输入分配型混合动力车辆动力系统控制策略研究
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摘 要
混合动力是汽车发展的趋势。迄今为止，采用丰田混合动力系统的 Prius 是销
量最好的轻型乘用车。该系统有许多优点，如无级变速、纯电动能力、无缝隔离
路面载荷与发动机。这样的隔离能使控制策略更加灵活，为发动机工作于高效率
区域创造条件。但是，丰田混合动力系统采用的输入分配型结构只在一定速比范
围内传动系统工作于高效率。使发动机工作于高效率区域可能会影响传动系统效
率，进而影响整个动力系统的效率。研究此类混合动力系统的特性，并开发和优
化控制策略能提高燃油经济性、降低排放，这也是目前混合动力汽车研究的一个
方向。
本文概述输入分配型混合动力车辆控制策略的分类，总结出输入分配型混合
动力车辆行星齿轮传动系统效率随速比变化的规律。并对输入分配型混合动力车
辆“动力循环”问题进行研究，确定不发生“动力循环”的速比范围，总结出解
决此问题的两种方法及其各自的局限性。提出：采用引入发动机转速修正系数的
方法，通过调节发动机转速，使传动系统工作于高效率区域，从而达到整体效率
的优化。对发动机最优工作曲线（OOL）控制策略与在此基础上引入发动机转速
修正系数的动力系统效率（PTE）控制策略进行对比分析。
以美国再生能源实验室（NREL）开发的 ADVISOR 软件作为仿真工具，采用
后向建模的方法，在美国环保局（EPA）测试燃油经济性和排放的市区循环（UDDS）
和高速路（HWFET）循环进行仿真。
结果表明：引入发动机转速修正系数，通过发动机转速调整使传动系统工作
于高效率速比范围的 PTE 控制策略与 OOL 控制策略相比，在略微降低动力性的条
件下，能显著提高燃油经济性、降低排放。
关键词：输入分配型混合动力车辆 动力循环 后向仿真 前向仿真 控制策略
ABSTRACT
Hybrid is the trend of future vehicle. To date, Prius which employ Toyota Hybrid
System (THS) gets the best sales volumes. The configuration has many advantages,
such as CVT operation, electric-only capability, and seamless capability to decouple the
road load demand from the engine in a manner similar to that in a series hybrid. This
recouping is of interest because it allows control strategy to be flexible, which help the
engine operate efficiently. But the THS works in high efficiency at specific speed ratio.
Making the engine works at high efficiency area, the transmission efficiency may be
affected, and then the entire powertrain system. Studying the characteristics of such
hybrid systems and developing and optimizing of the control strategy, which is the
direction of the recent research, should allow for additional improvement in fuel
economy and reduction of emissions.
This work provides an overview of the classification of control strategy for
input-split hybrid electric vehicles, summarizes the efficiency of planetary gear
transmission variation with speed ratio. Investigating the problem of “power circulation”
and how to determine the region where no circulating power flow occurs. To make
transmission system work in an efficient region, propose the method of introducing
engine speed correction coefficient, and demonstrates the performance of Powertrain
Efficiency (PTE) control strategy which introduces engine speed correction coefficient
based on Optimal Operating Line (OOL) control strategy in comparison to the Optimal
Operating Line control strategy.
Simulations in the NREL ADVISOR software compare the performances of the
PTE control against the OOL control for two different drive cycles. The performance
metric was fuel economy and emissions. The fuel economy was measured over the
course of the EPA drive cycles: (1) Urban Dynamometer Driving Schedule; and (2)
Highway Fuel Economy Test (HWFET).
The results demonstrate that the PTE control which introduces the correction
coefficient of engine speed provides significantly improved performance to that of the
OOL control on the payment of slightly lower driver performance.
