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1、 混合动力汽车的驱动方式3.1 混合动力汽车的定义国际电子技术委员会(International Electro-technical Commission，简称 IEC)对混合动力车辆的定义为：“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少有一种存储器或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车（HEV）至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提供驱动力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力。”3.2 混合动力汽车的驱动类型 根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以
2、下三类：一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本
3、低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。 根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：一是微混合动力系统。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混
4、合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机(一般为12V)上加装了皮带驱动启动电机(也就是常说的Belt-alternator Starter Generator, 简称BSG系统)。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。二是轻混合动力系统。代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采
5、用了集成启动电机(也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统)。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：(1)在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收;(2)在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。三是中混合动力系统。本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic都属于这种系统。该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还
6、增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，目前技术已经成熟，应用广泛。四是完全混合动力系统。丰田的Prius 和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。3.3、串联式混合动力电动汽车(SHEV)3.3.1、串联式混合动力电动汽车的结构串联式混合动力电动汽车由发动机、发电
7、机、电池组、驱动电机和控制器主要部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发动机和发电机集成组成一个系统，即辅助动力单元，当发动机发出的功率超过汽车行驶所需要的功率时，发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。3.3.2、串联式混合动力电动汽车的驱动模式在串联式混合动力电动汽车上，由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电动机是唯一的驱动模式。串联式 HEV 驱动系统的结构图如下图所示。只有电动机直接与驱动
8、桥相连接（这一点与纯电动汽车相同），而发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄电池充电。汽车行驶时的驱动力由电动机来输出，它将储存在蓄电池中的电能转化为车轮上的机械能。当蓄电池的荷电状态值（SOC，StateOf Charge）降到一个预定值时，发动机即开始对蓄电池进行充电。发动机与驱动系统并没有机械地连接在一起，这种方式可以很大程度地减少发动机所受到的车辆的瞬态响应。瞬态响应的减少可以使发动机进行最优的喷油和点火控制，使其在最佳工况点附近工作。3.3.3、串联式混合动力电动汽车的优缺点 优点：(1)发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态，使有害排放气体控制在最低范围内，
9、并可采用燃气轮机、转子发动机等其他形式的发动机。(2)串联式混合动力电动汽车从整体结构上看，只有发电机电动机的电力系统，其特点更加趋近于电动汽车。几个大部件总成在电动汽车上布置起来，将有较大的自由度。缺点：各部件总成各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小型电动汽车上布置有一定的困难。在发动机发电机电动机驱动系统中的热能电能机械能的能量转换过程中，能量损失较大。因此发动机输出的能量利用率要比内燃机汽车低。所以，串联式混合动力驱动系统较适合在大型客车上使用，该布置形式更适合于道路复杂的城市工况和山区公路运行。在环保要求高的市区，汽车在起步和低速行驶时，可以关闭发动机进入纯电动状态，使汽车达到
