混合动力汽车的关键技术：进化算法与系统优化

混合动力汽车作为新型的汽车结构，要实现产业化，需要解决许多关键性问题，如控制系统技术、能量存储技术、动力总成关键零部件技术、混合动力汽车仿真优化设计技术等^[20]。

1.控制系统技术

混合动力汽车区别于传统汽车的关键在于拥有发动机和电动机两套动力能源部件，必须有一定的控制系统来协调两个动力能源的工作状态。控制策略的主要作用是在不同的工况下，控制车辆的各组成部件间的能量流大小及其流向，即选择不同的驱动模式，是混合动力汽车的控制核心。控制策略根据驾驶人意图和行驶工况，在满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及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，协调各部件间的能量流动，合理进行动力分配，优化车载能源，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^[21]。混合动力汽车控制策略的控制目标如图1-2所示。

图1-2 混合动力汽车控制策略的控制目标

在串联式混合动力汽车上，电动机驱动是唯一的驱动方式，发动机提供的能量全部被转化为电能供电动机驱动混合动力汽车，因此其控制系统简单，只需要依据蓄电池的荷电状态控制发动机的启停工作状态。而在并联式混合动力汽车中，驱动系统的发动机和电动机不仅能单独作为混合动力汽车的驱动能源部件，而且在功率需求大于发动机的额定功率时，两个动力部件能够同时工作，一起驱动混合动力汽车。并联式混合动力汽车的驱动系统有多种驱动模式，如纯电动驱动模式、纯发动机驱动模式、混合驱动模式、制动能量回收驱动模式等。根据汽车行驶工况的需求，驱动系统在多个驱动模式下切换，这对混合动力汽车的控制系统提出了更高的控制要求。并联式混合动力汽车需要解决的主要控制问题有^[22] ：快速平稳地起动发动机；发动机进入驱动前的转速和离合器接合过程控制；状态切换造成对发动机需求转矩产生突变（如由电动机功率辅助切换到发动机驱动并向电池充电）时发动机与电动机转矩的协调控制；汽车总需求转矩产生较大波动时电动机和发动机的转矩协调控制。混联式混合动力汽车的结构通常是在并联式混合动力汽车的结构基础上增加一套发电装置，结合并联式和串联式两种混合动力系统的优点，控制策略不仅要协调好并联式混合动力系统驱动系统的工作，还要能够完成并联式混合动力驱动系统与串联式混合动力驱动系统间的协调转换。

2.能量存储技术(www.xing528.com)

混合动力汽车与传统的汽车相比，能够达到降低油耗、减少污染物排放的性能的很大一部分原因是加入了能量存储装置。在汽车起步或行驶在需求功率较小的工况时，传统汽车的发动机一般工作在低效率状态下，燃油的燃烧不够充分，能量损失大，污染物的排放量增加。为了避免发动机工作在低效率区域，混合动力汽车中加入了能量存储装置，通过提供电能驱动混合动力汽车。应用于混合动力汽车的储能装置主要是高性能的蓄电池。对蓄电池的研究主要是围绕延长电池的使用寿命、提高功率密度和效率、降低电池的重量和成本等关键问题进行^[23] 。现在，锂电池和镍氢电池已基本达到了混合动力汽车储能装置的性能要求。锂电池具有高能量密度、无污染、循环寿命长、无记忆效应的优点，但其对工作环境要求高，且成本较高；而镍氢电池具有良好的充放电效率、循环使用能力强、容量大的优点，已广泛应用于混合动力汽车。电池的性能和寿命与电池的充放电历史、电池工作温度等因素密切相关，过充电和过放电会严重影响电池性能甚至造成电池损坏。因此，在蓄电池的使用过程中，要有严格的电池管理系统对电池工作过程和工作环境进行监控，提供准确的电池荷电状态值，保证电池在合适的状态下充放电，对充分利用电池的性能、延长电池使用寿命具有非常重要的意义。正因为如此，研究与开发高性能、低成本、长寿命的电池及电池管理系统，仍然是影响混合动力汽车发展的关键问题之一。

3.动力总成关键零部件技术

混合动力汽车的动力源由发动机和电动机组成，与传统汽车相比，发动机在混合动力汽车中的作用发生了变化。在串联式混合动力汽车上，发动机的作用是为电动机提供电能并为电池充电提供能量；在并联式混合动力汽车上，发动机一方面可以作为驱动能源直接驱动混合动力汽车，另一方面能够为电动机提供电能并对电池完成充电；在混联式混合动力汽车中，发动机具有与并联式混合动力汽车发动机相同的作用。在混合动力汽车的行驶过程中，发动机可以稳定在高效率区域工作，电动机为峰值功率的差值提供补充，这就要求混合动力汽车的发动机选择尺寸更小、效率更高的内燃机。开发混合动力汽车的目的就是解决能源和环境问题，因此混合动力汽车必须以节能和环保为前提选择汽车发动机，发动机的动力性、经济性和排放是选择发动机的首要内容。在并联式和混联式混合动力汽车中，电动机驱动作为混合动力汽车的辅助动力源，用来降低燃油消耗，实现低排放、低污染，甚至在纯电动的工作模式下实现“零污染”。混合动力汽车上电动机系统的工作条件和工作模式与传统的电动汽车有着较大区别。混合动力汽车电动机往往要求频繁起停、频繁加减速以及频繁切换工作模式，这些都要求混合动力汽车电动机具有高响应性能；由于混合动力汽车的内部空间紧张，往往要求电动机系统体积小、质量轻，同时具有很高的功率密度和工作效率；传统电动机一般工作在额定工作点附近，而混合动力汽车电动机的工作范围较宽，且由于混合动力汽车电动机工作模式的多样性和特殊性（电动机按照工况的需求经常处于动态变化中），额定功率这个参数对混合动力汽车使用电动机而言，没有特别大的意义，所以对混合动力汽车电动机额定功率要求并不严格；在供电方式上，传统的电动机由常规标准电源供电，而混合动力汽车电动机所使用的能源来源于蓄电池，且由功率转化器直接供给。另外电动机的使用电压和形式并不确定，为了减少功率的损耗及降低电动机逆变器的成本，通常选用较高电压。

4.混合动力汽车仿真优化设计技术

混合动力系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，其性能受多学科相关因素的影响，必须在充分考虑各影响因素的基础上对整车系统进行优化，进而改进混合动力汽车的性能，降低整车的设计和制造成本。在当前实际工程应用中，混合动力系统的设计通常采用“试凑法”，不仅花费了大量的资金，而且设计过程中对于经验的要求很高，设计难度很大，因此越来越多的优化算法被引入到混合动力系统的优化设计中^[24]。

仿真设计优化的前提是建立准确的混合动力系统数学模型（包括静态和动态的）。目前，主要采用仿真和试验相结合的方式对系统进行优化，利用ADVISOR、CRUISE等汽车仿真平台对所设计的系统进行仿真计算与参数优化，然后进行动力总成台架试验或整车道路试验对仿真结果进行验证，通常以动力性能为约束条件，以最小化燃油消耗和污染物的排放量为目标。混合动力汽车仿真优化设计的目的是为决策者提供设计参考，因此必须首先能够建立准确的混合动力汽车优化模型，同时为了满足设计者的多样化需求，仿真结果应具有多样化。因此，建立准确的仿真优化模型和选择合适的优化方法是目前混合动力汽车优化设计的研究重点。