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混合动力汽车能量管理策略和部件尺寸确定方法综述

Yanjun Huang^a，Hong Wang^a,*，Amir Khajepour^a，Bin Li^b，Jie Ji^c,*，Kegang Zhao^a,d，Chuan Hu^e

a滑铁卢大学机械与机电工程系，加拿大滑铁卢N2L3G1

b加拿大蒙特利尔康考迪亚大学机械与工业工程系H3G 1M8

c西南大学工程技术学院，重庆400715

d华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640

e加拿大安大略省滑铁卢滑铁卢大学系统设计工程系N2L 3G1

关键词

组件尺寸确定 能量管理策略 混合动力汽车 优化

摘要

本文全面回顾了具有多个储能系统（ESS）的混合动力汽车的能量管理策略（PMS）和部件尺寸确定方法（CS）。PMS旨在协调不同ESS之间的功率流，同时满足驱动命令和其他约束；而CS则用于优化组件的组合，以组成经济有效的动力系统。然而，这两个方面通常是耦合的，因此从系统层面设计的角度单独讨论它们是不合理的。因此，本评论简要讨论了流行的PMS，以及不同方面的详细的CS评论，包括经典和优化的自己的子类型。此外，还详细回顾了几个属于不同优化结构的案例研究，以说明各方法的特点和主要结论。正如比较结果所显示，混合动力系统与传统方法相比更节省燃料。此外，本文还讨论了影响PMS和CS方法性能的因素或问题。同时，阐述了未来PMS和CS的研究趋势。本研究旨在帮助研究人员概述PMS和CS方法的最新技术，更重要的是，为具有成本效益和环境友好的车辆提供最佳动力总成和能量管理控制器设计的方向。

1. 介绍

美国能源情报署（EIA）曾预测，石油和其他液体燃料是主要的交通运输行业所消耗的能源，尽管从2010年到2040年，有略微减少（即从89％到80％）[1]。换句话说，化石燃料是当今通过内燃机（ICE）工作的大多数车辆的主要能源。因此，运输部门产生的二氧化碳排放量占全球的22％，这导致气候变化问题，如全球变暖[2]。为了解决空气污染，气候变化和石油短缺等问题，汽车研究人员和政策制定者正在寻求可持续的替代品，减少污染，减少对石油的依赖。这些替代品的种类如表1所示。

表1

新能源汽车的替代品

替代能源包括太阳能，风能，水力发电，核能和氢能，可通过在车载装置（例如太阳能光伏发电和燃料电池）或岸上装置（例如大型发电机）转化为电能。对于相应的能量存储装置，由于其相对高的能量密度，它们中的一些可以用作车辆（例如电池）的主要能源。而其他的只能用作辅助能源（例如超级电容器，液压蓄能器，空气罐和飞轮）来协助主要能源。大多数能源需要它们自己的能量转换装置，例如电动机/发电机，液压马达/泵和安装在车上的空气马达/压缩机，以将初级能量转化为机械能以驱动车辆。就车辆而言，通过将上述能量源以及它们的转换装置相互组合或与传统的内燃机相结合，可以在配置水平上设计混合动力汽车。这种混动汽车是希望生产具有更低排放和更好燃料经济性的车辆以满足环境政策和节能要求。

对混合动力汽车，当结构确定之后，剩下的挑战是部件参数的确定和开发一个高效的PMS，以满足期望的目标，而不会降低车辆性能[6]。换句话说，CS和PMS是决定混合动力汽车成本（即初始和运营成本）和污染的两个主要因素。为了追求低成本和低排放，应妥善处理这两个方面。具体而言，CS的设计情况在很大程度上依赖于组件如何操作和彼此协作，这由PMS决定。同时，如果没有适当的CS方法或结果，PMS不能最佳地协调每个组件以获得很高的整体效率，甚至不能满足其他要求（例如动力）。

在目前的文献中，就综合文献[6]～[13]以及个体算法设计而言，他们关注的焦点大多在PMS。例如，[7]中的作者讨论了混合动力电动汽车中PMS的开发，分类，比较和未来趋势，其中PMS及其子类被归类为规则导向和优化导向类型。参考[8]对动力总成配置以及PMS进行了广泛的综述，其中类似的类别用于对动力总成控制技术进行分类。在[6]中对HEV的结构和PMS进行了回顾，重点介绍了插入式HEV和带有轮内电机的道路HEV。在[9]中研究了较低级别（即组件级别）和监督控制策略。[10]中针对HEV中的每种类型的动力系配置（例如，串联，并联和动力分配），和PMS进行了全面的调查。文献[11]中基于计量数据定量分析和评估了关于HEV的PMS的研究状况。由于模型预测控制（MPC）的普及，HEV中基于MPC的PMS在几个方面得到了详细阐述（例如未来驾驶信息的获取方式和系统模型的类型），未来研究方向也被指出[12]。