10、零排放的要求。随着蓄电池技术的发展，存储能量性能的不断提高，串联式混合动力电动汽车使用发动机的次数越来越少，最终会向纯电动汽车的目标迈进。3.4、混联式混合动力电动汽车混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。一种可能的设计方式是将串联式和并联式的所有部件用一个离合器连接起来，使车辆在某种情况下以串联式工作，在另一种情况下则以并联式工作。根据不同的驱动条件来选择具有优势的那一种驱动方式。但是这种
11、布置方式将会比单纯的串联式或并联式增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。丰田 Prius 所采用的混合驱动方式丰田 Prius 驱动系统的结构图如图所示。丰田 Prius 驱动系统是将发动机、发电 丰田prius混合动力电动汽车驱动系统的结构机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个不同的速度(例如：发动机的转速与差速器输入的转速)。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。3.5、并联混合动力汽车
12、研究状况3.5.1、并联式混合动力电动汽车的驱动模式并联式混合动力驱动系统结构图如下图所示， 发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷(中等转速)下，燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用（即一边驱动汽车，一边充电）。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速行驶下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以它在高速公路上行驶具
13、有比较好的燃油经济性。 并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车，或低排放汽车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源。并联式混合动力汽车通常有以下四种组合驱动方式（如下图）：a. 驱动力结合式 驱动力结合式电动汽车采用一个小功率的发动机，单独地驱动汽车的前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮，可以在汽车启动、爬坡或加速时增加混合动力汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立地驱动汽车，也可以联合驱动汽车，使电动汽车变成四轮驱动的电动汽车。此种混合动力电动汽车具
14、有四轮驱动的特性。b. 转矩结合式(双轴式和单轴式) 转矩结合式并联式混合动力电动汽车的发动机通过传动系统直接驱动混合动力电动汽车，并直接（单轴式）或间接（双轴式）带动电动/发电机转动向蓄电池充电。蓄电池也可以向电动/发电机提供电能，此时电动/发电机转换成电动机，可以用来启动发动机或驱动汽车。c. 转速结合式 转速结合式并联式混合动力电动汽车的发动机通过离合器和一个“动力组合器”来驱动汽车，电动机也是通过“动力组合器”来驱动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力组合器”与传动系统连接，结构简单，改制容易，维修方便。通常“动力组合器”就是一个行星齿轮机构，这种装
15、置可以使发动机或电动机之间的转速可以灵活的分配，但它们组合在特定的“动力组合器”中，因为“动力组合器”使它们的转矩固定在电动汽车行驶时的转矩上，要用调节发动机节气门的开度来与电动机的转速相互配合，才能获得最佳传动效果，从而使得控制装备变得十分复杂。3.5.2、并联混合动力电动汽车的结构特点及优缺点 结构特点 1、两条驱动线路：内燃机和电动机都可以通过各自的驱动线路驱动车路。2、三种基本驱动方式：发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机和电动机联合驱动。3、属于电力辅助型燃油汽车，可降低排放和燃油消耗。4、当发动机提供的功率大于驱动车轮所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电的状态，将多余的能量
16、充入蓄电池。优点: 1、只有发动机和电动机两个动力总成，两者的功率可以等于车辆驱动功率的50%-100%，比串联式混合动力电动汽车三个动力总成的功率、质量和体积小很多。2、发动机可以直接驱动车辆，没有串联式混合动力电动汽车发动机的机械能-电能-机械能的转换过程，能量转换的综合效率比串联式混合动力电动汽车高，当车辆需要最大输出功率时，电动机可以提供额外的辅助动力，因此发动机功率可以选择较小，燃油经济性比串联式混合动力电动汽车好。3、与电动机配套的动力电池组容量较小，使整车质量减小。4、当轻度混合时，电动机可带动发动机起动，调节发动机的输出功率，使发动机基本稳定在高效率、低污染状态下工作。发动机也
