混合動力汽車能量分配控制畢業(yè)論文

1、混合動力汽車能量分配控制摘 要混合動力汽車介于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車之間，是汽車的典型過渡。它繼承了兩者的優(yōu)點，但有兩種動力來源，意味著它更復雜。本論文以某型并聯(lián)混合動力電動汽車為設計對象，采用模糊控制的方法設計控制器，以提高燃油經(jīng)濟性，減少污染排放。模糊控制器對發(fā)動機和電機扭矩分布的期望，整個行駛周期的電池荷電狀態(tài)SOC平衡，并使發(fā)動機工作在高效區(qū)。為了驗證ADVISOR仿真平臺中能量分配控制策略的有效性，并與混合動力汽車的動力輔助控制策略進行比較，比較燃油性能、發(fā)動機效率、荷電狀態(tài)SOC值范圍，以及污染排放等方面的對比，對比分析結果表明，模糊混合動力汽車在各方面的控制下都有很好的改善。

2、混合動力汽車再生制動是控制系統(tǒng)的一個組成部分，因此，在最后對混合動力汽車的再生制動控制進行了介紹，并設計了再生制動控制策略。關鍵詞:混合動力汽車,模糊 控制,助力控制,扭矩 分配目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296355336 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc296355336 h 1 HYPERLINK l _Toc296355337 1.1概述 PAGEREF _Toc296355337 h 1 HYPERLINK l _Toc296355338 1.1.1混合動力汽車概念 PAGEREF _Toc296355338 h 1 HYPERLI

3、NK l _Toc296355339 1.1.2混合動力汽車特點 PAGEREF _Toc296355339 h 1 HYPERLINK l _Toc296355340 1.1.3混合動力汽車分類 PAGEREF _Toc296355340 h 2 HYPERLINK l _Toc296355341 1.2混合動力汽車的關鍵問題及發(fā)展前景 PAGEREF _Toc296355341 h 4 HYPERLINK l _Toc296355342 1.2.1混合動力汽車需要解決的問題及關鍵技術 PAGEREF _Toc296355342 h 4 HYPERLINK l _Toc296355343 1

4、.2.2混合動力汽車發(fā)展前景 PAGEREF _Toc296355343 h 5 HYPERLINK l _Toc296355344 1.3章節(jié)總結 PAGEREF _Toc296355344 h 5 HYPERLINK l _Toc296355345 第 2 章 混合動力汽車的車輛建模 PAGEREF _Toc296355345 h 6 HYPERLINK l _Toc296355346 2.1 ADVISOR ,混合動力汽車仿真平臺軟件介紹 PAGEREF _Toc296355346 h 6 HYPERLINK l _Toc296355347 2.2車輛動力學模型 PAGEREF _Toc

5、296355347 h 7 HYPERLINK l _Toc296355348 2.3發(fā)動機型號 PAGEREF _Toc296355348 h 8 HYPERLINK l _Toc296355349 2.4電機型號 PAGEREF _Toc296355349 h 9 HYPERLINK l _Toc296355350 2.5電池型號 PAGEREF _Toc296355350 h 10 HYPERLINK l _Toc296355351 2.6傳動系模型 PAGEREF _Toc296355351 h 11 HYPERLINK l _Toc296355352 2.6.1離合器型號 PAGER

6、EF _Toc296355352 h 11 HYPERLINK l _Toc296355353 2.6.2傳輸模型 PAGEREF _Toc296355353 h 13 HYPERLINK l _Toc296355354 2.6.3驅動橋型號 PAGEREF _Toc296355354 h 13 HYPERLINK l _Toc296355355 2.7章節(jié)總結 PAGEREF _Toc296355355 h 14 HYPERLINK l _Toc296355356 第3章并聯(lián)混合動力汽車能量管理策略設計 PAGEREF _Toc296355356 h 15 HYPERLINK l _Toc2

7、96355357 3.1控制策略簡介 PAGEREF _Toc296355357 h 15 HYPERLINK l _Toc296355358 3.1.1助力控制策略 PAGEREF _Toc296355358 h 15 HYPERLINK l _Toc296355359 3.1.2實時控制策略 PAGEREF _Toc296355359 h 17 HYPERLINK l _Toc296355360 3.1.3模糊控制策略 PAGEREF _Toc296355360 h 17 HYPERLINK l _Toc296355361 3.2模糊控制策略設計 PAGEREF _Toc296355361

8、 h 18 HYPERLINK l _Toc296355362 3.2.1設計思維 PAGEREF _Toc296355362 h 18 HYPERLINK l _Toc296355363 3.2.2模糊轉矩控制器設計 PAGEREF _Toc296355363 h 18 HYPERLINK l _Toc296355364 3.2.2.1會員功能 PAGEREF _Toc296355364 h 18 HYPERLINK l _Toc296355365 3.2.2.2規(guī)則庫 PAGEREF _Toc296355365 h 19 HYPERLINK l _Toc296355366 3.3整車性能仿

9、真與實驗驗證 PAGEREF _Toc296355366 h 21 HYPERLINK l _Toc296355367 3.3.1仿真參數(shù)和測試條件 PAGEREF _Toc296355367 h 21 HYPERLINK l _Toc296355368 3.3.2 ADVISOR 22中模糊控制器的實現(xiàn) PAGEREF _Toc296355368 h HYPERLINK l _Toc296355369 3.3.3仿真結果與分析 PAGEREF _Toc296355369 h 23 HYPERLINK l _Toc296355370 3.3.4模糊控制策略與助力控制策略比較 PAGEREF _

10、Toc296355370 h 25 HYPERLINK l _Toc296355371 3.4章節(jié)總結 PAGEREF _Toc296355371 h 26 HYPERLINK l _Toc296355372 第4章再生制動期間的能量控制策略 PAGEREF _Toc296355372 h 27 HYPERLINK l _Toc296355373 4.1再生制動的影響因素 PAGEREF _Toc296355373 h 27 HYPERLINK l _Toc296355374 4.2混合動力汽車再生制動分配 PAGEREF _Toc296355374 h 27 HYPERLINK l _Toc

