淺談混合動力汽車發(fā)展現(xiàn)狀

　　【摘要】為解決環(huán)境惡化、資源短缺問題，混合動力汽車應(yīng)運(yùn)而生。其采用的發(fā)動機(jī)—電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動動力總成結(jié)構(gòu)，主要目的是利用電動機(jī)使發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)間，以達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。通過綜述目前混合動力汽車研究現(xiàn)狀，包括混合動力汽車結(jié)構(gòu)和混合動力汽車能量管理策略。在混合動力汽車結(jié)構(gòu)方面的研究有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的增程式、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式等;在能量管理策略方面有基于PMP算法的全局優(yōu)化、基于ECMS算法瞬時優(yōu)化、基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)等方法。

　　主題詞：混合動力汽車能量管理策略全局優(yōu)化PMP

　　1前言

　　過度消耗化石能源帶來了一系列環(huán)境問題，“節(jié)能減排”迫在眉睫。因此，發(fā)展氫能、電能的新能源汽車成為緩解環(huán)境污染的有效途徑。插電式混合動力汽車(Plug-inHybridElectricVehicle,PHEV)作為新能源汽車的代表，具有輸出扭矩大、加速快、里程長的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)汽車向PHEV轉(zhuǎn)變首先要解決能量管理問題，其實(shí)質(zhì)是將整車行駛過程中需求的動力在驅(qū)動部件之間進(jìn)行分配。

　　2019年，我國混合動力汽車銷售23.2萬輛，其中銷量前3分別是比亞迪唐DM、寶馬5系PHEV、大眾帕薩特PHEV。預(yù)計2025年，我國HEV保有量將達(dá)到500萬輛。若每輛車能量管理效果提升10%，每年節(jié)約的能源相當(dāng)于11.4個中型火電站一年發(fā)出的能源。隨著PHEV數(shù)量的增加，每年節(jié)約的能源將會更多。因此，研究PHEV的能量管理對于資源短缺、環(huán)境惡化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　2混合動力結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

　　在國際市場上，各汽車企業(yè)陸續(xù)上市多款插電式混合動力汽車(Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV)，驅(qū)動結(jié)構(gòu)也多種多樣。有早期的以行星齒輪作為功率分流裝置實(shí)現(xiàn)的混合驅(qū)動構(gòu)型，此種結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是不需要控制，完全由發(fā)動機(jī)、電動機(jī)工作狀況決定，主要車型有豐田PRIUS、福特FU⁃SION。有眾多歐洲廠商采用的P2并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是電動機(jī)置于變速箱輸入端與發(fā)動機(jī)通過離合器耦合。

　　發(fā)動機(jī)可通過P2電機(jī)起動并迅速提高轉(zhuǎn)速，避免低轉(zhuǎn)速、高扭矩造成的能源浪費(fèi)。在制動時，利用電動機(jī)回收制動能量。主要車型有德國大眾途觀LPHEV、奧迪A3e-tron。還有雙電機(jī)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)中2個電機(jī)分別是：發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，例如本田公司的i-MMD混動系統(tǒng)，主要車型有CR-V、雅閣PHEV、Inspire，寶馬X1PHEV。

　　除此之外，還有增程式新能源汽車，此種結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)不只為汽車提供扭矩，為動力電池充電，還具有行駛里程長的優(yōu)點(diǎn)，但是在化石能源向電能轉(zhuǎn)換過程中有不可避免的能量損耗。經(jīng)過數(shù)年來政府大力支持和國內(nèi)企業(yè)的不懈努力，我國新能源汽車取得了較為顯著的進(jìn)步。比亞迪推出“秦PHEV”、“唐DM”、“宋DM”、“元EV”及其多種衍生車型。比亞迪“DM車系”采用自主研發(fā)的“三擎動力”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅含有常規(guī)發(fā)動機(jī)，還含有3個電機(jī)，動力強(qiáng)勁。唐DM從0加速到100km/h僅需要4.5s。吉利汽車推出的帝豪GLPHEV是國內(nèi)首創(chuàng)的P2.5電機(jī)布局結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)將電機(jī)置于變速箱內(nèi)部。上汽的榮威eRX5PHEV搭載1.5T最大功率為119kW、最大扭矩為250N·m發(fā)動機(jī)和最大功率為56kW、最大扭矩為318N·m的電動機(jī)，百公里綜合油耗僅1.5L。