17、可以带动发电机发电向电池组充电，以延长续驶里程。缺点：1、需要配备与内燃机相同的传动系统，总布置基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车。发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于串联式混合动力电动汽车。2、需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，还有电动机、动力电池组和动力合成器等装置，因此动力系统结构复杂，布置和控制更困难。因此，并联式驱动系统最适合在城市间道路和高速公路上行驶，工况稳定，发动机经济性和排放性都会有所改善,和混联式混合动力电动汽车相比较而言结构简单，价格也容易被广大消费者接受，因此，在电池技术问题没有得到很好的解决的情况下，它有望在不久的将来成为汽车商业
18、的主流产品。3.5.3、并联混合动力电动汽车的控制 并联混合动力汽车是一个集机械、电器、化学和热力学系统于一体的复杂的高度非线性动态系统,如何有效地协调好各子系统,控制各子系统间的能量流动,并针对不同的行驶工况和驾驶风格,在不降低整车性能的情况下,实现整车的最佳燃油经济性和排放并兼顾整车的成本是并联混合动力汽车控制策略的设计方向。基于以上要求,并联混合动力汽车控制策略总的设计准则为:1、尽量控制使发动机在高效区工作,保持电机高效工作;2、减少发动机的开/关次数;3、选择合适的电池SOC,并维持在一定范围内;4、合理分配汽车所需功率,优化车载能源,提高各子系统间的能量流动效率;5、动态性能好,有
19、良好的自适应和自学习能力。早期的控制策略由于技术的限制大多是基于速度的控制。在这种控制策略中,将发动机启动的设定车速设计为一个定值,依据瞬时工况车速判定整车的工作模式:当车速低于设定值时,发动机关闭,由电机单独工作;当车速高于设定值时,发动机单独工作;当车轮负荷比较大时(如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡),则由发动机和电机联合驱动车轮。基于速度的控制策略,由于其简单,易于被控制工程师理解,技术门槛较低,因而在混合动力汽车开发初期得到了较为广泛的研究和应用。但同时也有其明显的缺点:控制参数单一,动态特性差,没有充分利用混合动力系统的优势,通常整车的燃油经济性不是最优,而且还没有考虑排放,特别
20、是有时车速即便很高,但对驱动力的要求可能很低,比如在高速滑行或匀速行驶时,此时发动机的工作负荷较低,效率不高。基于以上原因,现在的控制策略基本上属于基于转矩或功率的控制。目前已经提出的控制策略主要可以分为4类:基于规则的逻辑门限控制策略;瞬时优化控制策略;智能控制策略;全局最优控制策略。（1）基于规则的逻辑门限控制策略 这类控制策略的主要思想是:根据发动机的研究静态效率曲线图,通过控制选定的几个变量,如整车功率需求、加速信号、电池SOC等等,并根据预先设定的规则,判断并选择混合动力系统的工作模式,使车辆运行在高效区,提高汽车的燃油经济性。(1)电力辅助控制策略来源于数学中的平均值和方差的概念,
21、它将整车的功率需求分为平均功率需求(Pa)和动态功率需求(Pd)两部分。发动机提供Pa,Pd则由电动机提供。传统汽车在一般工况下所需的平均功率需求一般不到发动机峰值功率的20%,这就意味着大部分情况下发动机是在低效区工作,如果Pa由运行在高效区的发动机单独提供,而爬坡或加速时所需的额外动态功率由电机提供,可以大大地提高整车燃油经济性。当然,考虑到电池SOC,在不同的车辆工作模式下,还需辅助于其他的控制策略才能达到预期效果。(2)最大电池SOC控制策略的目标是电池SOC尽量维持在最高允许值处,发动机尽可能运行,尽可能少地使用电动驱动系统。这是由于车辆在城市工况下频繁地加速,将会导致电池快速放电,
22、使电池SOC下降很快,对电池的寿命影响很大。(3)发动机开/关控制策略也叫恒温器控制策略,最早应用于串联式混合动力汽车。当汽车高速运行于公路上,不需要频繁加减速时,大大减 少了使用电动驱动系统的概率,且此时车辆功率需求常常低于发动机满载时,发动机还有一部分的富余功率,致使电池SOC很容易达到上限。为避免发动机低效工作,此时应关掉发动机,由电机单独驱动汽车;当电池SOC达到设定的下限时,发动机启动,由电机单独驱动,富余的功率则用来给电池充电。基于规则的逻辑门限控制策略算法简单,容易实现,且具有很好的鲁棒性,但从理论上讲,静态的控制策略不是最优的,它不考虑工况的动态变化,而且一般只考虑燃油经济性而
23、不考虑排放,另外,当SOC低于设定门限值时就要进行充电,没有考虑电池充放电的能量损失。（2）瞬时优化控制策略 规则的逻辑门限控制策略是基于工程师的经验及静态的能耗图来制定的,由于它不考虑工况的动态变化,因此它不是最优的。为了克服这些缺点,人们又提出了一种新的控制策略瞬时优化控制策略,也叫实时控制策略。目前提出来的瞬时控制策略主要有/等效燃油消耗最少和功率损失最小两种。虽然这两种方法的出发点不同,但其原理是一样的。等效燃油消耗最小控制策略的主要思想是:在某一瞬时工况,将电机消耗的电量折算成发动机提供相等能量所消耗的燃油和产生的排放,再加上制动回收的能量与发动机实际的燃油消耗和排放组成总的整车燃油
