2.3 混合动力汽车能量管理

2.3.1 混合动力汽车的能量传递路线

混合动力汽车的能量转换装置通常由发电装置（发动机/发电机）、能量储存装置（超级电容、蓄电池等）、变流器、动力传递装置、充放电装置等组成，其能量传递路线可分为4条：

1）由发电装置到车轮。

2）由能量储存装置到车轮。

3）由发电装置到能量储存装置。

4）由车轮到能量储存装置（能量回收）。

为使汽车具有良好的动力性能、电驱动性能及合理的能量分配等，电动汽车的能量管理必须对能量传递路线的工作进行有效监测和控制。

根据能量供给方式，混合动力系统基本工作模式可分为：

纯电动驱动模式。

纯发动机驱动模式。

混合驱动模式。

行车充电模式。

减速/制动能量回收模式。

怠速/停车模式等驾驶循环不同阶段对应的工作模式。

2.3.2 混合动力汽车的能量控制策略

能量管理策略的控制目标是根据驾驶人的操作，如对加速踏板、制动踏板等的操作，判断驾驶人的意图，在满足车辆动力性能的前提下，最优地分配电机、发动机、动力电池等部件的功率输出，实现能量的最优分配，提高车辆的燃油经济性和排放性能。由于混合动力汽车中的动力电池不需要外部充电，能量管理策略还应考虑动力电池的荷电状态（SOC）平衡，以延长其使用寿命，降低车辆维护成本。

混合动力汽车的能量管理系统十分复杂，并且因系统组成不同而存在很大差别。下面简单介绍3种混合动力汽车的能量管理策略。

（1）串联式混合动力汽车能量管理控制策略

由于串联混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此能量管理控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。为优化能量分配整体效率，还应考虑传动系统的动力电池、发动机、电动机和发电机等部件。串联式混合动力汽车有3种基本的能量管理策略。

1）恒温器策略。当动力电池SOC低于设定的低门限值时，起动发动机，在最低油耗或排放点按恒功率模式输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率给动力电池充电。而当动力电池SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电机驱动车辆。其优点是发动机效率高、排放低，缺点是动力电池充放电频繁。加上发动机开关时的动态损耗，使系统总体损失功率变大，能量转换效率较低。

2）功率跟踪式策略。由发动机全程跟踪车辆功率需求，只在动力电池SOC大于设定上限，且仅由动力电池提供的功率能满足车辆需求时，发动机才停机或怠速运行。由于动力电池容量小，其充放电次数减少，使系统内部损失减少。但是发动机必须在从低到高的较大负荷区内运行，这使发动机的效率和排放不如恒温器策略。

3）基本规则型策略。该策略综合了恒温器策略与功率跟踪式策略的优点，根据发动机负荷特性图设定高效率工作区，根据动力电池的充放电特性设定动力电池高效率的SOC范围。同时设定一组控制规则，根据需求功率和SOC进行控制，以充分利用发动机和动力电池的高效率区，使两者达到整体效率最高。

串联式混合动力汽车主要包含以下工作模式：

1）纯电动模式。发动机关闭，车辆仅由蓄电池组供电、驱动。

2）纯发动机模式。车辆驱动功率仅源于发动机-发电机组，而蓄电池组既不供电也不从驱动系统中获得任何功率，电设备组用作从发动机到驱动轮的电传动系统。

3）混合模式。驱动功率由发动机-发电机组和蓄电池组共同提供。

4）发动机驱动和蓄电池充电模式。发动机-发电机组供给向蓄电池组充电和驱动车辆所需的功率。

5）再生制动模式。发动机-发电机组关闭，驱动电机产生的电功率用于向蓄电池组充电。

6）蓄电池组充电模式。驱动电机不接收功率，发动机-发电机组向蓄电池组充电。

7）混合式蓄电池充电模式。发动机-发电机组和运行在发电机状态下的驱动电机共同向蓄电池组充电。

（2）并联式混合动力汽车能量管理控制策略

并联式混合动力汽车能量管理的控制，本质上是一个在一定约束条件下的燃料与排放的最优控制问题。一方面，由于行驶路况和驾驶人的操作具有随机性，并联式混合动力汽车的最优控制是一个随机性动态系统的最优控制问题。另一方面，并联式混合动力系统包括众多不同类型的部件，各部件之间存在复杂的协调工作关系，系统工作时各部件的运行状态均处于不断变化中，因此系统的动态方程非常复杂。