11、296355375 4.3混合動力汽車再生制動控制策略 PAGEREF _Toc296355375 h 28 HYPERLINK l _Toc296355376 4.4章節(jié)總結 PAGEREF _Toc296355376 h 31 HYPERLINK l _Toc296355377 全文摘要 PAGEREF _Toc296355377 h 32 HYPERLINK l _Toc296355378 參考文獻 PAGEREF _Toc296355378 h 33 HYPERLINK l _Toc296355379 至 PAGEREF _Toc296355379 h 35混合動力汽車能量分配控制介紹

12、1.1概述1.1.1混合動力汽車概念混合動力電動汽車的英文縮寫是HEV（Hybrid Electric Vehicle）。根據(jù)國際電工委員會電動汽車技術委員會的建議，混合動力電動汽車1的定義是：具有多個能量轉換器以提供驅動動力的混合動力電動汽車。此外，HEV也可以簡單定義為將電驅動和輔助動力單元APU Auxiliary Power Unit合二為一的車輛。它繼承了電動汽車低排放的優(yōu)勢，發(fā)揚了石油燃料高比能量和比功率的優(yōu)勢，顯著提高了傳統(tǒng)燃氣汽車的排放和燃油經(jīng)濟性，增加了電動汽車的續(xù)駛里程。制造低能耗、低污染的新型混合動力汽車，需要合理控制燃氣輪機與電機的相互配合。因此，需要一個良好的能量分配

13、策略。1.1.2混合動力汽車的特點混合動力汽車具有多種動力源（主要是燃氣輪機和電動機），根據(jù)情況同時或單獨使用多種動力源來驅動機動車輛?；旌蟿恿﹄妱悠嚨膬?yōu)點是：(1)采用混合動力后，燃氣輪機的最大功率可根據(jù)平均所需功率確定。燃氣輪機動力不足時，用蓄電池補充；當負載較小時，可以產(chǎn)生剩余電能給電池充電。工作時，電池可連續(xù)充電。因此，續(xù)駛里程和動力性能可以達到燃氣發(fā)動機汽車的水平。（2）與純?nèi)細廨啓C相比，混合動力汽車采用大功率儲能裝置（飛輪、超級電容器或電池等）為車輛提供瞬時能量。由于有儲能裝置，剎車、下坡和怠速時的能量可以很容易地回收。在繁華的市區(qū)，燃氣輪機可以關閉，由電機單獨驅動，實現(xiàn)“零”排

14、放。因此，經(jīng)濟性和排放量得到顯著改善。(3)與純電動汽車相比，空調、真空助力、轉向助力等輔助電器，依靠原動機的動力，不需要消耗電池組有限的電能，從而保證了舒適性的旅程。(4)混合動力汽車的技術難度較小，成本較低。易于滿足未來排放標準和節(jié)能，目標市場接受度高?；旌蟿恿ζ嚨娜秉c：(1) 由于存在多個電源，成本增加。如何實現(xiàn)多動力源的協(xié)調，成為混合動力汽車需要解決的關鍵問題。(2)由于多個動力源，增加了質量和必要的裝載空間，降低了混合動力汽車的有效載荷能力。1.1.3混合動力汽車分類混合動力汽車有多種分類方法。一般來說，最常見的是根據(jù)動力傳動系統(tǒng)的布局和混合動力的程度來分類。根據(jù)傳動系統(tǒng)的排列方式

15、，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式。近年來，隨著混合動力技術的發(fā)展，除了串聯(lián)、并聯(lián)和混合結構之外，越來越多的其他類型的混合動力驅動系統(tǒng)正在開發(fā)中。除了根據(jù)動力系統(tǒng)各組成部分的排列方式進行分類外，根據(jù)“混合程度”對混合動力汽車系統(tǒng)進行分類的方法也被廣泛使用。雖然到目前為止，“混合度” 2還沒有統(tǒng)一明確的定義，但通常混合度可以表示為：(1.1)其中，是混合度，是電機功率，是發(fā)動機功率。根據(jù)混合程度，混合動力汽車可分為輕度混合動力、中混合動力和強混合動力。一般來說，弱混可以實現(xiàn)怠速熄火、發(fā)動機快速啟動、再生制動和電機助力等功能，而強混除了可以實現(xiàn)上述功能外，還可以實現(xiàn)純電動駕駛功能。根據(jù)電力系統(tǒng)元件的排

16、列方式，分為串聯(lián)、并聯(lián)和混合。簡要介紹如下：1.串聯(lián)混合動力汽車串聯(lián)混合動力汽車的驅動系統(tǒng)類似于純電動汽車。它主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電池、電動機和控制器等部件串聯(lián)而成。由發(fā)動機驅動的發(fā)電機產(chǎn)生的電能與蓄電池等儲能裝置輸出的電能共同輸出到電動機驅動車輛。因為發(fā)動機和驅動橋之間沒有直接的機械連接，只有電動機和它的驅動橋是機械連接的，所以電驅動是唯一的驅動方式。串聯(lián)式混合動力汽車的結構比較簡單，典型結構如圖1.1所示：驅動橋驅動橋發(fā)動機發(fā)電機控制器電動機儲能裝置i機械連接電氣連接圖1.1串聯(lián)驅動系統(tǒng)示意圖2.并聯(lián)混合動力汽車并聯(lián)結構混合動力汽車的原理驅動系統(tǒng)示意圖如圖1.2所示。發(fā)動機與電動機并聯(lián)，

17、可同時或單獨驅動車輪。由于發(fā)動機的機械能可以直接輸出到車輛驅動橋，中間沒有能量轉換，因此系統(tǒng)效率更高，油耗更低。但是，發(fā)動機與驅動橋之間的機械連接使得發(fā)動機并非都在最佳工作點附近運行，這受到車輛具體行駛條件的影響。并聯(lián)HEV還可以用于更復雜的工況，應用范圍很廣，但對燃氣輪機工作狀態(tài)的優(yōu)化和能源系統(tǒng)的管理提出了更高的要求。驅動橋驅動橋發(fā)動機動力復合分配裝置電動機/發(fā)電機儲能裝置i機械連接電氣連接圖 1.2 并聯(lián)驅動系統(tǒng)示意圖3. 混合動力汽車發(fā)動機發(fā)動機發(fā)電機動力復合分配裝置電動機儲能裝置i驅動橋機械連接電氣連接行星齒輪控制器圖1.3混合動力驅動系統(tǒng)示意圖混合動力驅動系統(tǒng)示意圖如圖1.3所示。驅