Keywords：Input-split hybrid electric vehicle, face-backward
simulation, face-forward simulation, control strategy
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................................................................. 1
§1.1 输入分配型混合动力车辆动力系统控制策略发展现状 ...................... 1
§1.1.1 固定发动机工作点控制策略 ....................................................... 1
§1.1.2 发动机最优工作曲线控制策略 ................................................... 2
§1.1.3 局部优化控制策略 ....................................................................... 2
§1.1.4 全局优化控制策略 ....................................................................... 2
§1.2 发展趋势 .................................................................................................. 3
§1.3 研究的目的和意义 .................................................................................. 3
§1.4 文章的结构安排 .................................................................................... 4
§1.5 本章小结 .................................................................................................. 4
第二章 输入分配型混合动力车辆传动系统效率研究 ......................................... 5
§2.1 动力分配型混合动力系统分类 .............................................................. 5
§2.2 输入分配型混合动力车辆功率流分析 .................................................. 6
§2.2.1 动力系统结构 ............................................................................... 6
§2.2.2 功率流分析 ................................................................................... 7
§2.3 传动系统效率 .......................................................................................... 8
§2.3.1 传动系统速比 ............................................................................... 8
§2.3.2 传动系统效率计算 ..................................................................... 11
§2.4 动力循环问题 ........................................................................................ 13
§2.5 动力循环问题解决方法 ........................................................................ 14
§2.5.1 改善控制策略 ............................................................................. 14
§2.5.2 动力系统结构改进 ..................................................................... 15
§2.6 本章小结 ................................................................................................ 16
第三章 输入分配型混合动力车辆动力系统控制策略 ....................................... 18
§3.1 发动机最优工作曲线控制策略（OOL） ............................................ 18
§3.2 工作模式 ................................................................................................ 24
§3.2.1 纯电动模式 ................................................................................. 24
§3.2.2 混合驱动模式 ............................................................................. 24
§3.2.3 再生制动模式 ............................................................................. 27
§3.2 驱动模式切换规则 ................................................................................ 28
§3.3 动力系统效率控制策略（PTE） ......................................................... 28
§3.4 本章小结 ................................................................................................ 30
第四章 输入分配型混合动力车辆仿真系统建模 ............................................... 31
§4.1 仿真方法 ................................................................................................ 31
§4.2 Prius 混合动力轿车前向建模 ................................................................ 35
§4.3 Prius 混合动力轿车后向建模 ................................................................ 39
§4.4 前向仿真与后向仿真比较 .................................................................... 40
