混合動(dòng)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(duì)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(dòng)汽車的雙重優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。本文簡(jiǎn)要介紹混合動(dòng)力車輛結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率合成形成方式的基礎(chǔ)上，對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力車輛的能量分配控制策略進(jìn)行探討。
本文簡(jiǎn)要介紹混合動(dòng)力車輛結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率合成形成方式的基礎(chǔ)上，對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力車輛的能量分配控制策略進(jìn)行探討。
混合動(dòng)力車輛的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
根據(jù)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與APU(輔助動(dòng)力單元)的結(jié)合方式，混合動(dòng)力車輛的驅(qū)動(dòng)形式分：串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種。
串聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)無(wú)機(jī)械連接，整車布置的自由度較大，控制系統(tǒng)也簡(jiǎn)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(dòng)力系統(tǒng)是指車輪可以分別由發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)汽車在市郊公路行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。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(dòng)力系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，可以分別驅(qū)動(dòng)汽車或同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車，它們的工作狀態(tài)是由計(jì)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(dòng)方案，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，控制復(fù)雜。
混合動(dòng)力車輛將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能裝置結(jié)合在一起，其主要優(yōu)點(diǎn)有：減小發(fā)動(dòng)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(dòng)汽車的雙重優(yōu)點(diǎn)；輔助動(dòng)力單元(APU)的選用使汽車的續(xù)駛里程和動(dòng)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(huì)有排放產(chǎn)生，但由于其排量小，主要工作在最佳工況點(diǎn)附近，而大大減少了汽車變工況(特別是低速、怠速)時(shí)的排放，再由于可回收制動(dòng)能量，可使混合動(dòng)力汽車成為較低排放的節(jié)能汽車，在一些對(duì)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(dòng)力車輛可以關(guān)閉APU，由純電力驅(qū)動(dòng)，成為零排放的電動(dòng)汽車。
混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率合成
混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)主傳動(dòng)軸與變速器相聯(lián)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在變速器前或后進(jìn)行復(fù)合，傳到驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩是兩者的和。在這種結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與主傳動(dòng)軸之間通過(guò)機(jī)械聯(lián)接。本田Insight型混合動(dòng)力汽車采用起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)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(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)行星機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)部件轉(zhuǎn)速的復(fù)合，而各個(gè)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(dòng)力系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)行星齒輪變速器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合。豐田Prius行星齒輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力車輛的能量分配控制策略
混合動(dòng)力車輛需要良好的策略來(lái)控制熱機(jī)(一般是發(fā)動(dòng)機(jī))和電動(dòng)機(jī)的工作狀況和功率輸出，以優(yōu)化能量流動(dòng)、提高動(dòng)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)?？刂撇呗缘幕舅悸吠ǔＳ袃煞N：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(jì)算當(dāng)前驅(qū)動(dòng)條件下各個(gè)部件的效率入手，得到整個(gè)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(dòng)條件下應(yīng)該選擇的狀態(tài)變量，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，電池的放電電流等。驅(qū)動(dòng)條件常用驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來(lái)表示。串聯(lián)混合動(dòng)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(dòng)機(jī)多點(diǎn)、單點(diǎn)或最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線控制等。而混聯(lián)混合動(dòng)力車輛的能量分配控制策略比較復(fù)雜。
并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的主要工作模式有：純電機(jī)模式、純發(fā)動(dòng)機(jī)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+電機(jī)發(fā)電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式、復(fù)合制動(dòng)模式、停車充電模式。