18、動系統(tǒng)使用發(fā)動機和電動機來驅動汽車。目前的混合動力結構一般采用行星齒輪作為動力復合裝置的基本結構。發(fā)動機的動力分為兩部分，一部分機械能通過機械傳動傳送到驅動橋，另一部分通過發(fā)電機傳送給電動機或電池充電發(fā)電。當汽車在低速行駛時，驅動系統(tǒng)主要是串聯(lián)工作；當汽車高速穩(wěn)定運行時，主要是并聯(lián)工作。 Hybrid混合動力系統(tǒng)充分利用了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點。但混合結構復雜，控制復雜難，成本高。1.2 混合動力汽車關鍵問題及發(fā)展前景1.2.1混合動力汽車需要解決的問題和關鍵技術簡要說明，如下3,4,5 ：(1)由于混合動力具有多個電源，如何實現(xiàn)兩種電源的優(yōu)化分配控制是關鍵問題和問題的癥結所在。即發(fā)動機工作在最佳工

19、況區(qū)，油耗和污染最低，電動機發(fā)揮最大優(yōu)勢，電池使用壽命延長。(2)儲能裝置。對電池的研究主要集中在快速充電能力、更高的比能量和比功率、提高充放電效率、降低電池重量和成本、延長使用壽命等關鍵問題上。(3)混合動力單元技術。為了提高混合動力機組的燃油經(jīng)濟性，降低排放，目前的研究主要集中在：一是燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化；二是廢氣處理技術，主要研究高效廢氣催化系統(tǒng)；(4)電驅動系統(tǒng)。電驅動系統(tǒng)由電機、高壓電路等組成，電機必須具有良好的可控性和容錯性，才能具有低噪音、高效率的特點。1.2.2混合動力汽車的發(fā)展前景混合動力汽車動力性能好、燃油經(jīng)濟性好、清潔環(huán)保、經(jīng)濟實用。 HEV既繼承了純電動汽車作為“綠色汽車”的

20、節(jié)能低排放優(yōu)勢，又彌補了電動汽車續(xù)駛里程短的缺點，生產(chǎn)成本低于純電動汽車，因此成為近年來汽車行業(yè)的研究熱點。雖然具有傳統(tǒng)汽車和電動汽車無法比擬的優(yōu)勢，但其油電模式仍不可避免地消耗石油資源。從長遠來看，油電混合動力汽車仍不能徹底解決能源短缺問題。只是鑒于電池技術的不成熟和石油的匱乏，混合動力汽車已經(jīng)成為未來主流汽車的一種過渡形式。盡管如此，混合動力汽車在未來5到10年仍有廣闊的發(fā)展前景。1.3 本章小結本章首先介紹了HEV的概念并簡要介紹了其特點，然后詳細分析了HEV的分類。指出了混合動力汽車需要解決的關鍵問題，最后對其未來發(fā)展前景進行了展望?；旌蟿恿ζ嚨能囕v建模任何車輛控制系統(tǒng)的結構都包括三

21、個主要部分，即控制算法、傳感器技術和執(zhí)行器的開發(fā)。作為控制系統(tǒng)的關鍵，尋求能夠為整車提供良好性能的控制算法，需要將控制理論與整車動力學緊密結合，研究主要基于計算機建模與仿真分析以及實時控制實驗。本文基于在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下開發(fā)的電動汽車仿真軟件ADVISOR。分別建立了整車動力學模型、發(fā)動機模型、電機模型、電池模型和傳動系統(tǒng)模型。2.1 混合動力汽車仿真平臺軟件ADVISOR介紹ADVISOR是美國國家可再生能源實驗室于1994年與PNGV項目合作開發(fā)的基于MATLAB/SIMULINK平臺的混合動力汽車仿真軟件。其界面如圖 2.1 所示。下面簡單介紹一下ADVISOR的功能

22、：( 1 )估算車輛的燃油經(jīng)濟性，比較車輛在各種循環(huán)工況下的油耗和排放( 2 )研究傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車和電動汽車之間的傳動鏈如何工作( 3 )對混合動力汽車的控制策略進行評估，并進行控制參數(shù)的優(yōu)化匹配圖2.1 ADVISOR軟件界面ADVISOR 不僅能夠模擬串聯(lián)和并聯(lián)混合動力汽車，當然還能夠模擬傳統(tǒng)汽車，還能夠模擬先進的燃料電池汽車。更強大的是它提供了一個開放的開發(fā)環(huán)境，用戶可以很方便的添加自己需要的模塊，使用自己成熟的模塊組裝功能增強的模型。2.2 車輛動力學模型車輛動力學模型建立在車輪力平衡的基礎上，在仿真計算的每個時間段內(nèi)必須給出由車輛動力學方程和功率平衡方程組成的功率平衡公式。(

23、2.1)或者(2.2)設加速度為 a(m/ )：(2.3)加速度與時間積分，得到模型的輸出變車速。(2.4)式中：為驅動力；是滾動阻力；是斜坡電阻；是迎風阻力；是加速阻力；發(fā)動機扭矩；是電機轉矩；滾動半徑； m 是車輛的質量； f為滾動阻力系數(shù)；是傾斜角；為風阻系數(shù)； A為迎風面積； v為車速；對于并聯(lián)式混合動力汽車，電機和發(fā)動機的功率與整車的行駛阻力功率之間的平衡為：(2.5)式中：為發(fā)動機功率；是電機功率。2.3 發(fā)動機型號發(fā)動機是混合動力汽車的主要動力源，發(fā)動機模型的建立主要是預測發(fā)動機在各種工況下的動力、經(jīng)濟性、污染物排放等性能指標。發(fā)動機模型主要包括動力計算模型、油耗和排放計算模型。

