混合動(dòng)力汽車HESS設(shè)計(jì)與控制策略優(yōu)化研究

梁美林

摘要：混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能依然比不上傳統(tǒng)的燃油汽車，導(dǎo)致這一問題的主要原因是蓄電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率密度較低，不能滿足汽車在啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)的高功率密度需求。另外，當(dāng)汽車處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，蓄電池不能快速回收再生制動(dòng)能量，從而導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。混合動(dòng)力汽車因具有低排放和低油耗而備受關(guān)注。超級(jí)電容充放電速度快、壽命長(zhǎng)，可以作為蓄電池的輔助電源為混合動(dòng)力汽車提供能量。本文闡述了超級(jí)電容和蓄電池的性能，并分析了它們的工作特點(diǎn)，同時(shí)還介紹了混合動(dòng)力汽車能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;HESS設(shè)計(jì);控制策略

1? 技術(shù)背景

《湖南省實(shí)施低碳發(fā)展五年行動(dòng)方案（2016—2020年）》的通知，通知指出“做好公共交通節(jié)能減排工作，重點(diǎn)推廣電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。

復(fù)合電源系統(tǒng)（HESS）中超級(jí)電容器和蓄電池的優(yōu)勢(shì)可互補(bǔ)，能夠滿足汽車在啟動(dòng)、加速和爬坡過程中對(duì)動(dòng)力源功率、能量的雙重需求。該系統(tǒng)中超級(jí)電容器能夠最大限度回收再生制動(dòng)能量，顯著提高HESS的效率和性能。例如：申請(qǐng)人江蘇大學(xué)于2016年9月22日申請(qǐng)的一種復(fù)合電源控制系統(tǒng)及其在不同工況時(shí)的切換方法，本申請(qǐng)中能量管理系統(tǒng)通過CAN總線分別與整車控制器、第一采樣裝置、第二采樣裝置相連接，獲取車輛的行駛信息、動(dòng)力電池與超級(jí)電容的性能參數(shù);超級(jí)電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)后，一路與動(dòng)力電池并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合電源，復(fù)合電源通過電機(jī)控制器控制電機(jī);一路與可控整流裝置串聯(lián)構(gòu)成充電回路;能量管理系統(tǒng)輸出PWM控制信號(hào)，分別用于控制雙向DC/DC變換器、可控整流裝置的觸發(fā)電路。雖然采用本發(fā)明的復(fù)合電源控制系統(tǒng)控制電動(dòng)汽車，具有元器件少，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且能滿足功能要求的優(yōu)點(diǎn)。然而，現(xiàn)有HESS能量管理策略基本上依賴于車輛當(dāng)前、未來時(shí)刻的功率需求及二維路徑信息，僅有的關(guān)于三維坐標(biāo)信息的規(guī)劃方法也是基于道路節(jié)點(diǎn)之間的高程差來進(jìn)行HESS能量?jī)?yōu)化，并沒有考慮汽路徑過程中有關(guān)橋梁、高度實(shí)時(shí)落差對(duì)車載HESS能量分配的影響。而研究發(fā)現(xiàn)，路徑垂直坐標(biāo)（道路坡度）是影響車輛功率需求和預(yù)測(cè)可回收制動(dòng)能量的一個(gè)關(guān)鍵因素。

基于能耗最低、路徑最短的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃技術(shù)能夠顯著提高HESS性能。車輛在擁堵路段時(shí)，車輛待機(jī)能耗及頻繁啟動(dòng)制動(dòng)將嚴(yán)重影響HESS功率分配的效率。然而，現(xiàn)有動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法，并未對(duì)此因素進(jìn)行考慮。此外，如果考慮動(dòng)態(tài)交通對(duì)路徑信息的影響，采取實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃綜合考慮交通因素對(duì)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，并結(jié)合規(guī)劃路徑三維信息進(jìn)行精確的HESS功率分配控制，則控制效果能夠得到進(jìn)一步提升。

目前，智能交通路徑規(guī)劃、三維地圖信息應(yīng)用技術(shù)的日益成熟，使HESS能量利用效率進(jìn)一步提升成為可能。若能運(yùn)用智能交通技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的實(shí)時(shí)更新，確保起點(diǎn)至終點(diǎn)整個(gè)過程中均選取最優(yōu)路徑;同時(shí)，結(jié)合三維地圖信息進(jìn)行車輛能量函數(shù)計(jì)算及HESS功率分配，實(shí)現(xiàn)工況預(yù)測(cè)與車輛路徑高程坐標(biāo)能量需求/回收的有效結(jié)合，則可最大限度提高車載HESS能量利用效率。

2? 混聯(lián)式混動(dòng)汽車控制設(shè)計(jì)

我們由混合動(dòng)力汽車的能量的流動(dòng)和動(dòng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式可把它分成三類：串聯(lián)式混動(dòng)汽車（SHEV），并聯(lián)混動(dòng)汽車（PHEV），混聯(lián)式混動(dòng)汽車（PSHEV）。其控制方式主要有以下四種：

