混合動力車輛可在不改變現(xiàn)有的汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)有能源（石油燃料）體系和用戶對汽車的使用習(xí)慣的前提下，最大限度發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)和純電動汽車的雙重優(yōu)點，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。本文簡要介紹混合動力車輛結(jié)構(gòu)和特點，以及在驅(qū)動系統(tǒng)功率合成形成方式的基礎(chǔ)上，對并聯(lián)混合動力車輛的能量分配控制策略進(jìn)行探討。
本文簡要介紹混合動力車輛結(jié)構(gòu)和特點，以及在驅(qū)動系統(tǒng)功率合成形成方式的基礎(chǔ)上，對并聯(lián)混合動力車輛的能量分配控制策略進(jìn)行探討。
混合動力車輛的結(jié)構(gòu)和特點
根據(jù)電動驅(qū)動系統(tǒng)與APU(輔助動力單元)的結(jié)合方式，混合動力車輛的驅(qū)動形式分：串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種。
串聯(lián)式混合驅(qū)動系統(tǒng)由電動機(jī)驅(qū)動汽車行駛，發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)集成為APU，如圖1(a)所示。該系統(tǒng)APU與電動機(jī)無機(jī)械連接，整車布置的自由度較大，控制系統(tǒng)也簡單，但能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多，效率不高，續(xù)駛里程有限，仍需設(shè)置充電站。
并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是指車輪可以分別由發(fā)動機(jī)與電動機(jī)獨立驅(qū)動，適合于城市間公路行駛的車輛。當(dāng)汽車進(jìn)入市區(qū)行駛時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，進(jìn)入電動狀態(tài)；當(dāng)汽車在市郊公路行駛時，電動機(jī)關(guān)閉，由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動。使用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的典型示例為日本日野公司的HIMR系統(tǒng)，如圖1(b)所示。
混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)，可以分別驅(qū)動汽車或同時驅(qū)動汽車，它們的工作狀態(tài)是由計算機(jī)控制的。該系統(tǒng)適合各種行駛條件，不需外界充電，續(xù)駛里程與內(nèi)燃機(jī)汽車相當(dāng)，是最理想的混合電動方案，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，控制復(fù)雜。
混合動力車輛將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、電力驅(qū)動和儲能裝置結(jié)合在一起，其主要優(yōu)點有：減小發(fā)動機(jī)外形尺寸、效率高、排放低；具有可以最大限度發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動汽車的雙重優(yōu)點；輔助動力單元(APU)的選用使汽車的續(xù)駛里程和動力性能可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平。雖然內(nèi)燃機(jī)會有排放產(chǎn)生，但由于其排量小，主要工作在最佳工況點附近，而大大減少了汽車變工況(特別是低速、怠速)時的排放，再由于可回收制動能量，可使混合動力汽車成為較低排放的節(jié)能汽車，在一些對汽車排放嚴(yán)格限制的地區(qū)(如商業(yè)區(qū)、游覽區(qū)、居民區(qū)等)，混合動力車輛可以關(guān)閉APU，由純電力驅(qū)動，成為零排放的電動汽車。
混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)功率合成
混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)功率合成的形成方式可分為轉(zhuǎn)矩復(fù)合式、速度復(fù)合式和混合復(fù)合式三種。
轉(zhuǎn)矩復(fù)合式結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)矩復(fù)合式結(jié)構(gòu)的特點是發(fā)動機(jī)通過主傳動軸與變速器相聯(lián)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩在變速器前或后進(jìn)行復(fù)合，傳到驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)矩是兩者的和。在這種結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)與主傳動軸之間通過機(jī)械聯(lián)接。本田Insight型混合動力汽車采用起動機(jī)和發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩復(fù)合。
