通过引入电机和储能单元，在科学的整车控制策略调控下，混合动力汽车较传统汽车相比，燃油经济性提高30％～50％，排放水平降低50％以上。由于电池工作状态的恶劣，基于更低油耗和排放目标开发的混合动力汽车出现了电池寿命这一关键问题。6Sigma战略的焦点是通过系统构架，永久减少过程变量，获得突破性进展。本文主要借鉴6SigmaDMAIC科学系统的方法对某混合动力整车控制策略进行开发和优化，使动力电池使用寿命得到提高。
6Sigma系统方法的基本目标是建立并实施以测量为依据的战略，通过实施6Sigma改善项目、改善制动过程、减少变异。主要通过两套6Sigma系统方法来完成，即DMAIC和DMADV。DMAIC过程（D2定义、M2测量、A2分析、I2改善和C2控制）主要针对不能满足要求的过程，对其进行突破性改善。DMADV过程（D2定义、M2测量、A2分析、D2设计和V2验证）主要针对新产品和过程的开发，使新产品和过程的绩效达到6Sigma的水平。
一、6108HGD系统结构
项目基于电—电混合动力大客车6108HGD展开，整车基本参数见表1。针对城市公交车的行驶工况特性，采用了如下系统结构（如1）。动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，虽然由于两个电机的使用使得系统整体效率有所下降，但其具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作，便于增加纯电动模式控制，非常符合城市公交运行环境。
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混合动力汽车可以采用的控制方法有逻辑门限值控制、动态自适应、逻辑模糊控制和神经网络控制4种，逻辑门限值控制快速简单，实用性较强，国内外当前的成型车产品大部分都采用这种控制方法，本文拟采用此控制方法。其它3种控制方法采集和运算的数据量非常大，且效果改善不大。因此，采用逻辑门限值控制方法对现阶段混合动力汽车的开发是适合的。
二、6108HGD整车基本控制策略
当前制定的基本策略是，根据发动机的启动或强制动情况SOC值采用开关策略控制，发动机启动后，控制其运行在中高速工况，根据整车功率需求，发动机在高效区功率跟随。对突发功率变化，动力电池起到“消峰添谷”作用。
启动工况分为整车启动（简称起车）和发动机启动（简称起机）两种。本项目中制定的电2电混合动力系统结构，由于APU系统和电机之间无直接机械连接，确定了起车形式为电机起车。对于发动机的启动又划分为两种:启动机启动和电机启动。巡航行使工况也可称为复合调整动态过程，当电池SOC过高，超出充放电高效率区域时，显示纯电动有效模式，由动力电池单独供电驱动整车；当SOC在充放电高效区域时，动力源主要由发动机自适应整车功率需求。为此，将巡航主要划分为纯电动模式和混合驱动模式。制动工况通过限制SOC门限值来定义模式的切换条件。划分为车辆减速滑行或下坡行驶下的纯再生制动模式和急减速或急制动下的复合制动模式。
“功率跟随”着重强调发动机在适当宽限内的动态变化，保证车辆动力持续需求能力，同时又避免过于平凡的充放电带来的能量损失；“开关式”更多关注电池状态的动态变化，同样在保证车辆突发动力需求的同时，避免发动机在过低效率下运行。使用此基本控制策略的样车已经试制出来，前期试验表明，复合控制策略在整车能耗和排放上取得了预期效果。但长时间实际路况运行，动力电池寿命却成为系统安全稳定运行的关键，当然，电池本身质量有差异，但从控制策略层面主动改善动力电池工作环境非常重要。
三、电池寿命突破改善优化设计
（一）电池寿命突破改善流程设计
图2为依照“6Sigma”理论对某一关键问题系统分析，获得突破性解决的设计流程。
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（二）评价指标
铅酸电池理论寿命在10年以上，虽然目前相比其它电池，铅酸电池具有工艺和成本上的优势，但其存在固有原理缺陷，使用一段时间后均有容量下降，单次充电使用时间趋短等老化现象，致使90％以上的蓄电池实际寿命只有1～2年，国产蓄电池保质期只有6～12个月。本项目使用的电池不到3个月就有一组出现故障，避开电池本身固有质量因素，显然，HEV车上使用环境复杂的特点也是导致电池过早失效的直接原因。
目前，评估电池的参数主要有质量、体积比能量、质量比功率、价格和循环寿命，在混合动力系统中，关键问题还在于循环使用寿命。在传统应用环境中，质量较好的铅酸电池循环使用寿命可达500～700次，而一般深充放寿命在300次左右。铅酸电池在电动汽车上的广泛应用使之具有相当的应用经验，但比能量较低。混合动力使用环境为浅循环且由于复杂的制动回馈，过大电流放电和充电其使用寿命将显著缩短。表2为在混合动力中使用的电池和传统应用中的主要特征对比，可以看出，在混合动力中使用的铅酸电池环境更加恶劣，和传统使用特征的主要不同之处，在于混合动力中平凡的浅充放电循环强制动回馈和激烈的充放电电流，是寿命锐减的关键因数。结合传统应用中的使用条件，提炼出3个电池浅循环寿命的参数作为评估指标，即最大放电电流、最大充电电流、浅循环次数，从整车控制策略入手，适当调整SOC宽限度值，细化控制参数改善甚至消除或优化这些因子。
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（三）参数数据