2.1 串聯(lián)式浪動(dòng)汽車的控制設(shè)計(jì)

如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能或者蓄電池產(chǎn)生的能量供給電動(dòng)機(jī)，汽車行駛的驅(qū)動(dòng)力都有電動(dòng)機(jī)提供。

2.2 并聯(lián)式混動(dòng)汽車的控制設(shè)計(jì)（圖2）

2.3 混聯(lián)式混動(dòng)汽車控制設(shè)計(jì)

如圖3所示，混聯(lián)式HEV的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率可直接用于驅(qū)動(dòng)橋，或轉(zhuǎn)換成G的電能。

2.4 HEV的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車的電力性能，很大一部分由能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（ESS）決定的，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

3? 電動(dòng)汽車車載復(fù)合電源控制系統(tǒng)及方法

復(fù)合電源系統(tǒng)（HESS）中超級(jí)電容器和蓄電池的優(yōu)勢(shì)可互補(bǔ)，能夠滿足汽車在啟動(dòng)、加速和爬坡過程中對(duì)動(dòng)力源功率、能量的雙重需求。該系統(tǒng)中超級(jí)電容器能夠最大限度回收再生制動(dòng)能量，顯著提高HESS的效率和性能。

車載HESS功率分配原理如圖5所示，HESS狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元通過實(shí)時(shí)采集超級(jí)電容器及動(dòng)力電池的電流和電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)超級(jí)電容器、鋰離子動(dòng)力電池等效電路模型，考慮電機(jī)及DC/DC損失效率、電池容量損失等因素，結(jié)合車輛當(dāng)前道路工況、路徑動(dòng)態(tài)交通信息，形成高精度HESS狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。HESS性能提升單元通過分析復(fù)合電源拓?fù)湫陆Y(jié)構(gòu)工作原理，獲得HESS整體特性。分析DC/DC高效工作區(qū)域，確定HESS充放電過程中超級(jí)電容和電池功率分配之間的關(guān)系及系統(tǒng)控制參數(shù)。以超級(jí)電容器承擔(dān)負(fù)載需求功率中峰值功率級(jí)電池承擔(dān)平均功率為原則，優(yōu)化HESS關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)HESS的高效功率分配。動(dòng)態(tài)路徑HESS功率分配管理單元結(jié)合三維地圖信息特征，基于路徑規(guī)劃確定線路矢量、高程信息。根據(jù)規(guī)劃路徑剩余路段三維信息及實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，考慮電機(jī)需求功率、電量消耗模式、電源SOC、超級(jí)電容補(bǔ)電上限及動(dòng)力電池放電功率等因素，對(duì)HESS功率需求根據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。選擇電池和超級(jí)電容器容量損失為狀態(tài)變量，HESS能耗和電池組容量損失最小為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件為HESS性能條件，以正向迭代的方法經(jīng)過遍歷后選取階段最優(yōu)控制參數(shù)，保證動(dòng)態(tài)規(guī)劃線路HESS的功率分配最優(yōu)。

HESS控制單元原理如圖7所示，HESS采用主動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。超級(jí)電容器通過DC/DC裝置與鋰離子動(dòng)力電池并聯(lián)連接，通過DC/AC轉(zhuǎn)換裝置為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供所有功率。HESS控制器根據(jù)車輛運(yùn)行特征預(yù)測(cè)通過DC/DC控制器對(duì)HESS功率分配進(jìn)行控制。當(dāng)車輛下坡制動(dòng)時(shí)，車輛能量預(yù)測(cè)（可回收的能量）通過電動(dòng)車輛DSG電機(jī)對(duì)超級(jí)電容器充電，進(jìn)行制動(dòng)能量的回收存儲(chǔ)。

4? 結(jié)論

本文以混合動(dòng)力汽車HESS作為研究對(duì)象，采用路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)與HESS功率分配多目標(biāo)優(yōu)化方法，充分考慮路徑高程信息對(duì)HESS功率分配的影響，提高了車載HESS能量利用效率，研究HESS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略優(yōu)化，形成可供其它混合動(dòng)力汽車研究借鑒的典型案例成果。揭示混合動(dòng)力汽車HESS儲(chǔ)能規(guī)律，通過性能分析，建立混合動(dòng)力汽車HESS計(jì)算數(shù)學(xué)模型和等效仿真分析模型;揭示混合動(dòng)力汽車的電池能量存儲(chǔ)系統(tǒng)匹配對(duì)性能的影響規(guī)律。混合動(dòng)力汽車HESS控制策略優(yōu)化方式，有效利用智能網(wǎng)聯(lián)汽車基礎(chǔ)支撐技術(shù)，采用車載嵌入式單元進(jìn)行路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃及HESS功率分配的智能控制。能夠在充分利用實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)、三維地圖信息的基礎(chǔ)上，在能耗最低路徑上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)路徑滾動(dòng)優(yōu)化與功率分配智能決策，提高HESS能量利用效，使汽車?yán)m(xù)航更長(zhǎng)。

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