车辆工程硕士论文-并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略的研究.pdf

论文分类号论文分类号 u469.7 单单 位位 代代 码码 1 0 1 8 3 密密 级级 公公 开开 研究生学号研究生学号 2004422066 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略的研究 study on fuzzy logic control strategy of parallel hybrid electric vehicle 专专 业：车辆工程业：车辆工程 导师姓名导师姓名 及及 职职 学位类别：工学硕士 论文起止年月： 学位类别：工学硕士 论文起止年月：2005 年年 09 月至月至 2007 年年 04 月月 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导 教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿声明 研究生院： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程的内容， 愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子 杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿，希望中国 优秀博硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博硕士 学位论文评价数据库和 cnki 系列数据库中使用，同意按章程规定 享受相关权益。 论文级别：硕士 博士 学科专业： 车辆工程 论文题目： 并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略的研究 作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 作者联系地址（邮编） ： 吉林大学南岭校区汽车学院研究生 2004-3 班（130025） 作者联系电话作者姓名 作者姓名 明 绍 民 论文分类号 论文分类号 u469.7 保密级别 保密级别 公 开 研究生学号 研究生学号 2004422066 学位类别 学位类别 硕 士 授予学位单位授予学位单位吉 林 大 学 专业名称 专业名称 车辆工程 培养单位 培养单位 （院、 所、 中心）院、 所、 中心） 汽车工程学院 研究方向 研究方向 汽车地面系统分析 与控制 学习时间 学习时间 2005年9月 至2007年6月 论文中文题目论文中文题目并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略的研究 论文英文题目论文英文题目 study on fuzzy logic control strategy of parallel hybrid electric vehicle 关键词(3-8 个关键词(3-8 个) )混合动力 控制策略 模糊逻辑 燃油经济性 姓 名 姓 名 初 亮 职称 职称 教 授 导师情 况 导师情 况 学历学位 学历学位 博 士 工作单 位 工作单 位 吉林大学 论文提交日 期 论文提交日 期 2007 年 月 日 2007 年 月 日 答辩日 期 答辩日 期 2007 年 月 日 2007 年 月 日 是否基金资 助项目 是否基金资 助项目 否 基金类别基金类别 及编号 及编号 如已经出版，请填写以下内容 如已经出版，请填写以下内容 出版地（城 市名、 省名） 出版地（城 市名、 省名） 出版者（机构）名称 出版者（机构）名称 出版日期 出版日期 出版者地址 （包括邮编）出版者地址 （包括邮编） 提 要 提 要 混合动力汽车是指具有两种或两种以上动力装置提供驱动力的汽车， 根据 要求可以单独或联合驱动整车。 与传统汽车相比， 混合动力汽车可以通过合理 的匹配和优化控制而获得良好的燃油经济性能和排放性能。 控制策略的技术研究是混合动力汽车技术开发的核心之一，也是目前混 合动力汽车设计与研究的关键所在。 混合动力汽车中的控制策略规定了需求扭 矩在内燃机和电机之间的分配， 决定了两者的工作点， 在动力性、 燃油经济性、 排放性能等各方面都有很大的影响。 目前出现的控制策略各式各样，由于混合动力驱动系统的复杂性，建立 被控对象的精确数学模型非常困难，传统控制策略在这些方面显得力不从心， 而模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型， 主要依据工程经验来制定控制 规则， 并且模糊算法在计算上也不是特别复杂， 模糊控制策略显示出了良好的 控制品质和应用前景。 本文针对目前出现的并联混合动力汽车控制目标作详细的归类和介绍， 在利用逻辑门限值控制策略仿真分析的前提下，制定基于模糊逻辑的控制策 略，用以保证发动机和电机的最佳扭矩分配，实现系统的总体效率最高，提高 整车燃油经济性和排放性能。通过仿真比较证明模糊逻辑控制策略的优秀品 质。 为了验证所提出的模糊逻辑控制策略优越性能，本文通过仿真的手段对 目前普遍应用到实际产品中的逻辑门限值控制策略和文中设计的模糊逻辑控 制策略作详细的探讨研究。 