（动力机械及工程专业论文）基于道路工况的串联式混合动力公交车控制策略开发研究.pdf

摘要 控制策略是混合动力控制的关键技术之一，控制策略的优劣直接决定了车辆 的燃油消耗和排放性能。与道路工况匹配性差、实时优化与全局优化无法统一等 是目前混合动力控制策略普遍存在的问题。 城市公交车具有行驶线路固定、行驶循环波动不大等特点。本文以天津市6 0 0 路混合动力公交车为研究对象，分析了其运行工况的特征参数，基于其运行工况 的相似性提取了可以代表其交通高峰期的参考工况，并提出了一种基于道路工况 的策略切换控制方法。 基于a d v i s o r 仿真软件建立了6 0 0 路混合动力公交车仿真模型，选取其实 际运行工况，分别采用功率跟随和本文提出的策略切换控制方法进行仿真：对比。 结果表明，与功率跟随式控制策略相比，本文提出的控制策略可节省油耗8 3 8 。 采用m a t l a b s m ，i n k 搭建了6 0 0 路混合动力公交车模型，结合d s p a c e 系统建立了其硬件在环仿真平台，并验证了此平台的实时性与准确性，为后续本 文控制策略的实时仿真验证提供了可用的平台。 关蝴：混合动力公交车动态规划策略切换硬件在环 a b s t r a ct c o n t r o ls t r a t e g yi st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ec o n t r o lo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e t h eq u a l i t yo fc o n t r o l s t r a t e g yd i r e c t l y d e t e r m i n e st h ef u e lc o n s u m p t i o na n d e m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e t h e r ea r es o m ep r o b l e m si np r e s e n tc o n t r o l s t r a t e g i e so fh e v ，f o re x a m p l e ，b a dm a t c h i n gw i t hd r i v i n gc y c l e ，u n i f y i n gb e t w e e n r e a l - t i m ea n dg l o b a lo p t i m i z a t i o n c i t yb u s h a st h ec h a r a c t e r i s t i co ff i x e dd r i v i n gr o u t ea n dd r i v i n gc y c l ef l u c t u a l ：i o n i nt h i st h e s i s ，b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fd r i v i n gc y c l eo fn o6 0 0 b u si nt i a n ji n ，b a s e do nt h es i m i l a r i t yo ft h ed r i v i n gc y c l e s ，ar e f e r e n c ed r i v i n gcy c l e d u r i n gt h er u s hh o u r si se x t r a c t e d b a s e do nt h er e f e r e n c ed r i v i n gc y c l e ，ac o n t r o l m e t h o do fs t r a t e g ys w i t c h o v e ri sp r o p o s e d b a s e do nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e a d v i s o r ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fn o 6 0 0 h y b r i de l e c t r i cb u si sb u i l t b ys i m u l a t i n gw i t ht w od i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ( p o w e r f o l l o w e ra n ds t r a t e g i e ss w i t c h o v e r ) ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u e lc o n s u m p t i o nc a r lb e r e d u c e da b o u t8 w i t ht h es t r a t e g i e ss w i t c h o v e rc o m p a r e dw i t ht h ep o w e r f o l l o w e ： h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l tu s i n gm a t l a b s i m u l i n k , a n d d s p a c e v e r a c i t ya n dr e a lt i m eo ft h ep l a t f o r mi sv e r i f i e d t h er e a l - t i m es i m u l a t i o n t e s to fc o n t r o ls t r a t e g yc a nb ec a r r i e do u to nt h i sp l a t f o r m k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，s t r a t e g ys w i t c h o v e r , h a r d w a r e - i n - l o o p 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早瑁比 随着汽车数量的增加，石油资源的消耗速度急剧攀升，其作为不可再生资源， 终究会有耗尽的一天。英国石油公司0 9 年7 月发布的研究成果b p 世界能源统 计2 0 0 9 9 表明，全球原油剩余探明储量按照0 8 年的开采速度算，只能供开采4 2 年【l 】。