　　長城汽車的WEYVV7PHEV、長安的CS75PHEV都有不俗的市場表現(xiàn)力�？v觀混合動力汽車發(fā)展的歷程其主要特點(diǎn)總結(jié)如下。(1)多種混合動力結(jié)構(gòu)層出不窮、多種結(jié)構(gòu)并存、功率分流裝置向可控化、精細(xì)化方向發(fā)展;(2)混合動力汽車中電動機(jī)功率比重增加，整車油耗進(jìn)一步降低;(3)動力電池組容量增大，純電續(xù)航里程增加。

　　3能量管理策略研究現(xiàn)狀能量管理策略

　　(EnergyManagementStrategy，EMS)依據(jù)整車行駛過程中需求扭矩，合理分配驅(qū)動器件之間的輸出功率，是整車結(jié)構(gòu)確定后最重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。PHEV在需求扭矩一定情況下，電動機(jī)輸出扭矩越大發(fā)動機(jī)的燃油消耗量、排量越小，反之則反。因此，能量管理的結(jié)果直接影響整車性能。由于車身結(jié)構(gòu)差異、載荷不同、工況未知的復(fù)雜條件給PHEV能量管理策略帶來極大的挑戰(zhàn)。總的來說能量管理策略只能兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性、駕駛性、動力性、實(shí)時性其中某一方面或者某幾方面，很難在各個方面均達(dá)到令人滿意的結(jié)果。

　　目前對能量管理策略的研究主要分為3類：(1)基于規(guī)則的管理策略;(2)基于優(yōu)化的管理策略;(3)基于人工智能的管理策略�；�于規(guī)則的管理策略實(shí)時性好，控制也相對簡單，但嚴(yán)重依賴于車身結(jié)構(gòu)，主要有2種實(shí)現(xiàn)形式。(1)確定規(guī)則的管理方法—根據(jù)車輛當(dāng)前的扭矩、速度、加速度等狀態(tài)信息設(shè)定發(fā)動機(jī)或電動機(jī)的工作閾值點(diǎn)，劃分工作區(qū)間;(2)模糊規(guī)則的管理方法，利用模糊控制優(yōu)勢建立狀態(tài)信息及變量的隸屬度函數(shù)，確立模糊規(guī)則進(jìn)行能量管理�；�于優(yōu)化的管理策略全局性好，但控制較為復(fù)雜、實(shí)時性差;分為基于靜態(tài)數(shù)據(jù)的全局優(yōu)化和基于動態(tài)數(shù)據(jù)的瞬時優(yōu)化�；�于學(xué)習(xí)的管理策略不依賴于工況信息，然而控制最復(fù)雜，訓(xùn)練所耗時間極長，主要采用深度學(xué)習(xí)的方法。

　　3.1基于確定規(guī)則的能量管理策略

　　基于確定規(guī)則的能量管理策略主要有恒溫器控制、功率跟隨法、狀態(tài)機(jī)控制。按照設(shè)定的閾值一般將PHEV工作模式劃分為：純電模式、燃油模式、混合驅(qū)動模式、回饋制動模式、行車充電模式和停車充電模式。Anbaran指出[8]，當(dāng)PHEV在起動、蠕動、燃油不足和動力電池組高SOC(StateOfCharge)時，為提高整車效率，關(guān)閉發(fā)動機(jī)由電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，此為純電動模式;當(dāng)動力電池組低SOC、整車需求扭矩在發(fā)動機(jī)最佳工作區(qū)間運(yùn)行時由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，此為燃油模式。

