姚永琪 周映宇

摘 要：混合動(dòng)力汽車較傳統(tǒng)燃油汽車具有低排放，內(nèi)燃機(jī)效率高以及噪音污染小等優(yōu)點(diǎn)。目前全球主要汽車公司大都已經(jīng)完成了混合動(dòng)力汽車的基本性能研發(fā)，其中的能量管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的功率互補(bǔ)來滿足車輛的需求功率必不可少的關(guān)鍵性技術(shù)。本文主要概述了當(dāng)前基于規(guī)則的混合動(dòng)力汽車能量管理策略的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)基于規(guī)則的能量管理策略的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討和展望。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 確定性規(guī)則 模糊性規(guī)則 能量管理策略

Abstract：Hybrid electric vehicle has the advantages of clean， efficient fuel and dual energy drive system. At present， most of the world's major automobile companies have completed the basic performance research and development of hybrid electric vehicles， in which the energy management system is an indispensable key technology to realize the close cooperation between the engine and motor. The energy management strategy of hybrid electric vehicle mainly includes rule-based and optimization-based methods. This paper mainly analyzes the current situation of hybrid electric vehicle energy management strategy based on rule strategy， and discusses and prospects the development of energy management strategy based on rule strategy.

Key words：hybrid electric vehicles， deterministic rules， fuzzy rules， energy management strategies

1 引言

化石燃料危機(jī)以及環(huán)境污染問題的不斷加劇，為了實(shí)現(xiàn)到本世紀(jì)末確保全球凈零排碳，政府相應(yīng)出臺(tái)了傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型發(fā)展的政策。目前純電動(dòng)汽車由于基礎(chǔ)設(shè)施配置不足，傳統(tǒng)燃油汽車又面臨著油價(jià)提高等多方面影響，決定了混合動(dòng)力汽車在國(guó)內(nèi)大中城市現(xiàn)階段是最具應(yīng)用潛力的?；旌蟿?dòng)力汽車是指擁有兩種或兩種以上動(dòng)力源的汽車，其中油電混合動(dòng)力汽車是現(xiàn)在最常見的一種混合動(dòng)力汽車，即由發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組組成動(dòng)力源，它不僅具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還融合了電機(jī)的無污染、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，使得純電動(dòng)汽車單體電池儲(chǔ)能能力有限導(dǎo)致續(xù)航里程短等技術(shù)瓶頸得到了較好的解決。

與純電動(dòng)汽車相比，插電式混合動(dòng)力汽車上配備的電池容量更大，能夠通過外部電網(wǎng)充電，純電動(dòng)模式行駛的里程更長(zhǎng)，以混合動(dòng)力模式行駛可以適時(shí)對(duì)蓄電池充電，更容易發(fā)揮電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。由于電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以直接作為車輛的驅(qū)動(dòng)力矩，因此電機(jī)的效率比內(nèi)燃機(jī)效率高，所以插電式混合動(dòng)力汽車的燃油消耗率比傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車低，廢氣排放也更少，運(yùn)行成本低[1]。但是混合動(dòng)力汽車具有電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，其技術(shù)難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)匹配能量使汽車的動(dòng)力系統(tǒng)性能處于最佳狀態(tài)，在保證電池效率的同時(shí)，提高續(xù)航能力，減少?gòu)U氣排放。因此合理有效的能量管理策略對(duì)于提高車輛行駛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及續(xù)航里程具有重要的作用，也成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。由于燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，為了適應(yīng)各種各樣的工況，與合理分配不同動(dòng)力源的輸出功率，提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)出合理的能量管理策略尤為重要[1]。

目前提出的混合動(dòng)力能量管理控制策略主要分為兩種模式：基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略[1]。其中基于優(yōu)化的控制策略可以分為全局優(yōu)化能量管理策略以及瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略，主要采用的算法包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃、線性規(guī)劃、隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。對(duì)于優(yōu)化問題的求解步驟主要是建立優(yōu)化問題、確立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、引入?yún)?shù)的約束條件最終求解滿足優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

基于規(guī)則的能量管理策略則是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、數(shù)值模型、先驗(yàn)知識(shí)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)等人為指定的規(guī)則對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行能量分配，依據(jù)動(dòng)力源的功率需求、穩(wěn)態(tài)Map圖、車速、動(dòng)力電池荷電狀態(tài)等參數(shù)設(shè)置工作模式切換條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)能量分配方式和流向以及各部件工作狀態(tài)的控制，最大限度地保證發(fā)電機(jī)以及發(fā)電機(jī)等各系統(tǒng)部件工作在高效區(qū)域以達(dá)到最優(yōu)控制效果[2]。基于優(yōu)化算法的能量管理策略能夠達(dá)到最佳控制，但是它屬于一種離線方法且計(jì)算量較大，基于優(yōu)化算法的能量管理策略難以在實(shí)車上得到實(shí)時(shí)應(yīng)用，現(xiàn)有的優(yōu)化算法的研究大都在追捧計(jì)算速度與精確性，從而忽視了在實(shí)車上的工程應(yīng)用效果，因此它也時(shí)常作為評(píng)價(jià)其他能量管理策略的好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。而由于基于規(guī)則的能量管理策略其控制方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，且計(jì)算簡(jiǎn)單，所以目前在實(shí)際應(yīng)用開發(fā)中，基于規(guī)則的能量管理策略的應(yīng)用較多，也能很好的應(yīng)用于實(shí)車的能量管理。