关键词：关键词：混合动力 控制策略 逻辑门限 模糊逻辑 燃油经济性 目 录 目目 录录 第一章 绪论.1 1.1 并联混合动力汽车概述 .1 1.1.1 选择研究并联混合动力汽车的原因 1 1.1.2 并联混合动力汽车概况 2 1.1.3 并联混合动力汽车控制策略的重要性 3 1.2 并联混合动力汽车控制目标概述 .4 1.2.1 同时调节发动机工作点和电池soc值.4 1.2.2 限制发动机工作区间调节电池soc值.5 1.2.3 限制电池soc值调节发动机工作点.5 1.2.4 同时限制发动机工作区间和电池soc值.6 1.3 并联混合动力汽车控制策略研究现状 .6 1.3.1 逻辑门限值控制策略 7 1.3.2 模糊逻辑控制策略 7 1.3.3 自适应控制策略 .7 1.3.4 基于神经网络的控制策略 .8 1.4 本文研究的主要内容.8 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 10 2.1 并联混合动力汽车控制目标总体设计.10 2.2 同时调节发动机工作点和电池soc值.13 2.2.1 发动机开关控制子系统 13 2.2.2 扭矩输出控制子系统 14 2.3 限制发动机工作区间调节电池soc值.16 2.3.1 发动机开关控制子系统 .16 2.3.2 扭矩输出控制子系统 .17 2.4 限制电池soc值调节发动机工作点.19 2.4.1 发动机开关控制子系统 19 2.4.2 扭矩输出控制子系统 20 2.5 同时限制发动机工作区间和电池soc值.21 2.5.1 发动机开关控制子系统 22 2.5.2 扭矩输出控制子系统 22 2.6 本章小结.25 第三章 并联混合动力汽车逻辑门限值控制策略仿真分析26 3.1 混合动力汽车各部件选型及参数选择 .26 3.1.1 并联混合动力轿车参数选择 27 3.1.2 并联混合动力客车参数选择 29 3.2 逻辑门限值控制策略仿真模型的建立 .30 i 吉林大学硕士学位论文 3.2.1 并联混合动力汽车运行工况分析 30 3.2.2 逻辑门限值控制策略仿真模型建立 32 3.3 逻辑门限值控制策略参数选择 .34 3.4 并联混合动力汽车逻辑门限值控制策略仿真分析 .36 3.4.1 并联混合动力轿车仿真分析 37 3.4.2 并联混合动力客车仿真分析 43 3.5 本章小结 .49 第四章 并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略设计及仿真分析50 4.1 模糊逻辑控制策略简介 .50 4.1.1 模糊控制理论简介 50 4.1.2 模糊控制系统的结构 51 4.1.3 模糊控制器的构成 52 4.2 并联混合动力汽车模糊逻辑控制系统设计.54 4.2.1 并联混合动力汽车控制目标 54 4.2.2 并联混合动力汽车控制原理 54 4.2.3 并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略结构设计 .55 4.3 并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略仿真分析.63 4.3.1 并联混合动力轿车仿真分析 63 4.3.2 并联混合动力客车仿真分析 69 4.4 本章小结 .74 第五章 并联混合动力汽车控制策略仿真分析比较 75 5.1 并联混合动力汽车控制策略分析比较概述 .75 5.2 并联混合动力汽车控制策略可行性分析 .76 5.3 并联混合动力汽车控制策略仿真结果比较 .78 5.3.1 工作点分布情况比较 78 5.3.2 燃油经济性比较 81 5.3.3 排放性能比较 83 5.4 并联混合动力汽车变工况下仿真结果比较.84 5.5 本章小结 .87 第六章 全文总结和展望.88 6.1 全文总结 .88 6.2 下一步工作的展望 .89 参考文献.90 摘 要. i abstractiii 致 谢v ii 第一章 绪论 第一章第一章 绪论绪论 在当今社会汽车已成为人们必不可少的交通工具，汽车工业已成为一个 国家现代化水平的重要标志之一。 汽车虽然给人类带来方便， 但也给全球环境 带来巨大的灾害，据统计，全球 42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放， 80%的城市噪声是由交通车辆造成的1。面对日趋严重的能源短缺与环境恶化 问题， 寻求社会经济与资源环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成 为世界性潮流2。为了适应这一形势的要求，世界各国政府和大的汽车公司均 在开发新型清洁动力汽车。 混合动力汽车（hev, hybrid electric vehicle）是清洁汽车中最具有产业化 和市场化前景的车型，它采用发动机、电机和电池作为混合动力总成，既能体 现电动车辆节约能源和超低排放的优点， 又弥补了电动车辆续驶里程不足的缺 陷3。国内由于混合动力电动汽车的起步较晚，对混合动力汽车控制策略的研 究大多处于理论阶段4，在应用方面可以说刚刚起步，尚未实现产品化和产业 化， 与国外混合动力汽车控制方面的技术水平有相当大的差距。 因此我国应大 力提高混合动力汽车关键技术的自主研发能力， 尤其是对控制策略的自主研发 能力，以加快我国混合动力汽车的产业化进程5。 