24、1) 發(fā)動機動力學模型(2.6)式中，為發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩；是節(jié)氣門開度； (rad/s) 是發(fā)動機轉速考慮慣性損失，則：(2.7)式中，發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩就是發(fā)動機的轉動慣量。2) 發(fā)動機油耗和排放計算模型發(fā)動機燃料消耗和排放計算模型的輸入是發(fā)動機狀態(tài)。 , 發(fā)動機轉速, 發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩。發(fā)動機型號油耗計算公式：(2.8)排放計算公式：(2.9)其中，為發(fā)動機單位時間的油耗（g/s）；是單位時間的污染物排放量。由于發(fā)動機冷啟動時的油耗和排放比熱機時的油耗要高，為了更準確地計算油耗和排放，有必要引入溫度校正。油耗和排放修正系數(shù)定義為：( 2.10 )(2.11)其中，分別為發(fā)動機冷機燃油消耗排放

25、修正值和熱油消耗排放值， 分別為發(fā)動機冷卻液溫度關系系數(shù)， 和為發(fā)動機冷卻液溫度。2.4 電機型號該模型采用順序和逆序相結合的計算方法，并結合電機轉矩特性和效率特性的試驗結果，采用線性求解方法建立仿真模型。在建模過程中，主要考慮電機的性能限制和電機的熱交換。在順序計算模型中，根據(jù)電機模型的目標功率計算輸出轉矩和轉速，工作過程中輸入能量與輸出能量之差即為電機產(chǎn)生的熱能；在逆序計算模型中，目標扭矩和轉速為目標功率，通過一系列性能限制，計算出滿足車輛運行性能要求的電機運行性能。它包含六個子系統(tǒng)：轉速估計子系統(tǒng)、轉動慣量子系統(tǒng)、轉矩限制子系統(tǒng)、轉矩功率比例子系統(tǒng)、轉矩輸出子系統(tǒng)和電熱力學子系統(tǒng)。1.速

26、度估計子系統(tǒng)電機的轉速由汽車的行駛狀態(tài)決定：1）汽車加速時，電機轉速為目標轉速： （ 2.12 ）2）小車減速或勻速時，電機轉速為當前轉速： （ 2.13 ）2. 轉動慣性量子系統(tǒng)電機工作時，必須提供額外的慣性力矩：(2.14)在公式（2.14）中,其中，轉子的轉動慣量；是電機速度與車輪的比值；是整車質量；是電機的速度。3. 扭矩限制子系統(tǒng)電機運行特性受最大運行轉矩的限制：( 2.15 )其中，是電機的目標轉矩；是電機在當前工作狀態(tài)下的最大工作扭矩。2.5 電池型號電池作為混合動力汽車的電能存儲裝置，為混合動力汽車的行駛提供動力支持，同時在減速/制動過程中回收能量，從而達到降低能耗的目的。電池

27、建模方法經(jīng)歷了原來的鉛酸電池模型、電阻模型和電阻-電容（RC）模型。目前應用比較廣泛的建模方法是電阻模型（RINT）方法。電阻模型（RINT）方法是一種開環(huán)電路模型，其中電池相當于一個電壓源和一個電阻（電池電阻）串聯(lián)。電池電阻模型的結構如圖2.2所示。模型的輸入為所需功率（W） ，輸出為電池的實際功率和SOC值。 0時，電力需求為正，電池放電； 0時，電力需求為負，電池充電。 圖2.2電池模型等效電路圖等效電阻和電池開路電壓都是 SOC 和溫度的函數(shù)。在 MATLAB 中，Interpolation 函數(shù)用于對二維查表求和的值：( 2.11 )(2.12)等效電路基本方程：(2.13)( 2.

28、14 )其中， I(A)為電池的充放電電流，為母線電壓，為電池的實際輸出電量。2.6傳動系模型傳動模型包括離合器模型、傳動模型（終傳動、差速器）和驅動橋模型。為車輛提供所需的推力和牽引力以產(chǎn)生運動，改變傳動比，并使動力總成提供的扭矩適應車輛牽引力的瞬時需求。2.6.1離合器型號膜片彈簧離合器接合過程通過摩擦實現(xiàn)動力傳遞和中斷，離合器動力傳遞系統(tǒng)的簡化模型6如圖2.3所示。圖2.3離合器傳動系統(tǒng)數(shù)學模型示意圖系統(tǒng)動力學方程如下：(2.15)(2.16)其中，為發(fā)動機輸出扭矩（ ）；是離合器的實際傳遞扭矩（ ）；是作用在離合器上的阻力矩 ( )；是發(fā)動機轉速 ( )；是離合器盤轉速（ ）；離合器傳

29、動盤的等效轉動慣量（ ）； J變速箱、差速器、輪胎及整車在離合器從動軸上的等效轉動慣量（ ）；是傳動比；主傳動比。ADVISOR仿真軟件上的離合器模型如圖 2.4 所示。該子系統(tǒng)在汽車中的作用：離合器模塊通常將速度和扭矩要求從變速器傳遞到發(fā)動機FC ；它還傳輸實際扭矩和速度，即從發(fā)動機FC到變速箱。圖2.4 ADVISOR中離合器的SIMULINK模塊實現(xiàn)2.6.2傳動模型變速器是汽車中從動力源到車輪的重要傳動部件。它通過傳動齒輪的減速和扭矩增大將動力系統(tǒng)的速度和扭矩傳遞到驅動橋，改變動力輸出的扭矩和變速范圍，從而滿足汽車的需要。不同的駕駛條件和工作條件需要。變速箱對于傳統(tǒng)汽車和并聯(lián)混合動力車

30、至關重要，而對于串聯(lián)混合動力車通常并不重要。ADVISOR 中的傳動模塊通常會與后驅 (fd)、發(fā)動機 (fc)、扭力聯(lián)軸器 (tc) 或電機 (mc) 模型交換物理量信息（例如扭矩、速度和功率）。影響變速器扭矩和速度，包括：1.通過齒輪比增加減速度和扭矩2、齒輪轉動造成的扭矩損失3. 加速慣性力矩導致扭矩損失ADVISOR仿真軟件上傳動模型的實現(xiàn)如圖2.5所示：圖2.5 ADVISOR中傳輸?shù)腟IMULINK模塊實現(xiàn)2.6.3驅動橋型號驅動橋位于動力總成的末端，其作用是最終將扭矩和速度傳遞給驅動輪。由于模型的投入產(chǎn)出關系比較簡單，公式不再列出。2.7 本章小結本章首先簡要介紹了混合動力汽車仿

