力汽车的发动机和电机分属两套动力系统，均可以独立的向车轮传递动力，发动机和电机以转矩或转速的方式耦合后与驱动系统连接其中，电机的作用有两个：一是作为电动机向外提供动力，二是回收车辆制动产生的能量或部分发动机产生的能量，作为发电机给蓄电池充电。并联式混合动力系统的主要优点：电机系统和发动机系统分别独立驱动车轮，降低了能量转化的损失；动力系统结构紧凑，仅需使用一个电机，即可实现驱动和回收滑行或制动过程的能量。其缺点是：为了调节发动机的工作点需要采用多档传动装置，由于驱动系统和发动机之间仍存在机械连接，导致发动机的工作点无法在理论上工作于任意低油耗或者低排放区。

1.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）

混联式混合动力汽车在并联式混合动力汽车的动力结构基础上再加入一个发电机，就构成了混联式混合动力汽车动力系统。其工作模式可以根据车辆行驶工况调整，选择串联形式或者并联方式工作，从而使燃油经济性和驾驶性能得到优化。通过控制策略优化设计，可以使发动机在最优工作区域内工作，系统的能量转化率得到有效提高。混联式混合动力汽车涉及多种动力模式下的多动力源能量分配问题，对能量管理设计要求高，且动力结构比较复杂，对工艺要求高。混联式混合动力汽车在控制方面自由度较大，但是由于零部件增多，增加了系统布置的复杂度，并且价格也相对昂贵。

2混合动力电动汽车控制系统设计

2.1控制系统设计

车辆控制系统是混合动力汽车安全运行的控制核心，主要任务是协调各零部件运行，从系统上保证整车运行的节能、安全、舒适性。具体来讲，车辆控制系统可基于油门踏板和制动踏板等操纵件的状态、车辆运行状态、发动机状态、电池系统状态、电机系统状态和车身附件状态等信息，在满足各种约束条件下，混动汽车的整车能量管理与控制保证汽车高效、安全和可靠地运行。

2.2总体构架

整车控制器在汽车行驶过程中执行多项任务，发挥中枢神经的作用，具体功能包括：（1）接收并处理驾驶员的各种驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶期望行驶；（2）与电机、DC/DC、镍氢蓄电池组等进行可靠通讯，通过CAN总线（以及关键信息的模拟量）进行状态的采集输入及控制指令量的输出；（3）接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息；（4）系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障；（5）对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。（6）协调管理车上其他电器设备。控制系统的硬件系统采用NXP微控芯片MC9S12XEP100，依据电磁兼容设计原则设计了控制器的外围电路。

2.3接口电路设计

双核微控制器MC9S12XEP100（杨竞喆等，2014）作为飞思卡尔半导体公司的旗舰产品，具有很强的运算能力，广泛应用于汽车电子产品中。这款单片机基于广泛使用的HC单片机架构、先进的高性能微控制器的单片机X系列产品，单片机X系列的性能是原HC单片机器件的五倍，单片机X系列还提供业界首个XGATE模块。这款多用途、高效协处理器具有高达100MIPS的附加处理能力，将诸如基本网关活动和相关外设处理的任务从主CPU上卸载。其并行架构可对中断进行更多决定性处理，并使设计工程师能够避免核心功能与中断处理间的冲突。

3混合动力汽车的能量管理策略

混合动力电动汽车一般配置不少于两种的车载动力源，其中一种为具有高功率密度的能量源。必须充分地利用各种动力源的不同特性，让各动力源工作在最高效工作区域，从而改善和提高整车系统性能。要想使两种动力源都能避免工作在低效率的工作范围内而工作在各自最佳工作区域内，实现两种动力源之间的协调运行，离不开良好的整车控制策略和整车能源管理策略加以控制协调。控制策略是混合动力汽车的灵魂，能量管理策略是混合动力汽车研发过程中的关键技术，其设计成功与否直接影响整车的运行性能。在汽车行驶中，能量管理策略可以根据驾驶员的驾驶意图在汽车行驶过程中，针对不同实时路况下车辆对动力系统的能量需求，实时计算两种动力源需要输出的功率，从而合理地控制混合动力汽车中的发动机、动力电池和电机协调工作，优化各个部件的输出，实现这两种动力源输出功率的动态分配。根据混合动力汽车不同的结构形式，采用适合各自特点的能量管理策略，以达到混合动力汽车整车最优设计目标：最佳的燃油经济性和驱动性能、最低的系统成本和排放。

在对混合动力汽车设计能量管理策略时，由于其结构的复杂性，一般要考虑以下因素：首先，最大化利用动力电池组储存的电能，实现部分工况下的纯电动行驶，从而使发动机在相应工况下不工作，实现零能耗零排放，有利于降低能耗成本和环境污染。其次，充分利用双动力优势，尽量避免发动机在低效率的情况下工作，提高燃油效率，减少排放。考虑到发动机响应慢、起动扭矩小的特点，使发动机始终在高效率区工作，实现发动机的高效率低排放；而电机电池组响应快、低速输出扭矩大，可利用电机弥补车辆功率峰值的波动需求，实现车辆的加速或快速起步。第三，确保动力电池组的荷电状态和电池电压处于安全范围，延长动力电池使用寿命。近几年国内外学者提出了一些应用前景相对广泛的混合动力汽车能量管理策略，从能量管理实现的形式上看，这些能量管理策略可分为三种类型：基于逻辑控制的规则型能量管理策略、基于最优控制的能量管理策略和基于优化算法的自适应控制策略。

结束语

对串联式和并联式混合动力汽车的结构特点、工作模式以及控制技术的研究是研究结构更加复杂的混合动力汽车的基础。汽车系统控制的行之有效的方法是分级控制技术，在研究每一个部分的控制的基础上，通过系统集成便可得到系统控制器，从而实现对整个车辆的控制。

参考文献：

[1]张文康，潘文章.混合动力电动汽车控制策略优化[J].科技创新与应用，2016（18）：61.