1.1 并联混合动力汽车概述并联混合动力汽车概述 混合动力汽车是电机、发动机和储能装置灵活结合的产物，其分类方式 各式各样， 传统意义来讲按驱动系统布置结构对混合动力汽车分类为串联、 并 联和混联三类6。同样的，针对混合动力汽车的控制策略也千差万别，传统意 义来讲也可以分成电辅助控制策略、 全局优化控制策略和智能控制策略等不同 的控制策略7。 在研究阶段选择合适的混合动力车型和控制策略对以后的发展 有至关重要的影响力。 1.1.1 选择研究并联混合动力汽车的原因 传统意义来讲，根据混合动力汽车驱动系统控制结构的不同可以分为： 1 吉林大学硕士学位论文 串联混合动力汽车、并联混合动力汽车和混联混合动力汽车。 串联混合动力总成的主要结构特点是发动机和发电机给电池充电，由电 动机驱动汽车行驶，能量需要由动能-电能-动能的转换，导致了能量损耗8-13。 另外， 串联式混合动力汽车驱动系统规模比较庞大， 总体布置困难并使成本增 加， 该结构多适用于大型车辆， 我国东风电动车辆有限公司在串联混合动力汽 车的研究中取得很好的效果。混联型混合动力汽车动力源主要元件为发动机、 电动机、发电机、电池组和功率分配装置（行星齿轮装置） 。该系统结构复杂， 布置困难，但能够综合串并联混合动力汽车的优点，使整车性能达到最优，最 具有代表性的为丰田公司的prius14。 并联混合动力总成的主要结构特点是发动机和电动机根据路况扭矩需求 的不同， 同时或单独驱动动力传动系。 并联式混合动力汽车可选功率相对较小 的发动机，可以在传统底盘上进行改造，布置相对容易，成本也较低，最具有 现实可行性。福特公司推出的escape15就是此种结构。 不同的结构有着不同的优缺点，适合于不同的车型。综合国内外发展状 况和技术要求，本文选择的研究对象为并联混合动力汽车。 1.1.2 并联混合动力汽车概况 并联式混合动力汽车 （parallel hybrid electric vehicle） 是指具有两个或以 上的驱动系统，动力组合为并联方式的混合动力汽车，其动力源主要部件为： 发动机、电机、电池组和扭矩耦合装置，结构如图 1-1 所示。 图 1-1 并联混合动力总成基本结构及布置方案简图 2 第一章 绪论 并联混合动力总成的主要结构特点是发动机和电机根据路况扭矩需求的 不同，同时或单独驱动。例如在起动工况下可由电机牵引整车启动，加速状态 下则由发动机和电机联合驱动整车运行。 并联式混合动力驱动系统加入了电机 和电池， 结构变得复杂， 需要一套严密的控制策略和复杂的控制系统来保证各 动力元件工作在最佳效率点，提高整车的排放性能和燃油经济性能。 1.1.3 并联混合动力汽车控制策略的重要性 并联混合动力汽车控制策略需要解决的主要问题就是如何实现需求转矩 在发动机和电机之间的最优分配， 具体来讲就是控制策略接收踏板信号和各传 感器信号， 通过一定的控制规则给发动机和电机分配扭矩， 规定发动机和电机 的工作点， 满足动力性能的要求下提高燃油经济性和降低排放， 并联混合动力 汽车控制系统结构简图如 1-2 所示16： 图 1-2 并联混合动力汽车控制系统示意图 并联混合动力汽车控制策略要在发动机和电机之间合理的分配需求扭 矩， 规定发动机和电机的工作状态和工作点， 使整车燃油经济性和排放性能达 到最佳。 并联混合动力汽车各动力总成参数确定下来之后， 控制策略的制定是 决定汽车油耗和排放的关键所在，另外控制策略也是自主知识产权的重要标 3 吉林大学硕士学位论文 志， 控制策略的开发与研究在混合动力汽车发展过程中至关重要。 控制策略中 关键部分就是控制目标和控制目标实现的手段，控制目标就是控制策略的意 图， 手段则是目前所说的控制策略。 本文主要针对不同的目标和控制手段进行 详细的分析介绍，从而为并联混合动力汽车建立合适的控制策略。 1.2 并联混合动力汽车控制目标概述并联混合动力汽车控制目标概述 混合动力汽车控制目标即为设计开发混合动力汽车控制策略的指导思 想， 是控制策略的灵魂所在。 目前越来越多的研究人员投身到混合动力汽车控 制策略的研究当中， 混合动力汽车控制策略形式纷繁复杂， 但是从并联混合动 力汽车控制目标来看主要可归结为以下四种情况： 同时调节发动机工作点和电 池 soc 值、限制发动机工作区间调节电池 soc 值、限制电池 soc 值调节发 动机工作点和同时限制发动机工作区间和电池 soc 值，下面对这四种控制目 标作简要的介绍。 1.2.1 同时调节发动机工作点和电池 soc 值 同时调节发动机和电池工作区间就是要发动机工作围绕最高效率曲线 (engine peak efficience line)上下波动， 同时调节电池 soc 保持在最优值(desired battery soc)附近，除特殊情况下发动机工作点和电池 soc 值不能在高效率区 以外工作，工作点如图 1-3 所示。发动机的输出扭矩同时满足电池充放电的需 求扭矩和传动轴的需求扭矩， 当传动轴需求扭矩较小时可以关闭发动机而单独 由电机驱动。 图 1-3 同时调节发动机工作点和电池 soc 值控制目标示意图 4 第一章 绪论 1.2.2 限制发动机工作区间调节电池 soc 值 限制发动机工作区间就是通过设定发动机的最大扭矩限值temax、最小扭 矩限值temin和最低转速限值nele，使发动机工作在高效率区；同时设定电池电 量状态的上下限值sochi和soclo和电池平均荷电状态soco，电池在工作时围 绕此soco值上下波动，工作点如图 1-4 所示。