虽然CS非常重要，但是有关CS方法的现有文献都没有系统地对现有方法进行分类和总结。其中只有少数文献在他们的介绍部分讨论了有限的CS方法。例如，参考[14]指出，现有的CS方法之一是选择一种优化算法，并将其应用于车辆建模和仿真软件工具，以便进行CS任务。15]中的CS方法根据[考虑因素或能量管理策略的类型进行分类，作者还简要讨论了每个类别。此外，作者还提出了将元件尺寸和PMS优化在一起的必要性。

因此，为了解决上述问题，本研究通过将CS方法分为不同子类，例如传统型和优化导向型，系统地对现有的组件尺寸方法进行了全面的调查，然后详细阐述了每种方法的优缺点，并通过当前文献中的几个案例进行比较。此外，还详细介绍了文献中使用的一些常用方法的设计过程。并且总结了CS和PMS方面存在的问题和研究趋势，这对于该领域的活跃研究者是有益的。作为本研究的核心，这三点必将对当前与混合动力汽车设计有关的文献做出贡献。然而，如上所述，在CS的过程中，应适当考虑PMS。因此，根据相关论文并从实际应用的角度来看，本研究在两个主要方面（即offline和online）检查PMS，以通过是否可以实时使用为标准来区分PMS方法。该评论在更高层次上，对每个类别的特征和目的的研究进行了更多的努力，而不是相对地研究它们。除此之外，在以不同方式使用CS方法时，还会对不同的PMS进行比较和分析。

其余部分的结构如下：在下一部分中，简要讨论了整个动力总成系统和每个部件的常用建模方法，因为系统建模作为PMS和CS算法中的约束，描述了输入的相关性和产出。此外，在第3节中对当前的PMS进行了简单的研究和分析，以向读者传达基本概念。在第4节中，对现有的CS方法进行了分类并将其与目前研究中最流行的优化导向的CS进行比较。第5节总结了当前CS和PMS方法中的潜在问题，并根据这些问题提供了解决方案和研究方向。最后，得出了本研究的主要结论。

1. 动力总成部件的建模方法

在开发高级PMS和CS方法期间，系统建模是先决条件之一。因此，在本节中，以一系列HEV为例，简要回顾一下动力总成每个部件的通用建模方法。图1显示了串联HEV的架构，其中示出了主要部件和功率流。

通常，有两种方法用于开发动力系统模型：前视和后视[16]。前者从驾驶员开始，驾驶员将从驾驶循环获得的动力需求发送到动力系部件，由动力系产生的可用动力随后被发送到车轮以驱动车辆。如图二。优点是它更现实，因为它模拟了现实中人类的真实驾驶。此外，可以轻松实现硬件在环以开发车辆系统。但是，它需要每个组件的高精度模型，并且计算成本很高。然而，图3中所示的后者开始于从预定的驾驶循环确定所需的车辆动力。所有电源都应满足功率需求，然后在考虑功率元件的效率的同时计算每个组件消耗或传输的功率。它显着降低了计算成本，并且可以采用简化的准静态模型。然而，由于不考虑组件的动态，从而使其不像前一种方法那样真实。为简单起见，本文将简要介绍一种后视的方法。

• 1. 需求功率的建模

需求功率通常由基于第二牛顿定律的纵向车辆动力学建模。动力和阻力的平衡用于加速或减速车辆。阻力通常由拖拽力，滚动阻力和重力阻力组成。对于某些特殊车辆，还应考虑辅助装置，如空调，制冷系统或刮板[17]。

• 1. ICE的建模

实验和Willan的线模型是用于模拟ICE的两种常用方法。给定需求功率，前者使用在查找表中预设的实验数据来内插并获得当前的能量效率/燃料速率和排放。这种方法更准确，因为使用的数据直接来自实验测试。然而，由于它们需要明确的表达，因此很难在基于模型的算法中使用。这就是为什么Willan的线建模方法被发明，它以一种独立于缩放的方式标准化工作量和流量变量[18]。

• 1. 电动机/发电机

电动机/发电机的作用是将电能转化为机械能或其他形式的能量。因此，转换效率是需要建模的主要参数。类似地，电动机/发电机可以通过实验和Willan的线路方法建模。另外，当车辆制动时，电机在发电机模式下工作，参考再生制动过程。作为HEV/EV的主要优势之一，再生制动正在被广泛研究[19]。主要目的是通过适当地协调机械制动系统和再生制动系统来尽可能地恢复自由能，同时维持车辆稳定性。通常，这两个独立的制动系统以串联或并联的方式工作，但串联方式通常可以帮助恢复最大的自由能。

然而，当确定部件的尺寸时，是否或如何考虑再生制动在很大程度上取决于所设计的车辆的操作条件。例如，在[20]中，设计的车辆在重载应用中工作，并且操

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资料编号：[2975]