2 基于規(guī)則策略的能量管理策略

基于規(guī)則的能量管理策略根據(jù)規(guī)則是確定還是模糊可以分為兩類能量管理策略，一種是基于確定性規(guī)則能量管理策略，一種是模糊性規(guī)則能量管理策略[3]。二者都需要依靠研究學(xué)者的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)建立出不同的車輛模型，再研究不同能量管理策略對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性的影響及規(guī)律。

2.1 基于確定性規(guī)則的能量管理策略

確定性規(guī)則能量管理是基于明確定義的控制規(guī)則來操控系統(tǒng)工作，即確定一組合理的閾值參數(shù)，用以限制各動(dòng)力源的開啟與關(guān)閉，車輛通過設(shè)定的規(guī)則來切換各個(gè)系統(tǒng)的工作模式，保證發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在高效區(qū)域內(nèi)，以此來提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性?；诖_定性規(guī)則的能量管理策略主要分恒溫器式能量管理策略和功率跟隨能量管理策略[4]。該策略的可靠性高，但需要匹配標(biāo)定各項(xiàng)規(guī)則中的參數(shù)及插值表，因此對(duì)開發(fā)標(biāo)定人員經(jīng)驗(yàn)要求高。

周鵬[5]等人是通過車輛測(cè)試工程師實(shí)際試驗(yàn)得到的控制策略，其規(guī)則是將混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力源分為一定比例供驅(qū)動(dòng)車輛負(fù)載使用，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于效率最高區(qū)域。控制規(guī)則由車輛運(yùn)行參數(shù)決定，在提高了混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也滿足驅(qū)動(dòng)車輛功率分配。馬東兵[6]則通過設(shè)置車速、動(dòng)力電池SOC的上下限、發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩等一組門限參數(shù)，來限定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)在較高效率區(qū)間工作，并根據(jù)車輛實(shí)時(shí)參數(shù)及路況實(shí)際情況調(diào)整動(dòng)力系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)部件的穩(wěn)態(tài)效率Map圖來確定如何進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的動(dòng)力分配，以提高整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。沈登峰[7]通過基于規(guī)則的控制策略與整車模型聯(lián)合仿真建立了SOC與當(dāng)量燃油消耗量之間的油電轉(zhuǎn)化關(guān)系，然后基于龐特里亞金最小值原理（Pontryagins Minimum Princeple， PMP）得到等效瞬時(shí)燃油消耗量的目標(biāo)函數(shù)為某復(fù)合功率分流混合動(dòng)力汽車制定了能量管理策略，并使用NEDC工況對(duì)該策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用該控制策略使得實(shí)車當(dāng)量油耗下降了12.31%。

確定性規(guī)則主要思想是以發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)間為控制目標(biāo)，保證電池荷電狀態(tài) SOC 運(yùn)行在一定的值范圍內(nèi)為核心[7]，雖然邏輯門限值對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性較高，但是規(guī)則設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，工程實(shí)用性較強(qiáng)，所以基于確定性規(guī)則的應(yīng)用較為廣泛，但是由于該規(guī)則對(duì)于多變的實(shí)際路況以及復(fù)雜的混合動(dòng)力系統(tǒng)的適應(yīng)性較差，所以在使用該規(guī)則進(jìn)行能量管理策略設(shè)計(jì)時(shí)很難達(dá)到最優(yōu)的控制效果。為了增強(qiáng)規(guī)則性能量管理策略對(duì)實(shí)際路況及系統(tǒng)復(fù)雜度的適應(yīng)性，許多學(xué)者通過引入模糊控制理論，提出了基于模糊規(guī)則的能量管理策略。

2.2 基于模糊規(guī)則的能量管理策略

模糊規(guī)則控制相比于確定性規(guī)則最大的不同之處在于，基于模糊規(guī)則控制策略無需精確的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型即可完成對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制?；谀：?guī)則控制策略主要分為傳統(tǒng)模糊控制策略，自適應(yīng)模糊管理策略以及預(yù)測(cè)模糊管理策略。從理論方法層面而言，模糊邏輯控制采用由模糊數(shù)學(xué)語言描述的控制規(guī)則來操控系統(tǒng)工作。模糊化思想可以將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，適用于解決被控系統(tǒng)復(fù)雜，擁有多個(gè)控制和優(yōu)化目標(biāo)的控制問題。在這里的模糊規(guī)則概念來源于模糊控制器，相當(dāng)于人們?cè)诒硎瞿臣虑榈臅r(shí)候，往往只給出一個(gè)模糊性的說法。因此模糊規(guī)則能量管理策略更加適用于多變量、非線性、時(shí)變性的混合動(dòng)力系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性[2]。