发动机尽量维持在原工作状态， 输出的扭矩需要满足传动轴的需求和电池充放电的需求。 图 1-4 限制发动机工作区间调节电池 soc 值控制目标示意图 1.2.3 限制电池 soc 值调节发动机工作点 限制电池工作空间并调节发动机工作点就是通过设定发动机的最大扭矩 限值temax、最小扭矩限值temin、最低转速限值nele和发动机平均工作点teo，发 动机工作点围绕其效率最高曲线波动；同时设定电池电量状态的上下限值 sochi和soclo，使电池工作在此效率区间，工作点如图 1-5 所示。通过控制策 略限制发动机的工作区间围绕teo(n)分布，当发动机工作在低效率区间时关闭 发动机，当传动系扭矩需求大时则有电机和发动机共同驱动传动系。 5 吉林大学硕士学位论文 图 1-5 限制电池 soc 值调节发动机工作点控制目标示意图 1.2.4 同时限制发动机工作区间和电池 soc 值 同时限制发动机和电池工作区间就是通过设定发动机的最大扭矩限值 temax(n)、最小扭矩限值temin(n)、最低转速限值nele，使发动机工作点分布在高 效率区间；同时设定电池电量状态的上下限值sochi和soclo，使电池工作在此 高效率区间，如图 1-6 所示。发动机和电机单独或联合驱动传动系，主要目的 就是最大限度的保证发动机和电机工作在原状态的条件下， 保证发动机工作在 高效率区间， 同时提高电池组充、 放电效率， 从而提高整个动力系统的经济性。 图 1-6 同时限制发动机工作点和电池 soc 值控制目标示意图 1.3 并联混合动力汽车控制策略研究现状并联混合动力汽车控制策略研究现状 近年来，由于混合动力汽车的快速发展，越来越多的研究人员投入到其 6 第一章 绪论 控制策略的研究中来， 不断有新的控制方法被提出， 使得混合动力汽车控制策 略的种类变得纷繁复杂， 但总体上可以归纳成为逻辑门限值控制策略、 模糊逻 辑控制策略、自适应控制策略和神经网络控制策略17，下面分别对这几种控 制策略作简要的介绍。 1.3.1 逻辑门限值控制策略 逻辑门限值控制策略也被称为简单的基于规则的控制策略，其基本思想 是优先保证发动机在较高效率区间内工作， 在该区间以外 （当发动机转矩或转 速较小时） 利用电机替代发动机工作， 而电机的能量来源是回收部分制动能量 和发动机发电为电池充电18。基于规则的控制策略是一种简单易行、应用广 泛的混合动力汽车控制策略， 也是目前主要应用到混合动力汽车实车控制中的 控制策略19。 1.3.2 模糊逻辑控制策略 从本质上说，模糊逻辑控制策略也是一种基于规则的控制策略。两种控 制策略的控制目标大致相同， 主要区别是各种门限值的表示方式， 逻辑门限值 控制策略是基于布尔逻辑，用精确值描述控制规则，后者是基于模糊逻辑，用 模糊值描述控制规则， 门限值的模糊化更能反映各种控制模式之间存在过渡区 这一客观事实20。由于模糊控制方法本身具有良好的控制品质，其在混合动 力汽车领域的应用日益受到人们的重视。 近年来发表的研究成果较多， 其中多 数应用了基本的模糊控制理论， 也有些文献进行了更深入的研究， 模糊逻辑在 混合动力汽车控制策略中应用具有光明的前景21。 1.3.3 自适应控制策略 自适应控制是一种具有一定适应能力的控制方法，它能够认识环境条件 的变化，并自动校正控制动作，以达到最优或接近最优的控制效果。对于混合 动力汽车来讲，动态自适应控制，就是根据发动机的经济性和排放运行要求， 利用最优控制原理， 考虑发动机的燃油经济性和各排放物的特点， 建立相应的 目标函数，并使目标函数值最小来实现燃油消耗和各排放物都较小的目标22。 动态自适应控制要实时采集大量的发动机运行数据，并计算发动机的最 佳油耗点和最优排放点， 并在运行中实时跟踪两点数值得变化。 优化过程复杂， 7 吉林大学硕士学位论文 计算量大，这对实时性要求高的汽车控制系统不利23，并使控制系统的软件 和硬件都过于复杂。这些阻碍了自适应控制策略应用到实车控制中的发展。 1.3.4 基于神经网络的控制策略 一些文献基于混合动力汽车控制的非线性特征，提出将神经网络技术应 用于这一领域的方法，但是，鉴于神经网络固有的外推情况下的不确定性，这 种控制在混合动力汽车上的实际效果尚有待检验24。 严格意义来讲，以上四种应叫做控制目标实现的手段，控制目标和其控 制手段的结合才叫做一个完整的控制策略， 现在研究过程中大都把这两大类放 在一起进行讨论， 因此对控制策略的分类比较混乱， 本文中特别指明控制目标 和其实现手段的不同，以便对控制策略更详尽、明朗的分析研究。 1.4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本文的研究，是在分析现有大量混合动力汽车控制策略的前提下，总结 出混合动力汽车控制策略的目标和控制策略的形式， 利用逻辑门限值控制策略 和模糊逻辑控制策略实现并联混合动力汽车控制系统，并进行仿真比较分析。 本文的主要研究内容包括： 1详细分析并联混合动力汽车控制策略研究的重要地位，提出控制目标 的概念， 从控制目标的角度把现有并联混合动力汽车控制策略归类说明， 同时 把目前出现的控制目标实现的形式进行简要的介绍。 2对于总结出的并联混合动力汽车控制目标，列出数据流程图，为并联 混合动力汽车逻辑门限值和模糊逻辑控制策略的建立和仿真分析奠定基础。 3基于规则的逻辑门限控制策略分析。