基于規則策略的混合動力汽車能量管理策略概述

姚永琪 周映宇

摘 要：混合動力汽車較傳統燃油汽車具有低排放，內燃機效率高以及噪音污染小等優點。目前全球主要汽車公司大都已經完成了混合動力汽車的基本性能研發，其中的能量管理系統是實現電動機與發動機之間的功率互補來滿足車輛的需求功率必不可少的關鍵性技術。本文主要概述了當前基于規則的混合動力汽車能量管理策略的應用現狀，并對基于規則的能量管理策略的發展趨勢進行探討和展望。

關鍵詞：混合動力汽車 確定性規則 模糊性規則 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

化石燃料危機以及環境污染問題的不斷加劇，為了實現到本世紀末確保全球凈零排碳，政府相應出臺了傳統汽車產業向電動汽車轉型發展的政策。目前純電動汽車由于基礎設施配置不足，傳統燃油汽車又面臨著油價提高等多方面影響，決定了混合動力汽車在國內大中城市現階段是最具應用潛力的?；旌蟿恿ζ囀侵笓碛袃煞N或兩種以上動力源的汽車，其中油電混合動力汽車是現在最常見的一種混合動力汽車，即由發動機和電池組組成動力源，它不僅具有續航時間長、動力性能好等優點，同時還融合了電機的無污染、低噪音等優點，使得純電動汽車單體電池儲能能力有限導致續航里程短等技術瓶頸得到了較好的解決。

與純電動汽車相比，插電式混合動力汽車上配備的電池容量更大，能夠通過外部電網充電，純電動模式行駛的里程更長，以混合動力模式行駛可以適時對蓄電池充電，更容易發揮電驅動的優勢。由于電動機產生的轉矩可以直接作為車輛的驅動力矩，因此電機的效率比內燃機效率高，所以插電式混合動力汽車的燃油消耗率比傳統混合動力汽車低，廢氣排放也更少，運行成本低[1]。但是混合動力汽車具有電機和發動機兩個動力源，其技術難點在于如何協調匹配能量使汽車的動力系統性能處于最佳狀態，在保證電池效率的同時，提高續航能力，減少廢氣排放。因此合理有效的能量管理策略對于提高車輛行駛的動力性、燃油經濟性以及續航里程具有重要的作用，也成為了國內外學者研究的熱點。由于燃料電池系統動態響應較慢，為了適應各種各樣的工況，與合理分配不同動力源的輸出功率，提升整車的燃油經濟性，設計出合理的能量管理策略尤為重要[1]。

目前提出的混合動力能量管理控制策略主要分為兩種模式：基于規則的能量管理策略和基于優化的能量管理策略[1]。其中基于優化的控制策略可以分為全局優化能量管理策略以及瞬時優化能量管理策略，主要采用的算法包括動態規劃、線性規劃、隨機動態規劃以及機器學習、強化學習等。對于優化問題的求解步驟主要是建立優化問題、確立優化目標函數、引入參數的約束條件最終求解滿足優化目標函數。

基于規則的能量管理策略則是根據工程經驗、數值模型、先驗知識或實驗數據等人為指定的規則對動力源進行能量分配，依據動力源的功率需求、穩態Map圖、車速、動力電池荷電狀態等參數設置工作模式切換條件，實現對系統能量分配方式和流向以及各部件工作狀態的控制，最大限度地保證發電機以及發電機等各系統部件工作在高效區域以達到最優控制效果[2]?；趦灮惴ǖ哪芰抗芾聿呗阅軌蜻_到最佳控制，但是它屬于一種離線方法且計算量較大，基于優化算法的能量管理策略難以在實車上得到實時應用，現有的優化算法的研究大都在追捧計算速度與精確性，從而忽視了在實車上的工程應用效果，因此它也時常作為評價其他能量管理策略的好壞的一個標準。而由于基于規則的能量管理策略其控制方法簡單、容易實現，且計算簡單，所以目前在實際應用開發中，基于規則的能量管理策略的應用較多，也能很好的應用于實車的能量管理。