同时，并联式混合动力汽车的控制策略与串联式混合动力汽车不同，通常需要根据动力电池SOC、驾驶人操作的加速踏板位置、车辆和驱动轮的平均功率等参数进行控制，由发动机和电机输出相应的转矩，以满足驱动轮驱动力矩的要求。由此导致并联式混合动力汽车在能源控制策略上常采用动态优化控制策略和基于模糊逻辑或神经网络的智能控制策略。

并联式混合动力汽车的能量管理策略基本属于基于转矩的控制。目前主要有以下4类：

1）静态逻辑门限策略。该策略通过设置车速、动力电池SOC上下限、发动机工作转矩等一组门限参数，限定动力系统各部件的工作区域，并根据车辆实时参数及预先设定的规则调整动力系统各部件的工作状态，以提高车辆整体性能。静态逻辑门限策略实现起来较简单，目前实际应用较广泛。但由于主要依靠工程经验设置门限参数，静态逻辑门限策略无法保证车辆燃油经济性最优，而且这些静态参数不能适应工况的动态变化，无法使整车系统达到最大效率。

2）瞬时优化能量管理策略。针对静态逻辑门限策略的缺点，一些学者提出了瞬时优化能量管理策略。瞬时优化策略一般采用“等效燃油消耗最少”法或“功率损失最小”法，二者原理类似。其中，“等效燃油消耗最少”法将电机的等效油耗与发动机的实际油耗之和定义为名义油耗，将电机的能量消耗转换为等效的发动机油耗，得到一张类似于发动机万有特性图的电机等效油耗图。在某一个工况瞬时，从保证系统在每个工作时刻的名义油耗最小这一目标出发，确定电机的工作范围（用电机转矩表示），同时确定发动机的工作点，对每一对工作点计算发动机的实际燃油消耗，以及电机的等效燃油消耗，最后选名义油耗最小的点作为当前工作点，实现对发动机、电机输出转矩的合理控制。为将排放一同考虑，该策略还可采用多目标优化技术，以一组权值来协调排放和燃油同时优化存在的矛盾。“等效燃油消耗最少”法在每一步长内是最优的，但无法保证在整个运行区间内最优，而且需要大量的浮点运算和比较精确的车辆模型，计算量大，实现困难。

3）全局最优能量管理策略。全局最优能量管理策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合动力系统能量分配策略，目前主要有基于多目标数学规划方法的能量管理策略、基于古典变分法的能量管理策略和基于Bellman动态规划理论的能量管理策略3种。

4）模糊能量管理策略。该策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，将“专家”的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器将车速、动力电池SOC、需求功率/转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策，以实现对混合动力系统的合理控制，从而提高车辆整体性能。

基于模糊逻辑的策略的优点：①可表达难以精确定量表达的规则；②可方便地实现不同影响因素（功率需求、动力电池SOC、电机效率等）的折中；③鲁棒性好。但是模糊控制器的建立主要依靠经验，无法获得全局最优。

并联式混合动力汽车主要包含以下工作模式：

1）纯电动模式。当混合动力汽车处于起步、低速等轻载工况，且动力电池电量充足时，若以发动机作为动力源，则发动机燃油效率较低，且排放性能很差。因此，关闭发动机，由动力电池提供能量并以电机驱动车辆。但当动力电池的电量较低时，为保护动力电池，应切换到行车充电模式。

2）纯发动机模式。在车辆高速行驶等中等负荷情况下，车辆克服路面阻力运行所需的动力较小，一般情况下主要由发动机提供动力。此时，发动机可工作于高效区，燃油效率较高。

3）混合驱动模式。在加速或爬坡等大负荷情况下，当车辆行驶所需的动力超过发动机工作范围或高效区时，由电机提供辅助动力。若此时动力电池的剩余电量较低，则转换到纯发动机模式。

4）行车充电模式。在车辆正常行驶等中低负荷情况下，若动力电池的剩余电量较低，则发动机除要提供驱动车辆所需的动力外，还要提供额外的功率，通过电机发电以转换成电能给动力电池充电。