控制策略是一个涉及复杂问题决 策和非线性时变系统控制的复杂问题， 由于混合动力系统自身及其各部件之间 的协调工作极其复杂，建立系统的精确数学模型非常困难，因此，基于规则仍 是目前控制策略设计的主要方法。本文着眼于两大动力能源效率，以发动机、 电池的工作效率为依据， 深入分析了目前并联式混合动力汽车逻辑门限值控制 策略及其设计方法，对以上各控制目标进行仿真分析 4模糊逻辑在混合动力汽车控制策略中的应用研究。模糊逻辑控制策略 也是基于规则的， 更确切的来讲是基于模仿人的经验和决策行为的， 而不是基 8 第一章 绪论 于系统的精确数学模型。 模糊逻辑控制在工程领域得到了广泛的应用， 与经典 逻辑相比， 模糊逻辑更接近人的思维方式和自然语言表述形式。 本文在逻辑门 限控制策略的基础上， 应用模糊逻辑技术， 设计了并联混合动力汽车的模糊逻 辑控制策略，并且对仿真结果作详细分析。 5 目前混合动力汽车控制策略应用前景最广阔的应当是基于规则的逻辑 门限值控制策略和模糊逻辑控制策略， 为了给混合动力汽车控制策略的研究指 明方向。 控制策略不仅要对仿真结果比较分析， 也要进行可行性等方面的分析 比较， 本文给出了不同的控制目标下比较模糊逻辑控制策略和逻辑门限值的控 制策略的仿真结果的同时， 根据现有的研究状态从不同控制策略的可行性、 适 应工况变化能力等辅助条件综合比较，总结出研究模糊逻辑控制策略的必要 性。 9 吉林大学硕士学位论文 第二章第二章 并联混合动力汽车控制目标研究并联混合动力汽车控制目标研究 混合动力汽车与传统车辆相比最大的不同就是动力源的增加，这就导致 了混合动力汽车中能量流动的多样性。 混合动力汽车的控制目标就是解决汽车 行驶时所需要的能量和功率何时和如何由车上各种不同的动力总成来提供的 能量管理问题。 控制目标的制定是混合动力汽车控制策略制定的关键部分， 因 为其直接决定着能量在车辆内部的流动， 影响车辆的动力性、 经济性和排放指 标。 本章对控制目标做详细的介绍， 为逻辑门限值和模糊控制策略的仿真研究 分析作好铺垫。 2.1 并联混合动力汽车控制目标总体设计并联混合动力汽车控制目标总体设计 控制目标主要是为了反映驾驶员的意图，即输出驱动或制动扭矩，并根 据路况信息、车辆运行状态，电池电机发动机状态来决定扭矩分配。对于并联 混合动力汽车，具体要求如下25： 1、将踏板开度信号转换为混合动力总成的扭矩输出要求。确定踏板开度 与扭矩输出要求的关系； 在制动工况还要确定再生制动扭矩与机械制动扭矩的 分配比例关系以及前后轮制动力矩的分配比例关系。 2、确定发动机的工作状态。根据工况要求和发动机工作区间效率，以发 动机工作在高效率区间为目标，确定发动机工作状态。 3、确定发动机和电机之间的扭矩分配。根据工况要求、发动机工作状态 和电池组荷电状态， 调节发动机在高效率区间运行， 从而确定发动机的输出扭 矩；根据工况要求和发动机扭矩输出，在保证电池 soc 值维持在规定范围内 的前提下，确定电机的扭矩输出。 根据要求控制目标可分为三个子系统26：扭矩分配控制子系统、发动机 开关控制子系统和扭矩输出控制子系统。 整个系统的作用就是根据加速踏板和 制动踏板信号计算所需输出扭矩， 把结果传输到各子系统中并且根据车速和电 池荷电状态来确定发动机和电机的工作状态，可用如下图型表示： 10 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 发 动 机 开 、 关 控 制 子 系 统 lald 扭 矩 分 配 控 制 子 系 统 扭 矩 输 出 控 制 子 系 统 发 动 机 开 关 控 制 子 系 统 soc n t engine_on cl_state f t eout t m l e l 图 2-1 并联式混合动力汽车控制策略流程图 其中： la加速踏板位置信号，代表牵引扭矩需求（0la1） ； ld制动踏板位置信号，代表制动扭矩需求（0ld1） ； t 驱动系统扭矩输出命令，nm； tf机械制动系统扭矩输出命令，nm； soc电池荷电状态，由电池控制单元提供； n转速，由速度传感器提供，rpm； teout根据控制算法计算出的发动机输出扭矩，nm； lm电机扭矩输出控制命令， 发送给电机控制单元， 当lm0 时代表电机处在电动机状态。 ； le发动机扭矩输出命令，发送给发动机控制单元。 engine_on-布尔运算:1=发动机开、0=发动机关； clutch_on布尔运算：1=离合器结合、0=离合器分开。 由上图可知，当加速踏板或制动踏板位置信号传输到主控制器中时，扭 矩分配控制子系统便计算出传动轴或制动器的扭矩需求， 发动机开关子系统决 定发动机的开/关状态，扭矩输出控制子系统便根据电池荷电状态、转速和扭 矩需求来计算出发动机和电机的输出扭矩。 计算而得到的控制命令被发送到发 动机、电机等各传动系部件控制单元中以满足各工况需求。 扭矩分配控制子系统接收加速踏板和制动踏板信号确定牵引力和制动 力，在控制策略中实现的目的和手段都是相同的。在需求动力驱动情况下，根 据加速踏板位置信号用下面式子计算需求扭矩： 11 吉林大学硕士学位论文 t=la*tamax=la*(temax+tmax_mot)2.1 根据制动踏板位置信号用下面式子计算制动扭矩： td=ld*tdmax=ld*(tfmax+trmax)2.2 假设前轮作为驱动轮， 作用在前轮上的制动扭矩包括回收制动能的扭矩和 机械制动器提供的扭矩。 