§4.5 本章小结 ................................................................................................ 42
第五章 仿真结果分析 ........................................................................................... 43
§5.1 仿真参数 ................................................................................................ 43
§5.2 两种控制策略仿真结果对比 ................................................................ 45
§5.3 结论 ........................................................................................................ 49
§5.4 本章小结 ................................................................................................ 49
第六章 全文总结与展望 ....................................................................................... 50
§6.1 全文总结 ................................................................................................ 50
§6.2 展望 ........................................................................................................ 51
参考文献 ................................................................................................................. 52
在校期间公开发表的论文和承担的项目及取得的成果 ..................................... 57
致 谢 ....................................................................................................................... 58
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
由于石油资源的不断减少，油价的节节攀升，迫切需要提高车辆的燃油经济
性。混合动力系统是提高燃油经济性、降低排放的可行性解决方案之一。由于利
用了两个能源，它具有内燃机车辆和电动车辆两者的优点，并克服了它们的一些
缺陷[1]。
根据混合动力汽车机械能与电能两种能量搭配比例的不同，可以将混合动力
汽车划分为：只具备自动起停、怠速关机功能的微度混合动力（Micro hybrid，简
称微混）、电机不能单独驱动车辆行驶的轻度混合动力汽车（Mild hybrid，简称轻
混）和电机、内燃机都可以独立或共同驱动车辆的强度混合动力（Strong hybrid，
简称强混）[2]。随着电功率比例的逐步提高，最终过渡到“可外接充电式混合动力
车辆。
根据动力系统的拓扑结构、零部件的种类、数量以及功率流的配置结构关系
可将混合动力汽车分为：串联式、并联式和混联式（动力分配型）三种基本类型[3,4]。
根据动力分配装置的动力传递方法，动力分配型混合动力系统（也称为串-并联式）
可以分为三类：输入分配型、输出分配型和复合分配型。输入分配型主要一般采
用单模式结构，输出分配型和复合分配型多采用多模式结构。
§1.1 输入分配型混合动力车辆动力系统控制策略发展现状
由于需要管理多能源，混合动力汽车控制策略比普通内燃机汽车更复杂。任
何控制策略的主要功能是动力管理。控制策略在不改变车辆的驾驶性能、可靠性、
蓄电池电量的前提下，优化电动机和发动机之间的功率分配，以达到降低燃油消
耗、减少排放的目的[5]。
输入分配式混合动力汽车动力系统控制策略主要分为固定发动机工作点、发
动机最优工作曲线和优化控制三种[6]。
§1.1.1 固定发动机工作点控制策略
该策略采用发动机作为主要的动力源，电动机和蓄电池通过提供附加转矩的
方式进行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。因为采用了行星齿轮机构使发
动机转速可以不随车速变化，从而使发动机可以工作在最优工作点，提供恒定的
转矩输出，不足的转矩由电动机提供，电动机只负责动态部分，避免了发动机动
态调节带来的损失。与发动机相比，电动机的控制更为灵活，也更容易实现。
输入分配型混合动力车辆动力系统控制策略研究
2
§1.1.2 发动机最优工作曲线控制策略
该策略从静态条件下发动机的万有特性出发，经动态校正后，跟踪由发动机
BSFC 所确定的发动机最优工作曲线，从而实现对发动机及整车的控制。使发动机
工作于万有特性图中最佳油耗曲线上，发动机在高于某个转矩或功率限值后才会
启动，发动机关闭后，离合器可以脱开（避免损失）或接合（工况变化复杂时，
发动机启动更为容易），只有当发电机电流的需求超出电池的接受能力或者当电机
驱动电流需求超出电机或电池的允许限值时，才调整发动机的工作点。文献[7]在
研究稳态时传动系统效率的基础上，提出一种新的丰田第二代混合动力系统电动
机的控制策略-基于逆向的前馈控制（Inversion-based Forward Control），对控制策
略的仿真结果进行分析，并指出发动机目标转速的确定方法还可以进一步优化。
§1.1.3 局部优化控制策略
通常的局部优化控制策略采用名义油耗和功率损失作为控制目标。在发动机
最优工作线控制策略的基础上，对混合动力汽车在特定工况点下整车动力系统的
优化目标（如功率损失、名义油耗）进行优化，便可得到局部最优工作点，然后
基于系统的瞬时最优工作点对各个状态变量进行动态分配。
§1.1.4 全局优化控制策略
由优化理论可知，局部最小值之和并不等于和的最小值，所以，局部优化的
总和并不能使全局最优，只有全局优化才能实现真正意义上的最优化。全局优化
控制策略通常的作法为：将全局优化算法得到的控制策略作为参考，再与其他控
制策略，如：发动机最优工作曲线策略等结合，在保证可靠性和实际可能性的前
提下进行优化控制，常用的优化控制理论有：变分法、极小值原理和动态规划
（Dynamic Programming, DP）三种。
其中，利用动态规划或将动态规划问题简化为等效燃油消耗量最小控制策略
（Equivalent Consumption Minimization Strategy, ECMS）中的等效瞬时优化。关于
该优化控制方法与启发式规则为基础的方法相结合的控制策略见参考文献[8,9]。
现有的大多数文献主要将重点放在较为简单的并联式和串联式结构中，只有
为数不多的几篇讨论动力分配式混合动力系统。参考文献[10]主要讨论了动态规划
和等效燃油消耗量最小两种方法在丰田 Prius 混合动力系统的控制效果，并进行比
较。
多位学者提出：将计算机智能技术应用于混合动力汽车能量管理。Baumann,
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作者：赵德峰
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：60 页
大小：2.34MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
