在混合动力汽车上普遍采用以计算机为核心的现代计算机技术与自动控制技术,各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术、专家控制系统、神经网络系统等也渐渐应用到混合动力汽车上,使混合动力汽车更加安全、节能、环保和舒适。 (1)混合动力汽车控制系统的功能。 ①使混合动力汽车的动力性能接近或达到现代内燃机汽车的水平,逐渐实现混合动力汽车的实用化。 ②最大限度发挥电动机驱动的辅助作用,使混合动力汽车的燃油消耗量尽可能降低,实现发动机的节能化。
③在环保方面,达到“超低污染”的环保标准。
④在混合动力汽车上实现多能源动力控制,对内燃机驱动系统及电动机驱动系统实现双重控制是混合动力汽车的关键控制技术。发动机和电动机的动力系统应进行最有效的组合和实现最佳匹配,发动机和驱动系统、电动机和驱动系统均能具有高效率,能够回收再生制动能量,延长混合动力汽车的行驶里程,改进混合动力汽车的节能性。
⑤在操纵装置与操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法,适应驾驶员的操作习惯,使操作简单化和规范化,在整车控制系统中,使用全自动、机电一体化控制系统,达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。
混合动力汽车一般是内燃机汽车的替代和延伸,继承并沿用了很大一部分内燃机汽车的传动系统,保留了人们已经习惯的内燃机汽车的操纵装置,包括发动机控制装置加速踏板(控制发动机的节气门和电动机)、制动踏板(机械式ABS制动和控制制动反馈)及离合器自动离合器、变速器的操纵装置等,由这些操纵装置发出控制信号,通过以计算机CPU作为核心的中央控制器和各种控制模块,向内燃机驱动系统或电动机驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令,使其工作在不同的驱动模式下,根据驾驶员的意图,实现混合动力汽车的启动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时驱动模式转换的控制。
(2)混合动力汽车控制系统的基本组成 混合动力汽车主要控制系统:控制系统,由操纵装置、中央控制器及各种控制模块共同组成;电动机与驱动系统,以及电动机和电动机驱动系统的控制系统;发动机与驱动系统,以及发动机和发动机驱动系统的控制系统;信号反馈和检测装置,包括各电信号检测装置(电压表、电流表等)、显示装置和自诊断系统等。
(3)混合动力汽车的控制策略 如果混合动力汽车各部件的配置确定,那么如何优化控制策略是实现混合动力汽车低油耗、低排放目标的关键所在。在满足汽车的动力性及其他基本技术性能和成本等要求的前提下,针对各部件的特性及汽车的运行工况,控制策略应实现能量在发动机、电动机之间有效而合理的分配,使整车系统效率达到最高,获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。控制策略的基本思路一般包括两种:一为直接法,即直接将优化目标表示为系统状态变量、控制变量等的函数;二为间接法,即最小损失法,从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手,获得整个系统的能量损失,损失最小的状态变量即为当前驱动条件下应选择的状态变量,如发动机转矩、转速及电池的放电电流等。驱动条件常用驱动轴的转矩与转速来表示。从这两种基本思路出发,可以得到很多种具体的控制策略。
不同的混合动力汽车控制策略包括很多种,下面介绍的是比较简单的基于规则的混合动力汽车稳态能量管理策略。基于规则的稳态能量管理策略主要依靠工程经验及试验,通过限定发动机的工作区域和工作方式,达到降低燃油消耗和排放的目的,这种方法比较简单直观,所以更具有实用价值,在实际混合动力汽车的能量管理系统中得到了广泛的应用。
基于规则的稳态能量管理策略的主要依据为工程经验,根据部件的稳态效率MAP图来确定如何进行发动机与电动机之间的动力分配。将混合动力汽车控制分成了3种模式,即正常行驶模式、充电模式和制动能量回收模式,同时将发动机的效率MAP图划分为纯电动、发动机驱动及电动机功率辅助3个区域,如图1-10所示。在不同模式下,根据发动机的稳态效率MAP图决定发动机与电动机的动力分配方式。
①正常行驶模式。在发动机效率MAP图上分别用“发动机工作最小功率”曲线及“电动机助力最小功率”曲线将发动机效率MAP图划分为3个区域:纯电动区域;发动机驱动区域;电动机功率辅助区域。
功率分配规则:若需求的驱动功率小于发动机工作的最小功率,则由电动机提供全部的驱动功率;若需求的驱动功率超过该限值,则由发动机取代电动机驱动车辆前进;若需求的驱动功率大于电动机助力最小功率,则由电动机提供额外的驱动功率。在正常行驶模式下,发动机总是工作在“发动机工作最小功率”与“电动机助力最小功率”之间效率最高的区域。
②充电模式。对电池能量的管理采用了充电维持策略,即始终保持电池的荷电状态(SOC)值位于最高效率区的上下限值之间(设定为55%~60%)。当SOC值低于55%时,应切换至充电模式(当且仅当SOC值大于60%时充电过程完成),并计算电池的充电功率该功率同时也作为电动机的目标功率。发动机的目标功率为需求的驱动功率和充电功率之和。充电模式中存在一个特例:当发动机的目标功率低于发动机工作的最小功率时,为了防止发动机在效率极低的区域内工作,仍然依靠电动机提供驱动力。
③制动能量回收模式。驾驶员踩下制动踏板,表明了驾驶员对负驱动功率的需求,需进入制动能量回收模式,吸收混合动力汽车制动时的能量。