5）再生制动模式。当混合动力汽车减速/制动时，发动机不工作，电机尽可能多地回收再生制动能量，剩余部分由机械制动器消耗。

6）怠速/停车模式。在怠速/停车模式中，通常关闭发动机和电机，但当动力电池剩余电量较低时，需要起动发动机和电机，控制发动机工作于高效区并驱动电机为动力电池充电。

（3）混联式混合动力汽车能量管理控制策略

汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联混合动力汽车能量管理控制策略对能量进行管理，汽车高速稳定行驶时，以并联混合动力汽车能量管理控制策略对能量进行管理。

这样的能量管理控制策略能较好地实现汽车的各项性能指标，使发动机工作不受到汽车行驶状况的影响，总是在最高效率状态下工作或自动关闭，使汽车任何时候都可实现低排放及超低排放。但实现该控制策略的技术复杂，能量管理控制器结构设计与制造要求高。

混联式混合动力汽车具有特殊的传动系统结构（如采用行星齿轮传动），因此除采用瞬时优化能量管理策略、全局最优能量管理策略和模糊能量管理策略（与并联式混合动力汽车能量管理策略原理类似）外，还有如下特有的能量管理策略：

1）发动机恒定工作点策略。由于采用了行星齿轮机构，发动机转速可独立于车速变化，这样使发动机工作在最优工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电机提供。电机负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失，而且与发动机相比，电机的控制也更为灵敏，易于实现。

2）发动机最优工作曲线策略。发动机工作在万有特性图中的最佳油耗线上，只有当发电机电流需求超出动力电池的接受能力，或当电机驱动电流需求超出电机或动力电池的允许限制时，才调整发动机的工作点。

混合动力汽车的实际运行工况十分复杂，主要包括起步、加速、减速、巡航、上坡、下坡、制动、停车、倒车等。混合动力汽车由两种动力源驱动。由于发动机和电机这两套动力系统分别具有不同的高效工作区，为充分发挥混合动力系统的优势，汽车在不同的运行工况下，应具有多种不同的工作模式，以充分提高车辆整体性能。

2.3.3 混合动力汽车的制动能量回收系统

混合动力汽车装备了再生制动系统后能充分发挥自身优点，将车辆制动、下坡滑行、减速运行等状态下的部分动能和势能转化为电能存储在蓄电池等储能装置中，有效地利用了车辆制动时的动能，可显著改善车辆的燃油经济性及制动性能，增加混合动力汽车的行驶里程。混合动力汽车再生制动系统的框图如图2-3-1所示。

混合动力汽车再生制动系统电机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器变频减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机转速未变，或者说其转速变化有一定时间滞后，这时会出现转速大于给定转速，从而产生电机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电机就转为发电机模式，非但不消耗电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电源充电。这样既有良好的制动效果，又能转化为电能，向电源充电达到回收能量的效果。

图2-3-1 HEV再生制动系统组成

（1）制动能量回收-液压制动系统

在实际应用上，大部分制动能量回收系统是与液压制动系统一起工作的。因此经常把这二者合称为制动能量回收-液压制动系统。制动能量回收-液压制动系统一般应满足4方面的要求。

1）为使驾驶人在制动时有一种平顺感，液压制动力矩应可根据制动能量回收力矩的变化进行控制，最终使驾驶人获得所希望的总力矩。同时，液压制动的控制不应引起制动踏板的冲击，以免使驾驶人产生不正常的感受。

2）为使车辆能稳定制动，前后车轮上的制动力必须很好地平衡分配。

3）电动汽车没有发动机驱动的液压泵，因此需要一个电动泵来提高液压。液压制动力矩是电控的，将产生的液压传到制动轮缸上。制动能量回收-液压制动系统需要防止制动失效的机构，为提高系统的可靠性，满足安全标准，系统一般采用双管路制动。当其中一条管路失效时，另一条管路必须能提供足够的制动力。

4）为防止汽车发生滑移，施加在前后轮上的最大制动力应低于允许的最大值（主要由滚动阻力系数决定）。

（2）制动能量回收系统及控制策略

混合动力汽车一般有4种不同的制动控制策略：具有最佳制动感受的串联制动、具有最佳能量回收率的串联制动、并联制动及ABS防抱死制动。