　　而當(dāng)動力電池組SOC不足，需求扭矩小于發(fā)動機(jī)最佳工作區(qū)間的最小值，此時電動機(jī)工作在發(fā)電模式為動力電池組充電，這種工作方式為行車充電模式;減速或者下坡時，發(fā)動機(jī)不工作，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，稱這種模式為回饋制動模式;停車充電模式由市電為電池組充電。文獻(xiàn)[9]將發(fā)動機(jī)負(fù)荷狀態(tài)分為高、中、中低3個區(qū)間，再結(jié)合油門踏板的開度和變化速度，計算整車需求功率，從而確定車輛的工作模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PHEV與傳統(tǒng)汽車相比，在燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放性上具有明顯的優(yōu)勢。為了避免發(fā)動機(jī)怠速狀態(tài)和小負(fù)荷運(yùn)行，Hu[10]利用電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作負(fù)荷。

　　利用電機(jī)使發(fā)動機(jī)工作在燃油效率最高點(diǎn)，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。舒紅[11]針對不同循環(huán)工況采用混聯(lián)型混合動力汽車模型進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)過程中以最大綜合效率為目標(biāo)，將車輛工作狀態(tài)劃分為3種模式：充電工況、放電工況和制動工況。非制動模式下以最大效率為目標(biāo)，制動模式以最大回饋量為目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對于傳統(tǒng)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高了36.95%。Adhikari[12]基于功率平衡理論，采用控制動力電池組SOC、降低發(fā)動機(jī)起動頻率、安裝ISG(In⁃tegratedStarterGenerator)電機(jī)等一系列手段，降低9.3%的燃油消耗量。除此之外，還有研究者從變速箱的結(jié)構(gòu)出發(fā)將發(fā)動機(jī)控制在高效區(qū)間;考慮扭矩、效率MAP圖等提高燃油經(jīng)濟(jì)性[13]。

　　3.2基于模糊規(guī)則的能量管理策略

　　在PHEV行駛過程中，由于整個系統(tǒng)具有非線性、時變的特點(diǎn)，利用模糊控制的魯棒性和實(shí)時性能有效解決基于確定規(guī)則的不足之處。文獻(xiàn)[14]根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)確定模糊隸屬度函數(shù)與模糊規(guī)則，對不同結(jié)構(gòu)的燃料電池混合動力汽車進(jìn)行對比研究，期望找到最小能耗組合。文獻(xiàn)[15]對動力電池組SOC和發(fā)動機(jī)扭矩分配設(shè)計模糊規(guī)則控制器，確保發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器提高了燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性。文獻(xiàn)[16]同樣采用2個模糊控制器對動力電池組SOC和發(fā)動機(jī)扭矩分別控制。還有學(xué)者將模糊邏輯規(guī)則與其它方法相結(jié)合進(jìn)行規(guī)則設(shè)計。Zhao[17]與等效油耗最小相結(jié)合，對等效因子進(jìn)行優(yōu)化，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

　　Won[18]將模糊控制與粒子群算法相結(jié)合，對發(fā)動機(jī)扭矩進(jìn)行優(yōu)化控制。Vural[19]利用遺傳算法對模糊控制的隸屬度函數(shù)與模糊集合進(jìn)行優(yōu)化，并利用優(yōu)化后的模糊控制器對發(fā)動機(jī)扭矩進(jìn)行優(yōu)化。Rajagopalan[20]利用模糊PID控制策略，對采用AMT(AdvancedManufacturingTechnology)變速箱的混合動力汽車扭矩進(jìn)行了最優(yōu)分配。由于駕駛員駕駛方式的不同能耗可能存在差異，為此Gu[21]基于模糊邏輯控制，指出駕駛意圖識別對能量管理策略的影響。尹安東[22]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模糊控制器進(jìn)行在線的學(xué)習(xí)優(yōu)化，優(yōu)化后能耗降低10%。

　　3.3基于全局優(yōu)化的管理策略

　　基于全局優(yōu)化的管理策略基于循環(huán)工況已知的前提下，多采用龐特里亞金極小值原理(Pontryagin’sMinimumPrinciple,PMP)、動態(tài)規(guī)劃(DynamicProgram⁃ming,DP)、遺傳算法(Geneticalgorithm,GA)。DP在20世紀(jì)50年代，由美國數(shù)學(xué)家Bellman提出。DP在解決多階段問題時效果較為顯著，其基本思想是將多階段問題轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題，然后再注意求解的方法。而混合動力汽車在行駛過程中按照時間離散化后，就是一個多階段問題。