速度復(fù)合式結(jié)構(gòu)
速度復(fù)合式結(jié)構(gòu)是采用行星差速機(jī)構(gòu)的混合動力系統(tǒng)，通過行星機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)多個部件轉(zhuǎn)速的復(fù)合，而各個部件間的轉(zhuǎn)矩保持一定的比例關(guān)系。如圖2所示的華沙工業(yè)大學(xué)的行星齒輪混合動力系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)通過行星齒輪變速器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速復(fù)合。豐田Prius行星齒輪混合動力系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)則被公認(rèn)為目前最成功的速度復(fù)合結(jié)構(gòu)之一。
混合復(fù)合式結(jié)構(gòu)
既轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都要滿足一定關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖3所示的一種“變速也變矩”的混合復(fù)合結(jié)構(gòu)。
并聯(lián)混合動力車輛的能量分配控制策略
混合動力車輛需要良好的策略來控制熱機(jī)(一般是發(fā)動機(jī))和電動機(jī)的工作狀況和功率輸出，以優(yōu)化能量流動、提高動力總成協(xié)調(diào)程度，從而使燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放以及汽車的其他性能都達(dá)到最佳狀態(tài)。控制策略的基本思路通常有兩種：一是直接法，即直接將優(yōu)化目標(biāo)(如油耗等)表示為系統(tǒng)狀態(tài)變量、控制變量等的函數(shù)；二是間接法，即最小損失法，從計算當(dāng)前驅(qū)動條件下各個部件的效率入手，得到整個系統(tǒng)的能量(功率)損失。損失最小的狀態(tài)變量就是當(dāng)前驅(qū)動條件下應(yīng)該選擇的狀態(tài)變量，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，電池的放電電流等。驅(qū)動條件常用驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來表示。串聯(lián)混合動力車輛的能量分配控制策略一般是采用恒溫器或功率跟隨方式，也有控制策略綜合其它控制方式如發(fā)動機(jī)多點、單點或最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線控制等。而混聯(lián)混合動力車輛的能量分配控制策略比較復(fù)雜。
并聯(lián)式混合動力車輛的主要工作模式有：純電機(jī)模式、純發(fā)動機(jī)模式、發(fā)動機(jī)驅(qū)動+電機(jī)發(fā)電模式、發(fā)動機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動模式、復(fù)合制動模式、停車充電模式。
并聯(lián)式的動力系統(tǒng)的控制策略通常是根據(jù)電池的SOC、駕駛員的加速踏板位置、車速和驅(qū)動輪的平均功率等參數(shù)，按照一定的規(guī)則使發(fā)動機(jī)和電動機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩(或功率)， 以滿足驅(qū)動輪驅(qū)動力矩的要求。根據(jù)上述兩種控制策略的基本思路和車輛工作模式，可以得到以下幾種具體的控制策略。
以車速為主要參數(shù)的控制策略
這是最早也是最常采用的一種控制策略，利用車速大小作為控制的依據(jù)。當(dāng)汽車車速低于所設(shè)定的車速時，電機(jī)單獨驅(qū)動車輪；當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時，電機(jī)停止驅(qū)動，而由發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輪；當(dāng)車輪負(fù)荷比較大時(如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡時)，則由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動車輪。這種策略利用了電動機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的作用，避免了發(fā)動機(jī)的怠速及低負(fù)荷工況。當(dāng)車速較高有助于發(fā)動機(jī)有效工作時，發(fā)動機(jī)的啟動可避免純電動高速行駛時電池的快速放電損失。在這種控制策略中，發(fā)動機(jī)啟動的設(shè)定車速可以設(shè)計為一個定值。對于荷電消耗型混合動力汽車，設(shè)定車速愈低，汽車一次充電的續(xù)駛里程愈長，也有將設(shè)定車速設(shè)計為蓄電池組放電深度的函數(shù)。