回收制动能因数表示回收制动扭矩在整个制动扭矩 的比例27，在算法中为一固定值，表示如下： =tgf /tfront =tgf / (tgf+tff)2.3 其中: tfront 作用在前轮的总制动扭矩，nm; tgf 作用在前轮上的回收制动能扭矩，nm; tff 作用在前轮上的机械制动能扭矩，nm 。 制动扭矩分配系数， 表示前轮制动扭矩在整个制动扭矩的比例， 根据前 后制动器制动力的分配比例系数的定义28，可得： =ffront/(ffront+frear)=tfront/(tfront+trear) 2.4 因此各零部件提供的制动扭矩可表示为：tfront=*td ；trear=(1-)td ； tgf=tfront ；tff=(1-)tfront ；tgf=td；tff=(1-)td 。判断方式如图 2-2 所示： a l d l dmaxdd t*lt = dgf tt=dreal t)1 (t= dff t)1 (t= realfff ttt+= amaxa t*lt= 图 2-2 扭矩分配控制子系统流程图 其中： td需求制动扭矩，即前、后轮制动扭矩之和，n*m； tdmax摩擦片提供的最大制动扭矩，n*m。 tamax动力传动系可提供的最大扭矩，n*m； temax发动机最大扭矩输出能力，为动力传动系速度函数，n*m; 12 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 tmax_mot电动机状态下的峰值扭矩，为动力传动系速度函数，n*m； 控制目标之间主要不同之处在于发动机开关控制子系统和扭矩输出控制 子系统的不同， 扭矩分配控制子系统主要是根据加速踏板位置信号确定动力总 成提供（或接收）的扭矩，在各种控制目标中基本相同。下面针对不同的控制 目标详细分析其余控制子系统的组成。 2.2 同时调节发动机工作点和电池同时调节发动机工作点和电池 soc 值值 同时调节发动机工作点和电池 soc 值就是要发动机工作围绕最高效率曲 线(engine peak efficience line)上下波动，同时调解电池 soc 保持在最佳值 (desired battery soc)附近，除特殊情况下发动机工作点和电池 soc 不能工作在 高效率区以外工作。下图反映了此种控制目标的流程。 图 2-3 同时调节发动机和电池工作区间控制目标示意图 下面对发动机开关控制子系统和扭矩输出控制子系统的控制逻辑作详细 的介绍。 2.2.1 发动机开关控制子系统 发动机开关控制子系统根据转速 n、荷电状态 soc 信号和扭矩需求 t， 确定发动机开关状态 engine_on 的逻辑值，例如，电池 soc 值小于规定值时 发动机就要启动，当 soc 值恢复后并且电机最大扭矩大于需求扭矩时发动机 停止，电机带动传动系运转，随着电池 soc 值降低，发动机再次启动等等， 发动机的开关控制逻辑如图 2-4 所示。 13 吉林大学硕士学位论文 mc_max tt ele nn 图 2-4 同时调节发动机工作点电池 soc 值控制目标中发动机开关控制子系统流程图 2.2.2 扭矩输出控制子系统 发动机输出扭矩te可以分成两部分： t为发动机满足驱动提供的扭矩， tsoc 为电池充放电所提供的扭矩，其中tsoc电池充电为负、放电为正，电池荷电状 态在此控制子系统中起决定性作用，电机的输出/输入扭矩主要是协调发动机 输出扭矩和动力传动系需求扭矩， 必要条件下单独驱动整车。 这样的目的主要 是保证了电池组soc保持在最佳值附近， 同时发动机工作点围绕燃油经济性最 优曲线波动，可以有效提高效率而提高燃油经济性。 电机扭矩输出是跟据发动机输出扭矩、 动力传动系需求扭矩、 电池荷电状 态和动力传动系转速而定。 控制电机的扭矩 tm 是为了平衡发动机输出扭矩和 驱动系统需求扭矩的差距，如果 tm0 电机为电动机状态， 电池放电以弥补发动机扭矩不足。 另外在小功率需求条件下， 避免发动机工作在低效率区域工作， 电机单独驱动 整车运动。根据以上分析，其总的流程图如下所示： 14 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 hio socsocsoc moemeo t*rtt0 t soc engine_on=1 ele nn n y y y y n engine_on=1 engine_on=0 engine_on=1 n n n n engine_on=1 lo socsoc mc_max tt emin tt y engine_on=0 y n y engine_on=1 n n temin=femin(n) 图 2-7 限制发动机工作空间调节电池 soc 控制目标中发动机开关控制子系统流程图 2.3.2 扭矩输出控制子系统 发动机输出的扭矩可以分成两部分： t为发动机满足驱动提供的扭矩， tsoc 为电池充放电所提供的扭矩， 只要需求扭矩在发动机输出扭矩范围之内， 动力 由发动机提供：规定teo为驱动转速的函数可以表示为:teo=fe(n)，其对应于发 动机转速扭矩特性图上相当于一条线，发动机工作点围绕此线上下波动。 电机扭矩输出是跟据发动机输出扭矩、 动力传动系需求扭矩、 电池荷电状 态和动力传动系转速而定。 由发动机输出扭矩控制子系统可以看出， 在此控制 模块中控制电机的扭矩tm是为了平衡发动机输出扭矩te和驱动系统需求扭矩 t的差距，既为：tm=(t-te)/rem，本文中假设电机最大充放电扭矩相同，如果 tm0 电机为电 动机状态，电池放电以弥补发动机扭矩不足。