31、真軟件ADVISOR的接口和功能，然后闡述了并聯(lián)式混合動力汽車動力的幾個主要組成部分的數(shù)學模型。由于混合動力系統(tǒng)本身及其部件之間的協(xié)調復雜，很難建立準確的系統(tǒng)數(shù)學模型。因此本章采用以實驗建模為主、理論建模為輔的建模方法。第三章 并聯(lián)式混合動力汽車能量管理策略設計能源管理策略是HEV技術的核心部分。 HEV之所以能做到低油耗、低排放，基本上取決于能源管理策略。能源管理策略的主要控制目標是提高車輛的燃油經(jīng)濟性，同時兼顧發(fā)動機排放、電池壽命、駕駛性能和車輛成本等方面的要求，使發(fā)動機、電機、電池和傳輸系統(tǒng)可以優(yōu)化匹配。并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略主要從以下幾個方面考慮，盡量在車輛怠速低速時關閉發(fā)動機，

32、充分利用低速高扭矩電機的特性。巡航時，首先使發(fā)動機工作在最佳高效區(qū)。如果需要額外的峰值功率，例如當汽車在斜坡上行駛或處于加速狀態(tài)時，則需要使用電機更寬的恒效功率區(qū)域來提供峰值功率。不同的控制策略有不同的針對性。例如，有些是單獨要求發(fā)動機發(fā)揮最佳性能的電助力控制策略，有些是專門制定電池能量平衡策略以保護電池組壽命的，還有一些應用目前比較火熱的研究。全局最優(yōu)控制策略、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制等智能控制方法。對于并聯(lián)式混合動力電動汽車，幾種常用的控制策略有：助力控制策略、自適應控制策略和模糊控制策略。本文采用模糊控制策略，并將仿真結果與助力控制策略進行對比。3.1 控制策略簡介3.1.1助力控制策略電輔助

33、控制策略以發(fā)動機為主要驅動源，電機為輔助驅動源。使發(fā)動機工作在高效區(qū)，電機會在發(fā)動機輸出扭矩上削峰填谷，同時將電池的充電狀態(tài)保持在內(nèi)容的工作范圍內(nèi)?？刂茍D2顯示了電池組處于不同的充電狀態(tài)，在動力輔助控制策略的作用下，發(fā)動機的工作狀態(tài)與車速有關4 。電動助力控制策略的要點具體可表示為：(1)當汽車行駛速度低于一定速度時，或所需扭矩低于發(fā)動機優(yōu)化區(qū)最小扭矩點時，電機成為單一驅動源，發(fā)動機熄火；(2)當工況所需扭矩在發(fā)動機優(yōu)化區(qū)上下限之間時，發(fā)動機單獨工作；(3)當所需扭矩超過當前轉速對應的發(fā)動機優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的最大扭矩時，發(fā)動機工作在上限水平，電機作為輔助驅動源，提供峰值扭矩，實現(xiàn)聯(lián)合驅動;(4)當電

34、池荷電狀態(tài)SOC值低于下限，且發(fā)動機能夠提供過大扭矩時，電機在發(fā)動機驅動下以發(fā)電方式運行，為電池充電；圖3.1 SOCCS_lo_SOC情況下發(fā)動機隨車速工作狀態(tài)(5)再生制動過程中，電機通過發(fā)電工作，提供制動力矩，同時將回收的能量回饋給電池組。動力輔助控制策略將發(fā)動機限制在最佳工作區(qū)域，同時確保電池的荷電狀態(tài)（SOC）值在一定范圍內(nèi)。更好地考慮充電的效率和強度，充電扭矩隨電池充電狀態(tài)的值而變化，但發(fā)動機優(yōu)化區(qū)域過大，受限于控制策略本身的要求，不可避免劃分過大的優(yōu)化區(qū)域?？刂票容^粗糙；對電池充電狀態(tài)值的控制過于嚴格，發(fā)動機也比較被動，因為受到電池狀態(tài)的限制。動力輔助控制策略的出發(fā)點是保證發(fā)動機

35、工作在更高的效率區(qū)域，電機提供剩余動力，不考慮電機的效率和發(fā)動機產(chǎn)生的機械能轉化為電能能源，并沒有充分考慮排放問題。3.1.2實時控制策略并行實時控制策略同時考慮了發(fā)動機的油耗和排放。在每個時間步，扭矩需求都按照這個規(guī)律合理分配給發(fā)動機和電機，從而優(yōu)化油耗和排放。實時控制策略是根據(jù)混合動力汽車驅動系統(tǒng)各部件的已知特性，隨時通過比較各工作模式的整體效率，實時判斷各部件的工作狀態(tài)，從而使能量在整個系統(tǒng)中流動。能量損失最小。這種控制策略可以具體表示為：1）當車速低于某一最低車速時，全部驅動力由電機提供。2）當車速大于最小車速且行駛所需扭矩小于電機最大扭矩時，根據(jù)發(fā)動機油耗率和能量當量確定功的動力源的

36、電池。3）當驅動所需扭矩大于電機的最大扭矩且小于發(fā)動機在給定轉速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時，發(fā)動機單獨提供全部驅動力。發(fā)動機是否驅動電機給電池充電取決于此時電池的SOC以及電池和電機的效率。在這種情況下，也可以用能量當量的概念來判斷。即計算發(fā)動機用來充電的那部分能量的有用能量，然后給出電池充電時發(fā)動機的等效油耗率，并與發(fā)動機不充電時的油耗率進行比較。給電池充電，選擇油耗率較低的工作模式。4）當行駛所需扭矩大于發(fā)動機在給定轉速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時，電機提供扭矩輔助。5) 減速過程中，根據(jù)減速請求部分回收制動能量。在實踐中，不可能同時優(yōu)化油耗和排放，而這種控制策略實際上是兩種情況的折衷。對于汽油發(fā)動