　　盡管DP計算量大、計算時間長、容易陷入維度困擾的問題，但自從2000年DP運(yùn)用到能量管理上后[23]，受到大多研究者的青睞。洪志湖[24]以耦合側(cè)輸入為研究對象，利用DP優(yōu)化并聯(lián)混合動力汽車輸出扭矩，研究表明相對于功率平衡策略，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10.95%，動力電池組SOC降低了3.36%。Luo[25]利用DP協(xié)調(diào)控制混合動力汽車的巡航安全性與燃油經(jīng)濟(jì)性。

　　針對DP算法計算量大的缺點(diǎn)，研究者們提出了DP規(guī)劃的改進(jìn)算法降低計算復(fù)雜度[26-28]。還有部分研究者考慮了基于DP的能量管理策略其它問題，如：文獻(xiàn)[29]考慮了燃料電池汽車DP算法能量管理策略累計誤差問題，并提出了解決辦法，使得最優(yōu)氫耗量誤差在0.5%內(nèi)。鄧濤[30]將PHEV與智能家居相結(jié)合，以分時電價和分時能耗為背景，利用DP優(yōu)化最小電價成本的管理策略，實(shí)驗(yàn)表明夏季、冬季家用電費(fèi)分別節(jié)省50%、27%。宋珂[31]針對DP需要預(yù)先知曉循環(huán)工況的缺點(diǎn)，提出了基于隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃的能量管理策略。該策略是在統(tǒng)計、分析已知工況前提下，建立馬爾可夫鏈隨機(jī)預(yù)測模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該策略在燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動機(jī)效率、電機(jī)效率等有較優(yōu)的表現(xiàn)。

　　4存在的問題及展望

　　針對PHEV的研究很多，有從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)，有從控制策略上優(yōu)化，還有從循環(huán)工況獲取上入手，但很多研究都只是針對同一種動力總成結(jié)構(gòu)。對于不同結(jié)構(gòu)的車輛，控制策略需要單獨(dú)設(shè)計。特別是一種新式的PHEV車型需要重新設(shè)計控制策略。而且現(xiàn)有研究大多只考慮燃油經(jīng)濟(jì)性，考慮排放性的相對較少，考慮動力電池組使用壽命的更少，更不用說3者都考慮在內(nèi)。

　　即使有考慮多目標(biāo)優(yōu)化的控制策略，也是通過將各目標(biāo)函數(shù)加權(quán)，使多目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕?biāo)問題。發(fā)展新能源汽車主要目的是節(jié)能、減排，雖然新能源汽車綜合油耗低、綜合排量少，但并沒有從根源上解決排放問題，只是“少運(yùn)行”而已。沒考慮排放性的控制策略，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時其尾氣排放種類及含量與傳統(tǒng)汽車無異，并沒有達(dá)到期望中的減排效果。

　　汽車工業(yè)論文：新能源汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)

　　再者新能源汽車成本很大一部分集中在動力電池組上，動力鋰電池組生產(chǎn)時伴隨著嚴(yán)重的污染，若不對其進(jìn)行有效的保護(hù)與管理，可能會使其壽命降低，更換電池組的時間間隔縮短，整個車輛使用成本增加，生產(chǎn)污染增加。影響動力電池組壽命很重要的一個因素就是動力電池充放電電流。解決電池組電流大的方法有增加并聯(lián)電池組的數(shù)量、降低其功率。在PHEV上增加更多的電池組，會帶來一系列的缺點(diǎn)，如：購車成本增加、內(nèi)部可用空間減小、會增加車身重量、行駛時車輛能耗增加。因此，將電池組運(yùn)行過程中的電流考慮在內(nèi)是有必要性與可行性的。

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　　作者：紀(jì)承乾

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