其总的流程图如下所示： 17 吉林大学硕士学位论文 图 2-9 限制发动机工作区间调节电池 soc 值控制目标中扭矩输出控制子系统流程图 其中： lm电机输出扭矩控制命令； le发动机输出扭矩控制命令； temax 发动机输出扭矩峰值，nm； tmax_mot电机工作在发电机状态下的峰值扭矩, nm； tmax_gen 电机工作在电动机状态下的峰值扭矩, nm。 限制发动机工作区间的控制目标是通过设定发动机的最大扭矩限值、 最小 扭矩限值和最低转速限值，使发动机工作在高效率区；同时设定电池 soc 最 优值，通过电机和发动机使电池 soc 在最优值附近波动。此种控制目标较之 前者适当的放宽了发动机工作区间，因此发动机工作状态变化频率相对较小， 在大部分情况下发动机直接驱动传动系， 也减少了能量转换， 在一定程度上提 高了整车的经济性，但是此种控制目标中需实时校正电池 soc 值，在一定程 度上限制了发动机和电机的效率。 18 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 2.4 限制电池限制电池 soc 值调节发动机工作点值调节发动机工作点 这种控制目标就是通过设定发动机的最大扭矩限值temax、最小扭矩限值 temin、最低转速限值nele和发动机平均工作点teo，发动机工作点围绕其效率最 高曲线波动，设定电池电量状态的上下限值sochi和soclo，使电池工作在此效 率区间。 当发动机工作在低效率区间时关闭发动机， 当传动系需求大扭矩时则 由电机和发动机共同驱动传动系，示意图如下所示。 图 2-10 限制电池 soc 值调节发动机工作点控制目标示意图 下面对发动机开关控制子系统和扭矩输出控制子系统的控制逻辑作详细 的介绍。 2.4.1 发动机开关控制子系统 发动机开关控制子系统根据转速 n、荷电状态 soc 信号和扭矩需求 t， 确定发动机开关状态 engine_on 的逻辑值。具体流程如下图所示。 ele nn lo socsoc mc_max tt hi socsoc 0 且socsoclo或 （2）teminnele或 （3）ttmc_max； 余下情况发动机处去关闭状态。 t0 t soc engine_on=1 y y y engine_on=1 engine_on=0 engine_on=1 n n n n lo socsoc mc_max tt ele nn y engine_on=0 y n y engine_on=0 n n temin=femin(n) hi socsoc emin tt mc_max tt y n 图 2-14 同时限制发动机工作区间和电池 soc 值控制目标发动机开关控制子系统流程图 2.5.2 扭矩输出控制子系统 此子系统根据soc、n和teout确定发动机和电机的输出扭矩，保证电池和 发动机都工作在效率相对较高的区间。 发动机输出扭矩te可以分成两部分： t为发动机满足驱动提供的扭矩， tsoc 为电池充放电所提供的扭矩，控制思想要保证发动机工作点分布在高效率区 内。电机的输出/输入扭矩主要是调解发动机输出扭矩和需求扭矩，电机扭矩 输出是跟据发动机输出扭矩、 需求扭矩、 电池荷电状态和动力传动系转速而定。 22 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 控制电机的扭矩tm是为了平衡发动机输出扭矩te和驱动系统需求扭矩t的差 距，既为：tm=(t-te)/rem，另外避免动力能源工作在低效率区内，发动机或电 机要最大可能的单独驱动整车。可以分成以下几种情况考虑： （1）socsoclo： a.0temax：te=temax，tm=(t-temax)/rem； （2）soclotemax：te=temax，tm=(t-temax)/rem （3）socsochi： a.ttmc_max*rem：te=0，tm=t/rem； b.ttmc_max*rem：t-rem*tmc_maxtemin:te=temin，tm=(t-temin)/rem t-rem*tmc_maxtemin: ttemax:：te=t-tmc_max*rem,tm=tmc_max ttemax：te=t,tm=0 此时： 2/ )soc(soc soc2/ )soc(soc tt lohi lohi chgsoc + = 根据以上分析，其总的流程图如下所示： 23 吉林大学硕士学位论文 2/ )soc(soc soc2/ )soc(soc tt lohi lohi chgsoc + = 图 2-15 同时限制发动机工作区间和电池 soc 值控制目标中扭矩输出控制子系统流程图 同时限制电池 soc 值和发动机工作区间的控制目标是为了最大限度的减 少能量转化损失而适当放宽发动机和电池的工作点要求， 通过仿真、 实验设定 发动机的最大扭矩限值、 最小扭矩限值和最低转速限值， 使发动机工作点分布 在燃油经济性较高的效率区域内；同时设定电池 soc 最大值和最小值，通过 电机和发动机使电池 soc 在此区间。不同工况下发动机和电机单独或联合驱 动动力系统， 电机作为发电机吸收传动系中多余能量为电池充电、 作为电动机 时补充发动机不足扭矩。这种控制目标能够降低发动机反复起/停和电池反复 充放电而引起的能量消耗。 24 第二章 并联混合动力汽车控制目标研究 2.6 本章本章小结小结 本章系统地阐述了目前并联混合动力总成控制目标的流程。 