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一个功率分流混合动力汽车的建模与控制
刘金明彭慧

摘要：丰田混合动力系统（THS）是用在当前市场上最畅销的混合动力汽车丰田的普锐斯上。这种混合动力系统包含一个功率分流行星齿轮系统，其结合了串联和并联混合动力汽车的优点。在本文中，我们开发了THS动力系统的动态模型，然后应用它的基于模型的控制发展。两个控器算法介绍：一种基于随机动态编程的方法，另一种基于等效浓度消耗最小化的策略。这两种算法决定了基于整车效率的引擎动力,并且应用电控装置来实现引擎操控的最优化，我们通过与动态控制的结果比较来评估这两种算法的性能，这虽然是非因果关系，但它为其他工具控制策略提供了理论标杆。
关键词：动力学，动态规划，混合动力汽车，建模，非线性系统，电源控制，电源管理
换货，整车动力总成。
一简介
由于化石燃料燃烧日益增加的成本和对环境影响的担忧，近年来购买燃油经济型汽车的趋势加重了，混合动力电动汽车（HEV）似乎是最有希望的短期的解决方案，许多汽车公司也正在积极开发。一种混合动力汽车将一个电力路径与传统的动力总成结合，通过选用合适排量的发动机，合适的装载量，制动回收系统来提高汽车的燃油经济性，一台大小合适的发动机具有更好的燃油效率和较小的热损失。减少的发动机功率将由电机（电机群）进行补偿。与内燃机相比，电机能更快的提供扭矩，尤其是在低车速。因此，即使整体功率下降了，它的起步性能更好。负载率也可以通过添加的电气路径得到优化，这使得发动机更有效地运行，而与道路载荷毫无关系。当车辆减速制动时，制动回收系统捕捉汽车的部分动能给电池充电。
2007年4月收到手稿，2007年6月26日修订。2008年1月17日定稿，首次发表于2008年6月10日;现行版本发表于2008年10月22日。由副主编C.博恩推荐。这项工作是由密歇根大学的汽车研究中心支持，根据合同DAAE07-98-C-R-L008由美国军用TARDEC赞助。作者系密歇根州大学，机械工程专业，（电子邮件：[e-mail];[e-mail]）。基于机械架构，混合动力车可分为三类：并联混合动力，串联动力系列，以及混联功率分流混合动力车。并联配置，如图1（A），包括两个独立的电源路径：机械路径与电气路径。每个路径可以单独或者共同驱动汽车。并联配置的主要缺点的是一个电机通常既作为发电机又作为电动机来使用。电力助力系统必须受到限制，以避免耗尽电量，频繁的角色转换可能是必要的。串联配置系统，如图1（B）中所示，只用一个电机（或多个电机）来驱动车轮。电动机的功率是由电池或者由将发动机的化学能转化成电能的发电机提供，或两者共同提供。由于发动机操作与车速和道路负载无关，它可以一直在理想状态下运转。串联式混合动力系统的缺点是电动系统的效率会降低整个动力总成的效率。如图1（C）所示，混联式混合动力系统通过一组功率分流装置将前两种结构组合在一起，这一装置是非常好的，在正确的操控下它可以从二者中取其精华，去其糟粕。
早在20世纪70年代人们就开始研究功率分流系统。早期版本的这种设备的出现在静液压功率分流传动的割草机上。米勒对功率分流装置的发展提出了历史性的见解。[4]-[7]中描述了1997年日本第一台商品化的混合动力汽车普瑞斯的核心-丰田混合动力系统，普锐斯的早期模型由阿贡国家实验室测验，实验数据用来为帕萨特和建议者的建模上，THS和其他混合设计-本田Insight之间的比较工作由多巴完成，2004年，丰田发布了一个改进的THS系统（THSII）。[12]-[14]中的研究表明，二者的主要区别是后者用基于组件的设计代替了前者的动力总成架构。如埃尔芒斯所描述的，THSII混合动力系统被用在负荷更高的车辆如汉兰达和雷克萨斯RH400上。
文献上几乎没有关于混合动力汽车的建模和控制的论文，Rizoulis等人提出了一种带有功率分流装置的车辆的数学模型，这一功率分流装置是基于稳定传动表现上的。张等人开发一种功率分流混合动力汽车模型来研究最优控制算法，没有具体的部件表现，这一动态模型是被简化的。米勒总结了目前的发展中功率分流HEV架构的模型。THS的电源管理控制算法，或功率分流混合动力系统一般都没有深入分析，除了几篇讨论THS基于规则的算法的论文外。
一个三态动态车辆模型呈现在这篇论文当中，通过选择合适的组件参数，这一动态模型可以用来描述THS或者THSII，应用这一动态汽车模型，介绍和分析两种最优控制策略，第一种方案是基于随机动态规划（SDP）的方式，SDF是由李等人介绍的，在这种方法中，车辆模型是确定性的，但驱动电源的需求是随机的，从而反映了这一事实：最优方案不是针对任何特定的驱动循环而是针对已知可能的动力要求的一般驾驶状况，在本文中，SDP的方法被修改并应用在功率分流的HEV上。本文中研究的第二种方