2 基于規則策略的能量管理策略

基于規則的能量管理策略根據規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則能量管理策略，一種是模糊性規則能量管理策略[3]。二者都需要依靠研究學者的實際工程經驗建立出不同的車輛模型，再研究不同能量管理策略對車輛的燃油經濟性的影響及規律。

2.1 基于確定性規則的能量管理策略

確定性規則能量管理是基于明確定義的控制規則來操控系統工作，即確定一組合理的閾值參數，用以限制各動力源的開啟與關閉，車輛通過設定的規則來切換各個系統的工作模式，保證發動機可以工作在高效區域內，以此來提升整車的燃油經濟性?；诖_定性規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，但需要匹配標定各項規則中的參數及插值表，因此對開發標定人員經驗要求高。

周鵬[5]等人是通過車輛測試工程師實際試驗得到的控制策略，其規則是將混合動力汽車的動力源分為一定比例供驅動車輛負載使用，同時使發動機工作于效率最高區域?？刂埔巹t由車輛運行參數決定，在提高了混合動力汽車的燃油經濟性的同時也滿足驅動車輛功率分配。馬東兵[6]則通過設置車速、動力電池SOC的上下限、發動機工作轉矩等一組門限參數，來限定發動機和電機在較高效率區間工作，并根據車輛實時參數及路況實際情況調整動力系統各部件的工作狀態，同時根據部件的穩態效率Map圖來確定如何進行發動機和電機之間的動力分配，以提高整車的動力性、經濟性和排放性。沈登峰[7]通過基于規則的控制策略與整車模型聯合仿真建立了SOC與當量燃油消耗量之間的油電轉化關系，然后基于龐特里亞金最小值原理（Pontryagins Minimum Princeple， PMP）得到等效瞬時燃油消耗量的目標函數為某復合功率分流混合動力汽車制定了能量管理策略，并使用NEDC工況對該策略進行仿真驗證，結果表明，采用該控制策略使得實車當量油耗下降了12.31%。

確定性規則主要思想是以發動機工作在高效區間為控制目標，保證電池荷電狀態 SOC 運行在一定的值范圍內為核心[7]，雖然邏輯門限值對經驗的依賴性較高，但是規則設計較簡單，工程實用性較強，所以基于確定性規則的應用較為廣泛，但是由于該規則對于多變的實際路況以及復雜的混合動力系統的適應性較差，所以在使用該規則進行能量管理策略設計時很難達到最優的控制效果。為了增強規則性能量管理策略對實際路況及系統復雜度的適應性，許多學者通過引入模糊控制理論，提出了基于模糊規則的能量管理策略。

2.2 基于模糊規則的能量管理策略

模糊規則控制相比于確定性規則最大的不同之處在于，基于模糊規則控制策略無需精確的數學標準模型即可完成對混合動力系統的控制?；谀：巹t控制策略主要分為傳統模糊控制策略，自適應模糊管理策略以及預測模糊管理策略。從理論方法層面而言，模糊邏輯控制采用由模糊數學語言描述的控制規則來操控系統工作。模糊化思想可以將復雜的問題簡單化，適用于解決被控系統復雜，擁有多個控制和優化目標的控制問題。在這里的模糊規則概念來源于模糊控制器，相當于人們在表述某件事情的時候，往往只給出一個模糊性的說法。因此模糊規則能量管理策略更加適用于多變量、非線性、時變性的混合動力系統，具有較強的穩定性和魯棒性[2]。

張夢[8]等人選用負載所需功率和蓄電池 SOC為輸入、功率分配系數為輸出，設計了一個雙輸入、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）混合動力汽車的模糊邏輯控制策略，在提高混合動力汽車的燃料經濟性并增加續航里程的基礎上，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合動力電池模組的方式，提出了基于微小變量模糊邏輯控制的燃料電池補償動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，若動力電池SOC處于中高狀態，則整車以電－電混合模式運行，在此模式下由燃料電池和動力電池合理分配功率輸出能量，保證汽車行駛的經濟性;若動力電池的SOC下降至低荷電狀態區間，則根據整車需求能量的大小和工況確定模糊邏輯控制規則庫，對燃料電池輸出功率進行控制，以適當微小比例的整車需求功率對動力電池充電[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。該策略的第一個模糊控制器基于鋰電池端電壓和鋰電池荷電狀態對電池的電量進行綜合衡量，提高估算鋰電池電量狀態的準確度；第二個模糊控制器以負載功率、光伏功率、超級電容SOC和鋰電池SOC的變化情況作為輸入，根據模糊規則輸出鋰電池功率分配系數，進行差額功率分配。