对于目前出现 的并联混合动力汽车控制目标，根据发动机工作点和电池 soc 的控制参数不 同，控制目标被分成以上所说的四种形式，本章详细分析了四种控制目标，并 分别给出了流程图， 为下文进行混合动力汽车整车控制策略制定和研究奠定基 础。另外需说明的是，发动机和电机共同工作时，应考虑电池电流对充放电 效率的影响、 电机不同功率对应的效率值和排放等对控制策略总体效果的影响 后确定发动机输出扭矩和电机的输出/输入扭矩，文中为重点描写控制目标的 设计流程而未对这些影响因素作介绍。 25 吉林大学硕士学位论文 第三章第三章 并联混合动力汽车逻辑门限值控 制策略仿真分析 并联混合动力汽车逻辑门限值控 制策略仿真分析 由于建立精确的混合动力汽车能量消耗解析模型尚无行之有效的方法， 混 合动力系统的复杂结构也不能采用常规控制方法设计控制策略29，因此，只 有基于工程经验进行设计的逻辑门限值控制方法在实际商品化混合动力汽车 中得到了广泛应用30。逻辑门限值控制策略思路简明，代码转化率高，工作 可靠，运算速度快，在整车控制器中容易实现，在整车动力总成部件特性和汽 车运行工况一定的情况下能获得较为理想的控制效果31。 3.1 混合动力汽车各部件选型及参数选择混合动力汽车各部件选型及参数选择 混合动力总成元件参数匹配的任务就是合理确定混合动力总成中各个部 件的参数， 目的是在满足整车动力性指标要求的前提下提高整车经济性和改善 排放性能。研究表明，并联混合动力总成元件参数匹配的方法如下： 1、根据传统汽车的内燃机功率确定混合动力总成的合成功率，使合成功 率与传统汽车的内燃机功率基本一致。 2、根据发动机单独驱动的功率需求初步确定发动机功率和参数，根据整 车对电机起步、单独驱动和电动助力等情况初步确定电机的参数。 3、根据整车对电池的需求确定电池的电压等级，功率参数和能量参数， 并根据最大充放电功率需求和能量消耗需求作调整，初步确定电池的参数。 4、根据整车的最高车速以及最大爬坡度要求初步确定变速器和主减速器 速比。同时根据发动机和电机参数确定扭矩耦合器的参数。 根据初步确定的元件参数， 通过仿真模拟整车动力性和经济性指标， 在满 足动力性指标要求的条件下， 对各个元件参数作适当调整， 使整车经济性达到 最佳。 混合动力各动力总成的类型则根据目前应用到汽车中的产品性能来定， 四 冲程往复活塞式内燃机仍然是混合动力汽车用发动机的最佳选择39；为了满 足良好的动力特性， 驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速、 足够大的启动 26 第三章 并联混合动力汽车逻辑门限值控制策略仿真分析 扭矩、体积小、质量轻、效率高且具有动态制动能力强的能量反馈性能，从电 机的性能和成本来讲， 永磁电机比较适合安装到混合动力轿车中， 对于客车来 说，三项交流异步感应电机比较合适；目前，铅酸电池储能系统技术成熟且成 本低廉，但能量密度和功率密度较低、使用寿命较短等缺点，不适合应用到并 联混合动力汽车中。 镍氢电池储能系统成本较高， 但能量密度和功率密度较高、 使用寿命较长，国外研究表明实现批量生产后的使用成本可以接近铅酸电池， 锂离子电池储能系统成本和镍氢电池相当， 能量密度和功率密度也较高， 但目 前国内短期内无法保证其安全性能，因此采用镍氢电池作为其储能系统41； 对于并联混合动力汽车来说， 电机和发动机输出扭矩在扭矩耦合器中耦合， 对 变速器的要求不变， 因此仍采用原有变速箱即可。 由于本文主要介绍控制策略， 因此在参数选择这一节中只给出选择结果。 3.1.1 并联混合动力轿车参数选择 表 3-1 表 3-2 分别给出传统轿车参数，以传统轿车参数作为基础，在参数 选择的原则的指导下42，参考现有混合动力轿车参数结构，在保证动力性能 的前提下，利用电动车仿真软件advisor对并联混合动力轿车各动力总成参 数进行选择，其结果如表 3-3 所示。 表 3-1 传统轿车结构参数 参数名称参数名称 参数值参数值 乘坐人数 /人 5 长宽高 4385/1674/1415 整车整备质量 /kg 970 最大总质量 /kg 1470 前轴/kg 568 空载载荷分配 后轴/kg 402 前轴/kg 760 满载载荷分配 后轴/kg 710 轴距 /mm 2471 前轮 1429 轮距 /mm 后轮 1422 重心高度 空载/满载/mm 570/485 轮胎滚动半径 /mm 287 迎风面积 /m22.05 整 车 结 构 参 数 整 车 结 构 参 数 风阻系数 0.34 27 吉林大学硕士学位论文 最高车速, km/h 160 0-100km/h 加速时间 /s 14.5 最大爬坡度 /% 30% 排放 co(%)、hc(ppm) 1.5、500 90km/h 等速, l/100km 6.9 120km/h等速 l/100km 7.8 性 能 参 数 性 能 参 数 油耗 城市工况, l/100km 8.7 表 3-2 传统轿车技术参数 参数名称参数名称 参参 数数 值值 型号 ea827/ea113 型式 直列四缸水冷汽油机 排量 /l 1.595 最大功率 /kw 555500rpm 最大转矩 /nm 1213500rpm 最高转速 6000rpm 缸径行程 mm 81/77.4 气缸压缩比 8.5 发 动 机 燃油型号 90#无铅汽油 一档 3.455 二档 1.944 三档 1.