以功率為主要參數(shù)的控制策略
當(dāng)車輪平均功率低于某設(shè)定值時，汽車由電動機(jī)單獨驅(qū)動；當(dāng)車輪平均功率高于該設(shè)定值時，有利于發(fā)動機(jī)有效工作，發(fā)動機(jī)被啟動，電動機(jī)則停止運行。發(fā)動機(jī)啟動的最佳時機(jī)是在變速器換擋期間，有助于獲得平穩(wěn)的駕駛性能。當(dāng)車輪平均功率超過發(fā)動機(jī)所能提供的功率時，電動機(jī)啟動，輔助發(fā)動機(jī)提供額外的功率。
采用優(yōu)化技術(shù)的控制策略
法國學(xué)者Sebastien DZLPRAT和Gino PAGANELLI和德國學(xué)者Ulrich Zoelch等人在不同層次上建立了有約束優(yōu)化計算模型，使發(fā)動機(jī)或包括CVT、電機(jī)等在內(nèi)的系統(tǒng)效率最優(yōu)化。由于受目標(biāo)優(yōu)化條件所限，這些控制方法只能用于特定的駕駛循環(huán)的實時控制。KIA汽車公司的Chunho Kim等人提出了以燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略，該方法就是將發(fā)動機(jī)和電機(jī)控制在最佳效率區(qū)工作，從而達(dá)到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。這種方法可以用于汽車的實時控制，但沒有考慮汽車駕駛循環(huán)工況的影響及發(fā)動機(jī)排放問題。
以成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略
采用這種控制策略的混合動力汽車裝備了小功率電機(jī)和小容量的蓄電池組，使蓄電池組的成本和質(zhì)量減少到最小程度。在這種策略中，電動機(jī)一般只在汽車急加速時才啟動，輔助發(fā)動機(jī)向車輪提供加速所需的功率。而汽車的一般行駛工況則由一個小排量的發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動，并在蓄電池組SOC下降到一定程度時為其充電，這進(jìn)一步提高了發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率。當(dāng)汽車減速時，蓄電池組吸收制動能量而充電?？巳R斯勒的道奇－無畏ESX、本田Insight和日產(chǎn)的混合動力汽車都采用這種控制策略。這種“輕度混合動力汽車”只有少量或者完全沒有純電動工況，整車成本和質(zhì)量都大為降低，并且燃油經(jīng)濟(jì)性可以達(dá)到相當(dāng)好的程度，排放也有大為改善。但為了滿足今后更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動機(jī)排量還需要進(jìn)一步降低。本田和日產(chǎn)的混合動力車都裝備了CVT，進(jìn)一步改善了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。
混合動力車輛的發(fā)展前景
作為過渡車型的混合動力汽車，其過渡期預(yù)計將大大延長?；旌蟿恿囕v在北美和日本的成功商業(yè)化也已成事實。在紐約和西雅圖將分別有315輛采用BAE System的串聯(lián)和241輛采用Ep System的并聯(lián)柴油混合動力大客車投入運行，在加加利福尼亞的長灘也將有100輛的汽油混合動力汽車進(jìn)入公交領(lǐng)域。據(jù) R. L. Polk & Co. 統(tǒng)計表明，美國2003年混合動力車的銷量達(dá)到43435輛，比2002年增長了25.8%。其中本田Civic占總銷量的50% 達(dá)21750輛，豐田Prius占47% 達(dá)到20387輛，而本田Insight位居第三位，共賣出1298輛。早在2002年10月，日本豐田公司就宣布從2012年開始在所有汽車上采用汽油－電力發(fā)動機(jī)（混合動力發(fā)動機(jī)）的計劃，希望到2007年混合動力汽車的年銷售量能夠達(dá)到300,000輛。按統(tǒng)計數(shù)字，全球油電混合動力汽車的銷量已經(jīng)突破10萬輛。美國和日本的汽車企業(yè)已經(jīng)開始了在混合動力車市場的競爭，預(yù)計三五年后整個市場將達(dá)到100萬輛級的規(guī)模。
中國以一汽、二汽、長安以及奇瑞為主的混合電動汽車研究開發(fā)隊伍在整車方面也取得快速的進(jìn)展。東風(fēng)電動車輛股份公司研究開發(fā)的混合動力城市客車樣車已經(jīng)在武漢市試行。諸多環(huán)保汽車產(chǎn)業(yè)政策和政府的激勵政策有望出臺，加上國際上混合動力車輛產(chǎn)業(yè)化技術(shù)相對成熟，混合動力車輛已成為當(dāng)前解決中國節(jié)能、環(huán)保問題切實可行的過渡方案。有利于混合電動汽車發(fā)展的因素包括：中國在2004年7月開始針對歐II以上車輛實行車輛購置稅減免30%；北京2005年將實施歐III汽車排放法規(guī)；燃油稅即將開征；為滿足歐III標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)，燃油質(zhì)量的提高需要一張大買單；油價持續(xù)上漲；歐II與歐III發(fā)動機(jī)價格差10萬（12米車用）等。
（轉(zhuǎn)載）