并聯(lián)式的動(dòng)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(dòng)輪的平均功率等參數(shù)，按照一定的規(guī)則使發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩(或功率)， 以滿足驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)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(shí)，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪；當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時(shí)，電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，而由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪；當(dāng)車輪負(fù)荷比較大時(shí)(如汽車急加速、爬陡坡或以較高車速爬坡時(shí))，則由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車輪。這種策略利用了電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的作用，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速及低負(fù)荷工況。當(dāng)車速較高有助于發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可避免純電動(dòng)高速行駛時(shí)電池的快速放電損失。在這種控制策略中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的設(shè)定車速可以設(shè)計(jì)為一個(gè)定值。對(duì)于荷電消耗型混合動(dòng)力汽車，設(shè)定車速愈低，汽車一次充電的續(xù)駛里程愈長(zhǎng)，也有將設(shè)定車速設(shè)計(jì)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(shí)，汽車由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)車輪平均功率高于該設(shè)定值時(shí)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作，發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)則停止運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的最佳時(shí)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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的功率。
采用優(yōu)化技術(shù)的控制策略
法國(guó)學(xué)者Sebastien DZLPRAT和Gino PAGANELLI和德國(guó)學(xué)者Ulrich Zoelch等人在不同層次上建立了有約束優(yōu)化計(jì)算模型，使發(fā)動(dòng)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(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)控制，但沒(méi)有考慮汽車駕駛循環(huán)工況的影響及發(fā)動(dòng)機(jī)排放問(wèn)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(dòng)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(dòng)機(jī)一般只在汽車急加速時(shí)才啟動(dòng)，輔助發(fā)動(dòng)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(gè)小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并在蓄電池組SOC下降到一定程度時(shí)為其充電，這進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率。當(dāng)汽車減速時(shí)，蓄電池組吸收制動(dòng)能量而充電。克萊斯勒的道奇－無(wú)畏ESX、本田Insight和日產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車都采用這種控制策略。這種“輕度混合動(dòng)力汽車”只有少量或者完全沒(méi)有純電動(dòng)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(dòng)機(jī)排量還需要進(jìn)一步降低。本田和日產(chǎn)的混合動(dòng)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(dòng)力車輛的發(fā)展前景
作為過(guò)渡車型的混合動(dòng)力汽車，其過(guò)渡期預(yù)計(jì)將大大延長(zhǎng)。混合動(dòng)力車輛在北美和日本的成功商業(yè)化也已成事實(shí)。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(dòng)力大客車投入運(yùn)行，在加加利福尼亞的長(zhǎng)灘也將有100輛的汽油混合動(dòng)力汽車進(jìn)入公交領(lǐng)域。據(jù) R. L. Polk & Co. 統(tǒng)計(jì)表明，美國(guó)2003年混合動(dòng)力車的銷量達(dá)到43435輛，比2002年增長(zhǎng)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(dòng)機(jī)（混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)）的計(jì)劃，希望到2007年混合動(dòng)力汽車的年銷售量能夠達(dá)到300,000輛。按統(tǒng)計(jì)數(shù)字，全球油電混合動(dòng)力汽車的銷量已經(jīng)突破10萬(wàn)輛。美國(guó)和日本的汽車企業(yè)已經(jīng)開始了在混合動(dòng)力車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，預(yù)計(jì)三五年后整個(gè)市場(chǎng)將達(dá)到100萬(wàn)輛級(jí)的規(guī)模。
中國(guó)以一汽、二汽、長(zhǎng)安以及奇瑞為主的混合電動(dòng)汽車研究開發(fā)隊(duì)伍在整車方面也取得快速的進(jìn)展。東風(fēng)電動(dòng)車輛股份公司研究開發(fā)的混合動(dòng)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(lì)政策有望出臺(tái)，加上國(guó)際上混合動(dòng)力車輛產(chǎn)業(yè)化技術(shù)相對(duì)成熟，混合動(dòng)力車輛已成為當(dāng)前解決中國(guó)節(jié)能、環(huán)保問(wèn)題切實(shí)可行的過(guò)渡方案。有利于混合電動(dòng)汽車發(fā)展的因素包括：中國(guó)在2004年7月開始針對(duì)歐II以上車輛實(shí)行車輛購(gòu)置稅減免30%；北京2005年將實(shí)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(dòng)機(jī)，燃油質(zhì)量的提高需要一張大買單；油價(jià)持續(xù)上漲；歐II與歐III發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格差10萬(wàn)（12米車用）等。
（轉(zhuǎn)載）