37、機來說，油耗和排放同時達到了很好的水平。這種情況非常罕見。引擎圖上是一小塊區(qū)域，但實際車輛操作非常復雜。為了確保僅發(fā)動機不可能在那個小區(qū)域內(nèi)運行，因此燃油經(jīng)濟性和排放都得到了最佳限制。3.1.3模糊控制策略模糊邏輯控制策略的出發(fā)點是綜合考慮發(fā)動機、電動機和電池的工作效率，使混合動力系統(tǒng)的整體效率最高。一些主要的控制規(guī)則可以具體表示為：(1)當所需功率約為當前轉速下的最佳發(fā)動機功率時，電機基本不工作。(2)當所需功率大于某個最佳功率值時，發(fā)動機工作點位于最佳工作點附近，剩余部分功率由電機提供，運行效率為電機也很高。(3)當SOC超過限值時，采取相應措施使其恢復到正常范圍。3.2 模糊控制策略設計

38、HEV的工作過程是實時的，具有不確定性和不準確性，工作過程中存在大量噪聲。 HEV的能量管理系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)。如果采用傳統(tǒng)的邏輯閾值控制策略，難以從精確的量化尺度上確定相關控制參數(shù)的取值，從而無法實現(xiàn)驅動系統(tǒng)效率的全局最優(yōu)。模糊邏輯控制策略是一種基于規(guī)則的實時控制策略。它不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，大大增加了控制自由度，魯棒性強，能很好地解決非線性復雜問題，因此更適合并聯(lián)式混合動力汽車。3.2.1設計思維模糊控制7P166-261、8P259-265 （Fuzzy Logic Control，簡稱FLC）是一種基于模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的智能控制方法。它由模糊推理生成

39、的一組規(guī)則組成，并根據(jù)專家經(jīng)驗建立模糊規(guī)則。本文設計模糊邏輯控制策略的出發(fā)點是考慮發(fā)動機的最高效率和最優(yōu)排放，控制目標為：控制發(fā)動機在高效工作區(qū)工作，避免發(fā)動機頻繁啟停；保持主電機工作在高效區(qū)，同時保持電池荷電狀態(tài)SOC在一定范圍內(nèi)，避免過度充放電造成電池損壞。3.2.2模糊轉矩控制器的設計本文采用Mamdani模糊控制方法。模糊控制器的輸入是車輛需求扭矩T_req和電池充電狀態(tài)SOC，輸出是期望的發(fā)動機扭矩T_ice。3.2.2.1 隸屬函數(shù)輸入變量隸屬函數(shù)主要根據(jù)發(fā)動機和電池的工作效率圖確定。為了簡化計算，方便車輛實時在線控制，本文采用三角隸屬函數(shù)。圖 3.3 顯示了所需的扭矩隸屬函數(shù)。當

40、扭矩需求較小時（圖中T1和T2區(qū)域），發(fā)動機工作在低效區(qū)域。從降低能耗和污染排放的角度出發(fā)，應優(yōu)先考慮電機驅動；當扭矩需求適中時（圖中T3到T7區(qū)域），發(fā)動機單獨工作；當扭矩需求較大時（圖中T8到T11區(qū)域），分兩種情況考慮：( 1)在電池SOC足夠高的前提下，發(fā)動機工作在最優(yōu)扭矩曲線上，不足的扭矩由電機提供；( 2)電池SOC低時，發(fā)動機提供全扭矩，電機不提供牽引力，小負載時由發(fā)動機為電池充電。圖3.3 圖3.3 輸入需求轉矩T_req的隸屬函數(shù)圖 3.4 顯示了電池充電狀態(tài)隸屬函數(shù)。當電池的SOC處于最佳范圍（圖中S7區(qū)域）時，電池的工作效率最高，電機既可以工作在發(fā)電狀態(tài)，也可以工作在牽引

41、狀態(tài)；當電池SOC較低時（S3S6區(qū)），應盡可能給電池充電，使其工作點轉移到高效工作區(qū)；當電池的SOC非常低時（圖中S1和S2區(qū)域），電機不再提供牽引力；反之，當電池的SOC非常高時（圖中S10和S11區(qū)域），回收制動能量時電機無法工作在發(fā)電狀態(tài)。圖3.4 圖3.4 輸入荷電狀態(tài)SOC的隸屬函數(shù)3.2.2.2 規(guī)則庫根據(jù)前面的條件，建立“IF-THEN”類型的規(guī)則庫，見下例模糊邏輯控制表3.1圖3.5 圖3.5 輸出引擎轉矩T_ice的隸屬函數(shù)從表中可以看出，第一條規(guī)則可以解釋為，當充電狀態(tài)SOC在S1區(qū)域，所需扭矩在T1區(qū)域時，輸出發(fā)動機扭矩T_ice在U7區(qū)域，說明：發(fā)動機在目標扭矩下工作

42、，多余的能量用于給電池充電。表 3.1 模糊規(guī)則所需的發(fā)動機扭矩需求扭矩T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11電水池加載電形狀狀態(tài)S1U6U6U6U5U5U4U3U3U2U1U1S2U6U6U6U6U5U5U4U3U3U2U1S3U7U6U6U6U6U5U5U4U3U3U3S4U8U6U6U6U6U5U5U5U4U3U3S5U8U7U6U6U6U6U5U5U4U4U3S6U9U7U7U6U6U6U6U5U4U4U4S7U9U8U7U6U6U6U6U5U5U4U4S8U10U9U8U7U6U6U6U6U5U5U5S9U10U9U8U7U6U6U6U6U6U6U6S10U11U10U9U

43、8U7U6U6U6U6U7U7S11U11U11U10U9U8U7U6U6U6U7U7若 Torque 為 T1，SOC 為 S1，則 Tic 為 U 6 ；若 Torque 為 T1，SOC 為 S2，則 Tic 為 U 6 ；如果 Torque 為 T1，SOC 為 S3，則 Tic 為 U 6 ；如果 Torque 為 T11，SOC 為 S11，則 Tic 為U7 ；本文對模糊控制器采用最小-最大方法進行模糊推理，最后采用加權平均法解決模糊問題。它是通過MATLAB中的M文件程序實現(xiàn)的。程序流程圖如下：輸入輸入SOC TORQUE模糊化定義隸屬函數(shù)隸屬度規(guī)則有效變量=1預置輸出隸屬度解