張夢(mèng)[8]等人選用負(fù)載所需功率和蓄電池 SOC為輸入、功率分配系數(shù)為輸出，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙輸入、單輸出的模糊邏輯控制器，提出了適用于燃料電池/蓄電池（FC+B）混合動(dòng)力汽車的模糊邏輯控制策略，在提高混合動(dòng)力汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性并增加續(xù)航里程的基礎(chǔ)上，有效的避免了蓄電池的過充電和過放電。王騫等人以燃料電池汽車結(jié)合動(dòng)力電池模組的方式，提出了基于微小變量模糊邏輯控制的燃料電池補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略模型。此模糊邏輯控制策略中，若動(dòng)力電池SOC處于中高狀態(tài)，則整車以電－電混合模式運(yùn)行，在此模式下由燃料電池和動(dòng)力電池合理分配功率輸出能量，保證汽車行駛的經(jīng)濟(jì)性;若動(dòng)力電池的SOC下降至低荷電狀態(tài)區(qū)間，則根據(jù)整車需求能量的大小和工況確定模糊邏輯控制規(guī)則庫，對(duì)燃料電池輸出功率進(jìn)行控制，以適當(dāng)微小比例的整車需求功率對(duì)動(dòng)力電池充電[9]。袁臣虎[10]等人提出一種基于雙模糊邏輯控制器的能量管理策略。該策略的第一個(gè)模糊控制器基于鋰電池端電壓和鋰電池荷電狀態(tài)對(duì)電池的電量進(jìn)行綜合衡量，提高估算鋰電池電量狀態(tài)的準(zhǔn)確度；第二個(gè)模糊控制器以負(fù)載功率、光伏功率、超級(jí)電容SOC和鋰電池SOC的變化情況作為輸入，根據(jù)模糊規(guī)則輸出鋰電池功率分配系數(shù)，進(jìn)行差額功率分配。

模糊邏輯控制的魯棒性強(qiáng)，不需要過程精確的數(shù)學(xué)模型，但信息簡(jiǎn)單的模糊處理會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差。模糊控制在系統(tǒng)出現(xiàn)信號(hào)噪聲和部件動(dòng)態(tài)變化時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。制定模糊規(guī)則，隸屬度函數(shù)等也都是基于專家經(jīng)驗(yàn)，也可以結(jié)合其他算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，但是相應(yīng)的會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)和計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性較差。

3 結(jié)語

隨著動(dòng)力汽車的技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力的能量管理策略是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變性的復(fù)雜優(yōu)化問題，通過制定基于規(guī)則性的能量管理策略能夠很好的解決這一問題。但已有規(guī)則性的控制策略已經(jīng)難以保證系統(tǒng)效率最優(yōu)。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新，基于規(guī)則性的能源管理策略得到了改進(jìn)，并且取得了不錯(cuò)的效果，但是由于規(guī)則性的能源管理策略依賴于現(xiàn)有研究學(xué)者的工程經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)的規(guī)則性相對(duì)不太完善，難以保證能源管理策略達(dá)到最優(yōu)。除了收集更多的工況和積累更多的經(jīng)驗(yàn)之外，將基于規(guī)則性能源管理策略和一些計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法的結(jié)合是規(guī)則性能源管理策略發(fā)展的熱點(diǎn)，越來越多的學(xué)者就將機(jī)器學(xué)習(xí)以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)同規(guī)則性能量管理策略相結(jié)合提出了新的能量管理策略，取得了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。另外還可以通過分析以往的工作經(jīng)驗(yàn)和收集以往的數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理和清洗作為一個(gè)新的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后用于基于規(guī)則性能量策略將有利于規(guī)則的設(shè)計(jì)，有益于基于規(guī)則性能量策略的發(fā)展。

綜上所訴，目前的混合動(dòng)力汽車所采用的能量管理策略都或多或少的存在一定的問題。但是隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在日后對(duì)能量管理策略的研究開發(fā)中也可以考慮將多種算法進(jìn)行結(jié)合進(jìn)行取長(zhǎng)補(bǔ)短提出新的能量管理策略，或者開發(fā)一套實(shí)時(shí)后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)能量管理策略進(jìn)行云計(jì)算并實(shí)時(shí)反饋至實(shí)車，來提高車輛的優(yōu)化效果。

項(xiàng)目編號(hào)：黔科合平臺(tái)-JXCX[2021]001。

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