借助于实验室开发的仿真软件PSAT（Power2 train System Analysis Toolkit），对混合动力系统动力电池能量交换进行了仿真分析。表3为装备的动力电池基本参数。最大车速度为53.39km/h，平均车速为14125km/h，起停24次，运行时间1084s，行程4129km。
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图3为截取的混合动力系统在该工况下运行的动力电池变化仿真曲线图。正为助力电流输出，负为制动电流回馈输入，整个过程最大充电电流为258.61A，最大放电电流为36913A，若定义动力电池组状态由放电转为放电状态为一个浅循环，整个过程浅循环次数高达48次，SOC在0.7～0.8之间波动。混合动力系统里过大的突变电流和过于平凡的浅循环正是电池循环绝对寿命锐减的根本所在。
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（四）技术路线
基于上面事实，针对3个寿命指标关键性参数，现在的目标明确在如下两点:
1．减小最大放电电流、最大充电电流、浅循环次数的绝对值；
2．合理优化使SOC充放电位于高效率区。
在系统工作的模式里，纯电动处于不经常使用的模式，而大多情况下整车运行于混合驱动模式环境下。因此，应从混合驱动时的启动、巡航和制动过程入手。最大充电电流发生在强制动回馈或发动机高速状态。由于发动机组功率跟随控制，发电机组小范围功率“突变”是来自车轮较大功率需求，其能量绝大部分直接流向车轮，因而最大充电电流出现在激烈制动过程。为此，要降低突变最大充电电流值就要适当调整强烈制动时回馈制动所占的比例或合理设置制动回馈上限值。动力电池组输出功率发生在电启动发动机或巡航时发动机功率跟随不足情况，事实上此时发动机能量输出占据主要比例，要让动力电池组电流流出的最大放电电流位于电池最大放电效率区间。
动力电池在整个运行中的浅循环次数和电池SOC宽限值从某种程度上却是相互对立的。事实上，浅循环主要集中在巡航中，较大的SOC宽限值可以减少浅循环次数，但电池将会更多地在低效率区域工作，无疑增加能量损耗；SOC宽限值过小，则SOC平衡时间更短，电池功率输入输出过于平凡，浅循环次数增加。
混合动力电池引进的目的在于降低整车能耗和改善排放，事实上就是能量回收和消除发动机怠速工况。为此，对动力电池的应用应集中于发动机启动、低速低扭矩或制动过程，在发动机启动或低扭矩时用于改善发动机工作特性，以提高燃油经济性和排放。因此，对动力电池组，控制其在协助发动机启动、制动能量回馈或改善工作负荷时允许高效率较大功率工作，而在整车巡航过程，电池组仅以较小电流作SOC调整，车辆主要由发动机动力跟随。这样，在电池SOC宽限值设置不太大的条件下，电池的浅循环次数可以明显减少。
（五）优化与控制策略实现
基于以上分析，结合“功率跟随式 开关式”的基本控制策略，主要通过增加更细的限定参数来改善电池循环寿命。表4为初始和改进后的控制策略主要参数。主要采取了以下几种措施:
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1．对SOC门限值，主要优化设置了充放电最大功率限定值2个参数；
2．对电动机再生制动最大扭矩和机械制动提供的最小制动扭矩分别引入了1个限定参数，以防止对电池寿命有致命影响的过大电流出现；
3．对发电机控制，基于城市客车特有的速度变化特性，对电机状态的限制不仅局限于单纯的SOC状态和电机转速，引入了整车速度参数，有效地减少了过度平凡的低效超小功率充电模式，此种模式的能量在多次充放电中被过多消耗，恶化了整车燃油经济性。
4．增设发动机启动和停机最短时间限参数，避免了特殊极限条件下由于发动机的启停跳动而引起的电流振荡。
由于实际运行过程，车辆运行的电池初始条件难以预测而且不同，动力电池组最大最小SOC的值是由基本控制策略决定的，一般不会发生很大的突变现象，因而改善的重点在于优化器变化频率，如表5，参数优化后系统工况运行SOC标准偏差得到显著降低，达到67.4％。而电池的输出电流数值出现30908A和23428A的奇异值，显然是不合理的，由于PSAT与其它诸如ADVISOR汽车仿真软件相比时基数由1s提高到0.01s，精度提高近100倍的同时，带来的弊端是系统模型或计算微小误差可能导致极大错误。从图4前后不同SOC初始值电池SOC动态变化曲线可以看出，优化前后，纵使初始SOC不相同，经过一段时间运行平衡后，两条曲线在大约600s处开始同步变化，这也表明模型的稳定性。
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四、结语
对具体动力系统结构和前期设计的基本控制策略，为解决动力电池寿命过短问题，将管理学上应用的“6Sigma”理念导入混合动力整车控制设计，从设计理论上说，是个有益的尝试。
通过“6Sigma”系统方法DMAIC的科学实践，找出了混合动力汽车运行环境下，影响电池寿命的关键参数，并在控制策略制定中从细节突破改善，基于原基本控制策略新增加了5个细节参数和1个全局参数，精确仿真软件PSAT里运行显示，电池工作特性环境较改善前（有别于自然环境）得到明显改善，理论电池寿命得到明显提高，当然，这还需要在实车运行中得到应证和优化。
本文对延长混合动力电池寿命所做的优化工作，是基于整车控制策略层面这一电池使用的外部特性环境考虑，即对其充放电强度、功率及在整车运行中循环工作次数等方面做出优化。事实上，电池本身的制造技术水平决定其使用寿命。