44、模糊輸出數(shù)據(jù)精簡的精確輸出Min-max推理YN加權平均法圖 3.6 程序流程圖3.3 整車性能仿真與實驗驗證3.3.1模擬參數(shù)和測試條件選取某型并聯(lián)混合動力汽車進行仿真和動態(tài)性能測試實驗。樣車參數(shù)配置如下：風阻系數(shù)0.28，迎風面積2.5 ；總重量1233kg（包括負載136kg）；發(fā)動機為電控汽油機，排量1L，額定功率41kw，峰值效率0.34；電機為交流感應電機，額定功率75kw，峰值效率0.92； PB電池為16V 26Ah，共25片，額定容量650Ah，高效工作范圍內(nèi)電池SOC值為0.5-0.7。本節(jié)首先對所設計的模糊控制管理模塊在NEDC循環(huán)條件下進行仿真。然后將其與不同循環(huán)路況下

45、的助力控制策略的各項指標進行比較。模擬道路采用CYC_NEDC循環(huán)（見圖3.6），總行程6.79英里，時間1184秒，最高時速74.56英里/小時。橫坐標是行駛時間，縱坐標是行駛速度。在整個循環(huán)路況下，總共有13個站點，800 s后速度明顯增加，大于40英里/小時。圖3.6 圖3.6 新歐洲循環(huán)路況3.3.2ADVISOR中模糊控制器的實現(xiàn)由于ADVISOR軟件是開源的，本文對原模塊進行二次開發(fā)，使軟件自帶的成熟模塊無需我們重新編寫即可使用。我們在圖 3.7 所示的原 ADVISOR 并聯(lián)混合動力汽車頂層模塊的基礎上進行了修改，將原圖中的控制器模塊替換為模糊控制器模塊。將準備好的my_fuzz

46、y.m文件導入MATLAB Function模塊，實現(xiàn)模糊控制。其中，圖 3.8 中的 input Scaling 和 output scaling 是控制器中輸入和輸出對應的縮放變換。圖3.7 圖3.7 整車仿真的頂層模塊圖 3.8 模糊控制器 SIMULINK 仿真的實現(xiàn)3.3.3仿真結果與分析在ADVISOR2002仿真平臺上進行仿真研究，仿真結果如下：圖 3.9 顯示了電池充電狀態(tài) SOC 在整個循環(huán)過程中的過渡曲線。 SOC曲線變化平穩(wěn)，初始值約為0.7，最終SOC值約為0.61，波動幅度為0.075，基本實現(xiàn)了充放電平衡。在0s-700s期間，由于汽車低速，電機參與提供扭矩，所以充

47、電狀態(tài)圖 3.9 電池荷電狀態(tài) SOC 值曲線狀態(tài) SOC 值繼續(xù)下降。 700s后，發(fā)動機工作在最佳區(qū)域，電池充電。因此，SOC值基本保持在一定范圍內(nèi)，變化不大。圖 3.10 顯示了整個循環(huán)路況中污染物（HC、CO、NOx、PM 等）的排放。一般來說，汽車啟動時污染物排放量還是比較大的。但汽車完全啟動后，污染物排放明顯減少。 800年代后，由于汽車速度的迅速提高，污染物排放量也隨之增加。圖3.10 圖3.10 污染物排放變化曲線圖圖3.11 發(fā)動機輸出轉矩變化曲線由圖 3.12 可以看出，電機轉矩隨驅動條件的正負變化而變化，電機起到輔助動力和能量回收的作用。在循環(huán)條件的 100 到 800

48、秒期間，電機輸出扭矩隨著負載的減小而逐漸減小。發(fā)動機負責大部分負載扭矩。電機僅在急加速或回收制動能量時工作。圖3.12 圖3.12 電機輸出轉矩變化曲線圖圖3.13 發(fā)動機工作點分布圖從圖3.13可以看出，在模糊邏輯控制下，發(fā)動機的工作點非常集中，發(fā)動機的波動很小，有利于提高發(fā)動機的效率。3.3.4模糊控制策略與電力輔助控制策略的比較將模糊邏輯控制策略嵌入ADVISOR模塊后，可以比較其控制效果。選擇相同的混合動力車輛參數(shù)配置（如表2所示），并與不同道路循環(huán)下的動力輔助控制策略進行比較。各種性能比較的結果如表 3.2 所示。表中，模糊邏輯控制用FLC表示，電力輔助控制用EAC表示。表 3.2

49、模糊控制策略與助力控制策略仿真性能對比自行車交通控制策略HC（克/微笑）一氧化碳（克/微笑）氮氧化物（克/微笑）SOC變化值馬達/控制器效率百公里油耗（升）UDDSFLC0.4852.1740.3410.070.685.97選管會0.5232.3510.4020.080.345.98NEDCFLC0.5592.5210.2830.080.595.68選管會0.5572.8780.320.0850.366.05US06FLC0.4713.5950.4830.090.846.79選管會0.5447.840.4960.0910.706.92FLC模糊控制策略 EAC電輔助控制策略從荷電狀態(tài)的SOC變

50、化范圍來看，模糊控制策略下的SOC變化范圍在循環(huán)條件下較小，可以延長電池的使用壽命；在發(fā)動機效率方面，模糊控制下的發(fā)動機效率明顯高于動力輔助控制策略下的發(fā)動機效率；在百公里油耗方面，油耗明顯降低，燃油經(jīng)濟性提高；在污染物排放方面，模糊控制策略各指標的排放均小于動力輔助控制策略的相應指標?？梢姡：刂撇呗源_實可以兼顧發(fā)動機效率和排放，模糊控制可以很好地實現(xiàn)混合動力汽車的性能優(yōu)化。3.4 本章小結本章首先簡要介紹了并聯(lián)式混合動力汽車中常用的幾種具有代表性的控制策略，然后對這些控制策略進行了較為詳細的研究和比較，分析了這些控制策略的優(yōu)缺點。在上述工作的基礎上，設計了模糊控制器來控制混合動力汽車的能

