浅谈新能源汽车混合动力系统建模与控制

新能源混合动力汽车是指同时装备两种动力源﹣﹣热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

新能源混合动力汽车

1、混合动力汽车分类

混合动力汽车从对电能的依赖程度，混合动力可以分为弱混合动力Micro Hybrid)、中度混合动力（Mild Hybrid)、重度混合动力（Full Hybrid)、插电式混合动力（Plug in Hybrid，PHEV)。

混合动力汽车定义

混合动力汽车对比

（1）弱混合动力（Micro Hybrid)

弱混合动力也称轻度混合动力、软混合动力、微混合动力等，同时拥有内燃机及电动机两种动力来源，只用内燃机驱动车辆行走，电动机则用作帮助内燃机启动及在内燃机停止运作时提供电力供应车内电器，又称为怠速熄火系统（Start - stop System)。

（2）中度混合动力（Mild Hybrid)

中度混合动力不但同时拥有两种以上的能量来源，而且具有两种动力来源可同时驱动车辆（例如一台发动机搭配一台电动机）。其中一种作为主要动力来源，可独立驱动车辆，其他则是次要动力来源，用来补助主要动力，强化性能、减轻负担。

中度混合动力有实用型和性能型两种设计理念，实用型以低输出的主要动力配上次要动力后变成标准输出，主要目的是提高能源效率；性能型以标准输出的主要动力配上次要动力后变成高输出，在提高能源效率的同时增进性能表现。

（3）重度混合动力（Full Hybrid)

重度混合动力也称全混合动力、强混合动力（Strong Hybrid）等，是完全成熟的混合动力系统。既可以完全单靠任一的动力来源作为主要动力，也可以两者同步驱动产生更大的动力。重度混合动力系统的控制必须有效地运用各种动力来源，以达到既有适当动力又可节省燃料的目的。

（4）插电式混合动力（Plug in Hybrid，PHEV)

插电式混合动力和充电式电动车一样能靠外来电源为车辆充电，但因为属于混合动力系统，它在缺乏电源时仍可靠内燃机发动机驱动，优点是续航力和实用性高，缺点是成本和重量大。

插电式混合动力汽车底盘结构

2、混合动力系统分类

（1）并联式混合动力系统

在并联式混合动力（Parallel Hybrid）系统中，内燃机及电动机输出的动力可以通过各自的动力传输途径独立地将驱动扭矩传递给驱动轮，内燃机及电动机的动力各自分开、互不相干，因此被称作并联式混合动力系统。内燃机和电动机的动力最后由减速装置合并在一起。并联式混合动力系统通常都不能独立驱动车辆行驶，往往会被归类为中度混合动力。

并联式油电混合动力系统

（2）串联式混合动力系统

串联式混合动力（Series Hybrid)系统由一台功率仅供满足行进时平均功率的内燃机（也可以是外燃机）作为发电机发电，电力用以为电池充电及供电给电动机，电动机用来驱动车轮。

串联式混合动力系统

（3）混联式混合动力系统（动力整合／分配式混合动力系统）

混联式混合动力（Series-parallel Hybrid）系统，又称为动力整合式混合动力系统或动力分配式混合动力(Power - split Hybrid）系统，兼具并联式及串联式混合动力系统的功能及特性，系统同时拥有功率相当的发动机与马达，所以可依据路况选择使用电动模式、汽油（或柴油）模式或混合模式；设有由内燃机推动的发电机，产生充电或电动机所需电力。

混联式混合动力系统

3、混合动力汽车的工作原理

混合动力汽车通常可以分为五种工作模式：启动模式（Starting)、巡航模式(Cruising)、超车模式(Passing)、制动模式（Braking）以及驻车模式（Stopped)。模式的切换取决于驾驶员的驾驶行为、电池储能状态以及发动机的工作状态。电池能量来源于电机发电；发电过程发生在正常驾驶模式、巡航模式以及制动模式。通常电机作为驱动时，电池能量需要高于一定的储能范围；当电池能量低于一定范围时，电机作为发电机为电池充电。

混合动力汽车工作原理

4、混合动力系统建模方法

基于不同的仿真要求，通常混合动力系统的数学模型可以分为三个阶段。

三种模型都需要详细的系统建模，建模可以分为运动学模型（逆向模型）、准静态模型（正向模型）和动态模型。

（1）运动学模型

运动学模型为逆向模型，模型输入为车速、道路坡度等。运动学模型假设汽车行驶能达到目标车速，即实际车速为已知条件，这样可以减少计算量。运动学模型（逆向模型）能保证汽车速度和目标车速一致，但是不能保证实际情况中的车速满足目标值（实际发动机的动态响应不一定能达到模型计算出来的发动机的转速和扭矩输出）。通常在仿真计算中，会加上一些"安全保护"，用于限制发动机和电机的工作范围。当计算得到的发动机和电机的工作参数超过实际工作范围时，仿真计算就会停止。

运动学模型

发动机转速由车速和变速器传动比来决定。

驱动扭矩由汽车行驶的特性决定，如车的质量、气动阻力以及行驶阻力。

发动机油耗根据发动机转速和扭矩通过查发动机的特性图来获得，同时排放也可以由同样的方式获得。

（2）准静态模型

准静态模型包括驾驶员模型，用于让整车模型跟踪目标车速（Desired Speed)。通常驾驶员模型由比例积分微分（PID）控制器驱动油门踏板和制动踏板，来调节实际车速和目标车速之间的误差。油门踏板信号和制动踏板信号用于产生需求的功率输入。通常功率通过计算微分动态公式得来。一旦发动机驱动力矩和转速确定后，发动机的油耗和排放可以由发动机的静态运转特性图得到。准静态模型能提供一个相对可靠的油耗和排放(NOx）的结果，但是对于碳烟排放、瞬态加速、涡轮滞后等问题，还是有局限性。这些问题需要利用更详细的模型来对发动机的动态燃烧建模才能解决。

准静态模型

（3）动态模型

动态模型中，发动机瞬态模型和整车动力模型一起来表述准确的瞬态特性。通常发动机由各个详细的一维流体动力学模型组成，包括燃烧动力模型、进排气模型、涡轮模型等。各个子模型之间由气路管道连接。各个子系统通过质量守恒、动量守恒以及能量流动来相互耦合。各个子系统的温度、压力、流量、做功和损耗都能通过计算有限子系统微分方程而得来。这样的建模方法能很好地表征以及描述车辆、发动机的瞬态响应。动态模型需要大量的计算资源，通常用于发动机开发以及研发。从混合动力系统控制来讲，准静态模型能很好地平衡模型精确性和计算成本。

模型精确度与计算成本

随着环保意识的逐步加强以及全球油价的不断攀升，混合动力汽车逐渐成为各大汽车厂商研发的热点。混合动力汽车通过将传统的内燃机和电动机结合在一起，不仅具有低排放、节能的特点，而且可以充分利用能量回收等技术，进一步提高燃油效率，降低运营成本。混合动力技术的研究无论从理论研究还是实际应用的角度来看都是具有重大意义。

综上所述，建立并联式混合动力汽车模型，可以通过仿真分析和优化设计，同时通过硬件在环仿真测试，找到最佳的设计方案和性能优化策略，节省汽车前期研发成本，为混合动力汽车行业的发展做出贡献。