模糊邏輯控制的魯棒性強，不需要過程精確的數學模型，但信息簡單的模糊處理會導致系統的控制精度降低和動態品質變差。模糊控制在系統出現信號噪聲和部件動態變化時具有較強的魯棒性和自適應能力。制定模糊規則，隸屬度函數等也都是基于專家經驗，也可以結合其他算法進行自適應調節，但是相應的會導致計算時間長和計算復雜、實時性較差。

3 結語

隨著動力汽車的技術的發展，混合動力的能量管理策略是一個多變量、非線性、時變性的復雜優化問題，通過制定基于規則性的能量管理策略能夠很好的解決這一問題。但已有規則性的控制策略已經難以保證系統效率最優。但隨著計算機技術的更新，基于規則性的能源管理策略得到了改進，并且取得了不錯的效果，但是由于規則性的能源管理策略依賴于現有研究學者的工程經驗，相關的規則性相對不太完善，難以保證能源管理策略達到最優。除了收集更多的工況和積累更多的經驗之外，將基于規則性能源管理策略和一些計算機優化方法的結合是規則性能源管理策略發展的熱點，越來越多的學者就將機器學習以及強化學習同規則性能量管理策略相結合提出了新的能量管理策略，取得了更好的燃油經濟性。另外還可以通過分析以往的工作經驗和收集以往的數據，進行整理和清洗作為一個新的經驗數據，然后用于基于規則性能量策略將有利于規則的設計，有益于基于規則性能量策略的發展。

綜上所訴，目前的混合動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。但是隨著計算機性能的不斷提高以及物聯網技術的不斷發展，在日后對能量管理策略的研究開發中也可以考慮將多種算法進行結合進行取長補短提出新的能量管理策略，或者開發一套實時后臺系統對能量管理策略進行云計算并實時反饋至實車，來提高車輛的優化效果。

項目編號：黔科合平臺-JXCX[2021]001。

參考文獻：

[1]王志勇，韓善靈，張鑫，等.插電式混合動力汽車能量管理策略發展綜述[J].科學技術與工程.2019，19（12）：8-15.

[2] 曾繁琦，袁曉靜，王旭平，等.軍用混合動力系統能量管理策略研究綜述[J].兵器裝備工程學報.2021，42（11）：15-24.

[3] 胡建軍，楊穎，鄒玲菠，等.混合動力汽車自適應等效油耗最低能量管理策略[J].重慶大學學報.2021，44（12）：80-94.

[4]宋昱，韓愷，李小龍.基于規則的能量管理策略對燃料電池汽車整車經濟性影響研究：2019中國汽車工程學會年會[Z].中國上海：20198.

[5]周鵬，楊靜，康南.基于規則能量管理策略的液壓混合動力汽車性能分析[J].昆明冶金高等?？茖W校學報.2018，34（05）：82-88.

[6]馬東兵.四輪驅動混合動力汽車能量管理策略仿真[J].傳動技術.2013.

[7]沈登峰，王晨，于海生，等.復合功率分流混合動力汽車能量管理策略研究[J].汽車工程.2017，39（01）：15-22.

[8]張夢，楊玉新，羅羽，等.模糊邏輯應用的燃料電池汽車能量管理策略[J].電氣自動化.2020，42（01）：50-53.

[9]王騫，李頂根，苗華春.基于模糊邏輯控制的燃料電池汽車能量管理控制策略研究[J].汽車工程.2019，41（12）：1347-1355.

[10]袁臣虎，周佳文，董佳麗，等.基于雙模糊邏輯的復合電源能量管理策略研究[J]. 現代電子技術.2022，45（08）：126-130.