51、量分布，使發(fā)動機工作在高效區(qū)，電池的荷電狀態(tài)（SOC）保持在一定范圍內(nèi)。范圍。最后，在不同的循環(huán)工況（文中NEDC新歐洲循環(huán)路況）上模擬了模糊控制管理策略，并將實驗結果與動力輔助控制管理策略進行了對比。仿真結果表明，模糊邏輯的應用有利于提高發(fā)動機、電池和電動機的整體工作效率，也有助于改善排放性能。并且模糊控制策略在各方面都優(yōu)于動力輔助控制策略。第 4 章 再生制動過程中的能量控制策略并聯(lián)混合能量控制系統(tǒng)除了驅動能量控制部分外，再生制動能量的控制也是一個重要部分。以上僅涉及行駛過程中各部件之間的能量分配，不涉及制動過程中電機再生制動與摩擦制動力之間的分配，有利于車輛的制動安全和車輛能量利用效率的

52、提高。整車。非常重要。4.1 再生制動的影響因素在制動過程中，希望最大程度的回收能量，但實際上并不是所有的制動能量都可以回收，只有驅動輪的制動能量可以沿著連接的傳動軸傳遞給儲能系統(tǒng)給它。綜合來看，影響混合動力汽車再生制動的主要因素包括以下幾個方面：(1) 電機。電機是影響再生制動的主要因素之一。電機的制動能力越強，當再生制動和摩擦制動的比例關系分布時，再生制動的比例可以增加，從而增加恢復時間。再生制動能量。(2) 鎳氫電池。能否快速吸收電機產(chǎn)生的全部電能，是再生制動系統(tǒng)研究和設計中最重要、最緊迫的問題之一。(3)控制策略。控制策略決定回收多少再生制動能量。控制策略指定與再生制動和摩擦制動成比例

53、的前輪和后輪制動力。(4)使用環(huán)境。并聯(lián)式混合動力汽車的行駛環(huán)境包括路況和車輛的當前狀態(tài)。4.2 混合動力汽車再生制動分配混合動力汽車等比例制動力分配控制策略是在傳統(tǒng)汽車等比例制動力分配控制策略的基礎上發(fā)展起來的。(4.1)式中： 前輪制動力（N）；- 后輪制動力（N）；總制動力（N）；- 制動力分配系數(shù)。對于前輪驅動混合動力汽車，本文采用理想的制動力分配。分配前后橋的制動力后，重新分配前后橋的再生和摩擦制動。其制動力分布示意圖 9,10 如圖4.1所示?？傊苿恿傊苿恿η拜喼苿恿筝喼苿恿υ偕苿忧拜喣Σ林苿恿η拜喣Σ林苿恿Τ醮畏峙涠畏峙鋱D 4.1 制動力分布示意圖因此，引入再生制動力分配

54、系數(shù)，其大小定義為：( 4.2 )式中： 前輪處電機制動力矩產(chǎn)生的制動力，即再生制動力（N）。因此，混合動力汽車各制動力的分配關系：(4.3)式中： 前輪摩擦制動力（N）；- 后輪摩擦制動力（N）；- 制動力。4.3 混合動力汽車再生制動控制策略混合動力汽車的車輛制動力由摩擦制動力和電動機再生制動力組成。對于前輪驅動的車輛，后輪始終是摩擦制動的，因此前輪制動力可以由前輪再生制動力加上摩擦制動力提供。為了最大限度地回收制動能量，應盡可能使用再生制動。當所需制動力超過電機所能提供的最大再生制動力時，多余的制動力由摩擦制動提供。在制定再生制動控制策略時，應根據(jù)電池SOC值考慮車輛制動的安全性。 10

55、 。(1)踩下制動踏板時，首先判斷蓄電池的SOC值。如果SOC大于0.8，則采用傳統(tǒng)的摩擦制動，前后輪制動均采用摩擦制動。若SOC0.8，進行電機再生制動。(2) 制動強度z可由制動踏板的位移計算得出A、當制動強度z0.1時，為了盡可能多地回收制動能量，此時后輪沒有制動力，全車制動力由前輪再生制動力提供。B、當制動強度為0.1 z 0.8NOYESZ0.7Z0.10.1Z0.7圖 4.2 再生制動控制邏輯再生制動控制策略在 ADVISOR 中實現(xiàn)，如圖 4.3 所示。圖 4.3 再生制動控制策略為了驗證再生制動控制策略的可行性，電池的SOC初始值為0.5。仿真結果如下圖所示。與初始SOC值為0

56、.7的工況相比，電機荷電狀態(tài)的SOC值太小，無法為驅動提供額外的扭矩。因此，發(fā)動機更多地處于工作狀態(tài)，而電機更多地處于發(fā)電狀態(tài)。整個模擬過程中電池的整體SOC值呈上升趨勢。電機產(chǎn)生的能量主要來自兩個方面，一是發(fā)動機的余力（利用發(fā)動機的余力可以提高發(fā)動機的效率），二是再生制動能量的回收。在整個運行周期結束時，SOC值變?yōu)?.54，增加了0.04。圖 4.4 循環(huán)條件下的 SOC 轉變范圍圖 4.5 發(fā)動機輸出扭矩變化曲線圖 4.6 電機輸出轉矩變化曲線觀察電機輸出轉矩在整個循環(huán)工況下的變化曲線，相對于荷電狀態(tài)SOC初始值為0.7的工況，轉矩輸出存在較大差異，電機輸出轉矩存在較大差異。基本上是負面

57、的。因此，電機一直處于充電狀態(tài)，進而對電池進行充電，增加充電狀態(tài)SOC的值。4.4 本章小結本章僅簡單介紹了混合動力汽車的再生制動力分配，也簡要了解了再生制動控制策略。雖然本文的設計重點主要是驅動能量控制，但作為完全并聯(lián)混合動力控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，再生制動能量控制的設計也是必不可少的。總結受限于汽油短缺和電池技術不成熟，混合動力汽車結合了傳統(tǒng)燃氣發(fā)動機汽車和純電動汽車的優(yōu)點，可以在短期內(nèi)有效減少污染物排放，提高燃油經(jīng)濟性。因此，它是解決當前能源危機和應對環(huán)境問題的最佳途徑?；旌蟿恿ζ囀且粋€綜合了電氣、機械、化學和熱力學的復雜系統(tǒng)。如何實現(xiàn)發(fā)動機和電機兩種動力源的高效協(xié)調，是混合動力汽車驅動系統(tǒng)設計的關鍵。本文結合廣大學者的研究成果，進行