24、消耗与排放模型,计算此模型的最小值,并选在此工况下最小值所对应的点作为当前发动机的工作点。瞬时优化控制策略可以综合考虑燃油消耗和排放,它通过一组权值来描述各自的重要性,用户可以根据自己的要求来设定这组权值,从而在燃油消耗和排放之间获得折中。比如,在排放法规比较严格的地区,可以适当地提高排放的权值比重,放弃一点燃油经济性;注重燃油消耗,但排放法规比较宽松的地区,则可以适当提高燃油消耗的权值比重。当然,这种控制策略也有它的缺点:需要大量的浮点运算,计算量大,实现起来困难,成本比较高。此外,在计算过程中,需要对未来的行驶工况中由制动产生的回收能量进行预估,这就需要建立一个比较精确的预测模型,这一点实
25、现起来也比较困难,它需要两个前提:一是对典型工况的统计分析,二是实时判断行车工况。（3）智能控制策略 智能控制的基本出发点是模仿人的智能,根据复杂被控动态过程的定性信息和定量信息,进行定性定量综合集成推理决策,以实现对难以建模的复杂非线性不确定系统的有效控制。由于混合动力汽车的能量消耗模型正是这么一个系统,因此它非常适合于智能控制。目前提出的基于智能控制的并联混合动力汽车控制策略主要有3种:模糊逻辑控制策略、神经网络控制策略、遗传算法控制策略。(1)模糊逻辑是经典数理逻辑与模糊数学相结合的产物。在模仿人的推理和决策方面,模糊逻辑无疑是目前最成功的技术之一,与经典逻辑相比,它更接近人的思维方式,
26、表达上更接近自然语言的形式。模糊逻辑控制的核心是模糊控制器。模糊控制器由4部分组成:规则库、推理机制、模糊化接口和反模糊化接口。模糊控制器将其关心的各传感器传来的精确信号转换成模糊量,根据专家制定的推理机制,应用基于控制知识与专家工程经验的规则库中的相关规则,得出模糊结论,并将其转换成精确量,作为控制指令,协调车辆各部件的能量流动,使整车的燃油经济性和排放达到最佳。模糊逻辑控制策略不需要精确的整车能量消耗的数学模型。它可以很方便的处理诸如/如果车速较高且SOC较低而加速踏板踩下较小的角度,则发动机单独驱动,并给电池充电0这样无法用精确参数表达的控制规则。它不仅可以优化发动机,同时还可以优化其他
27、组件,如电机、电池、变速器等,实现各组件间的折中,以达到整车的燃油消耗和排放的最优。当然,模糊逻辑控制策略也有其局限性:在模糊推理过程中会增加模糊性;在整个控制过程中,各变量的论域等级是固定的,控制规律也是固定的,系统的动态特性较差,无法满足不同驾驶员意图和不同的路面环境下汽车的自动控制;对于复杂系统的模糊规则的建立还没有确定的方法可以遵循,隶属度函数的确立也需要反复进行确定;缺乏简单有效的方法对模糊逻辑系统进行稳定性的研究。(2)神经网络是以对信息的分布式存储和并行处理为基础,在许多方面更接近人对信息的处理方法,有很强的逼近非线性函数的能力,它具有自组织、自学习的功能,但它采用的是典型的黑箱
28、式学习模式,因此当学习完成后,神经网络所获得的输入/输出关系无法以容易被人接受的方式表达出来。(3)遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法。它能够同时搜索空间的许多点,且能充分搜索,因而能够快速全局收敛。遗传算法的优化问题是对优化参数的集合进行编码,而不是对参数本身,其遗传操作均在字符串上进行。只需要评价用的适应函数,而不需要其它形式信息,这些都使得遗传算法对问题适应能力强。从以上分析可以看出,模糊逻辑在控制中的应用需要先验知识,神经网络需要不断从输入/输出关系中学习,而遗传算法是属于从过去性能学习的方法。3种方法各有特色,各有优缺点,互补性很强,如果能将三者
29、有机地结合起来,将更好地应用于实际的控制系统。 （4）全局最优控制策略 瞬时优化控制策略在每一步长内可能是最优的,但无法保证在整个运行区间内是最优的。于是又提出了一种在整个运行区间内寻优的全局最优控制策略。全局最优控制策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合驱动动力分配控制策略。其主要思想是基于某种优化理论,建立以整车燃油经济性与排放为目标,系统状态变量为约束的全局优化数学模型,运用相关的优化算法,求得最优的混合驱动动力分配控制策略。目前研究较多的有基于多目标数学规划、Bellman动态规划理论以及最小值原理的全局最优控制策略。这些控制策略还不成熟,需要大量计算,且依赖于预定的运行工况
30、,实时性较差,主要用于:在标准行驶循环下,参考全局最优控制策略,对实时控制策略进行分析与评估,并从中派生出适用的实时控制策略。虽然控制策略有多种多样，但是他们的中心思想都是一样的。都是根据不同的工况决定电动机和发动机为汽车提供的动力各自的比例多少。并联式混合动力汽车有多种结构形式如图所示：其中电动机和发动机可以通过耦合的方式对同一车轮进行供能，也可以向前后轮分别供能，具体情况是不同车型而定。而电动机与发动机的配合模式大致如下图所示：在两套动力系统的工作转换控制上，会由车内自动控制系统根据不断变化的交通情况所需的动力条件做出反应，无需驾驶员操心。由于设计过程中电动机功率和变速器速比变化范围选择不
31、同并联式混合动力车辆的燃油经济性和动力性有很大的差别。而采用无级自动变速可以确保发动机基本上在其最佳效率区间工作，这样的系统在控制发动机工作点方面采用金属带无级变速传动装置，确保发动机稳态工作点位于最佳经济线上。为避免不必要的燃油消耗，怠速时将发动机关闭，其爬行工况将由电动机来实现。为避免发动机工作于高比油耗区，当车速较低或倒车时车辆将由电动机驱动，同时通过离合器切断传动装置与发动机的联系，减少由发动机内部摩擦所带来的额外载荷。而在能量回收方面，在确保车辆行驶安全性的前提下优化制动器与发电机之间制动力的分配比例，争取最大限度地将再生能量传至发电机；调整金属带无级变速传动速比，增大发电机输入转速，以提高发电机的能量回收率。但是这种方法需要的电动机有比较大功率。14各类材料