从长远来看，传统的燃油发动机车辆会被电驱动车辆取代，最终的天下涛 会是燃料电池汽车的。但是，目前由于电池的储能技术、安全技术、充电时间等 关键技术瓶颈尚未突破，使得纯电动汽车短期内无法完全代替传统燃油发动机汽 车，各国也都逐渐意识到，混合动力汽车将是过渡期内实现产业化的最佳选择。 2 0 2 0 年中国将成为世界最大的新能源汽车市场，同时每年至少在这一市场上 投入1 0 0 亿元，美国c o d a 公司全球c e o 墨斐在2 0 11 全球汽车论坛会议上如 此预测。在各大跨国公司的眼中，为了降低石油的对外依赖程度，我国将斥巨资 加快发展节能与新能源汽车，并在未来成为全球最大的新能源汽车市场【2 j 。新能 源汽车未来的发展演化途径如图1 1 所示p j 。 重瘦混台型 赛电时塑壅霉 巍撇套翻i ：琶塞二黼f 桃蝴镀 飞轮电滟 轻发混会型 镶氯电池氏乖 矿 营代能源汽车 。 城市公爻，串联武髭台 k 并联武掘台动力汽车一，一：_ 转统汽莩三童_ 蠹一爹 一 ； 图1 1 新能源汽车的未来演化发展路径 未来汽车技术的革新可以分为两个大类：一是提高现有内燃机的效率；二是 完全转移到新的可再生能量。混合动力车辆作为过渡性车型，采用合适的控制策 略使发动机更多的工作的高效区，可以在整体上有效地提高内燃机的效率，同时 又配备了电池组等部件，开始使用可再生能量，为向完全采用新的可再生能量转 移打下了基础。 il翼萋。 第一章绪论 1 2 混合动力车辆的类型及发展现状 根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议，混合动力电动汽车的定义 如下：在这种混合型车辆上，至少一种储能器、能源或能量转换器提供电能4 1 。 1 2 1 混合动力车辆的分类及特点 混合动力车辆根据不同的标准有多种分类方式，常见的有以下两种分类方 式：一是按照混合程度，即车辆行驶运用电能的比例，可以分为轻度混合、中度 混合以及重度混合动力车辆三类；二是按照驱动系统的配置及组合方式可分为三 类：串联式混合动力、并联式混合动力以及混联式混合动力车辆。 ( 1 ) 串联式混合动力车辆 串联式混合动力车辆结构如图1 2 所示。工作原理如下：发动机稳定地工作 在其高效区，带动发电机发电，发电机发出的电能直接驱动电动机或输出给蓄电 池组储存，由电动机驱动车辆行驶。蓄电池组是车辆的功率协调器，当发动机一 发电机组的输出功率高于当前车辆需求功率时，富余的部分以电能的形式储存在 蓄电池组中；当发动机发电机组的输出功率小于当前车辆需求功率时，功率不 足部分由蓄电池组辅助提供。 发动机 l 发电机 逆变器 电动机一 驱动桥 一 机械连接 i- 电力连接 图1 2 串联式混合动力车辆结构示意图 串联式混合动力最大的优势是驱动系统结构、布局简单，布置形式非常灵活； 内燃机与除发电机之外的其他车辆部件无机械连接，这就保证了它可以总是在高 效率区域运行，燃油经济性较高。不足之处在于能量转换频繁，从整车来看，效 率较低。基于这些特点，串联式混合动力的优越性主要体现在低速、加速等行驶 芏一矗 滋 蓄 鋈 第一章绪论 工况中，所以比较适合加减速频繁、平均车速低的城市工况和道路工况复杂的山 区路况。本文研究的对象一天津市6 0 0 路城市公交车为串联式混合动力。 ( 2 ) 并联式混合动力车辆 并联式混合动力车辆结构如图1 3 所示。相比于串联式，并联式混合动力车 辆没有发电机，更像是一个附加了电机驱动系统的内燃机车辆。发动机、电动机 都可以单独驱动车辆运行，两者通过动力复合装置可以共同驱动车辆行驶。低速 低负载时，由电动机单独驱动车辆；在发动机高效的输出功率范围内，由内燃机 单独驱动车辆；高速或加速工况下，发动机输出功率已难以满足需求，此时由电 动机输出功率辅助驱动车辆行驶。 发动机 二二 二二二 离合器 1 ： 逆变器， 电动机_ - 一动力复合，传动装置 一机械连接 电力连接 图1 3 并联式混合动力车辆结构示意图 由于两套驱动系统各自高效工作区间不同，故在不同的运行工况下，并联式 混合动力车辆具有不同的特点【5 】：发动机可直接驱动车辆，能量频繁转换损失减 少，燃油经济性得到了提高：发动机不能稳定地工作在高效区；发动机、电动机 既可以单独驱动又可以联合驱动车辆，动力性能较好。并联式混合动力车辆的这 些特点使其更适合于运行在中高速稳定工况的车辆。 ( 3 ) 混联式混合动力车辆 混联式混合动力车辆结构如图1 4 所示。从其结构图上可以看出，混联式混 合动力车辆是串联式和并联式混合动力车辆的综合，兼具两者的特点。工作原理 如下：发动机输出功率一部分用于驱动车辆行驶，一部分用于发电机发电，补充 蓄电池组电量，电动机可以单独驱动车辆行驶，也可以辅助发动机联合驱动车辆 行驶。低速时，主要是以串联方式工作；高速时，主要是以并联方式工作。 甲i 一 第一章绪论 ! 一二? 一 l l - 一一 一 一一一一一l 一 蓄电池组 逆变器 电动机 一动力复合，传动装置 一 机械连接 - i - 电力连接 图l - 4 混联式混合动力车辆结构示意图 混联式混合动力兼具了串联式和并联式的优点，适用于各种工况，尤其是在 复杂工况下，可以获得良好的燃油经济性和较低的排放，但其成本最高，结构也 最为复杂。 此外，插电式混合动力车辆( p h e v ：p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是新一 代的混合动力车辆类型，除了可以通过富余的发动机功率充电外，还可以直接外 接充电。因此，受到了各国政府、企业及研究机构的广泛关注，p h e v 有望在 未来几年内得到广泛推广应用。 1 2 2 混合动力城市客车国内外的发展现状 混合动力车辆以其特有的优势受到了国内外各大汽车厂商的青睐，纷纷推出 了不同形式的混合动力车辆，混合动力城市客车的主要应用是城市公交车。 ( 1 ) 国外发展现状 美国、日本和欧洲是汽车工业的引领者，也是新能源汽车技术及其产业化探 索的先驱。 1 9 9 0 年，日本推出第一款燃料电池混合动力公交车一f c h v 2 公交车，由丰 田和日野共同研发。丰田、本田等日本的各大汽车公司都在混合动力公交笔芋车的 研发上投入了大量人力、物力和财力。1 9 9 8 年，美国纽约提供了首批1 0 辆 b a e - o r i o n 串联式混合动力公交车的示范运营，目前在纽约、旧金山等城市有 超过5 0 0 辆此类混合动力公交车运行。通用公司率先在西雅图推出了并联式混合 动力公交客车一g ma l l i s o n ，目前这种车型在北美近3 0 个城市有4 0 0 余辆投入 运营，今年通用公司又获得了1 5 0 0 台订单。2 0 0 4 年到2 0 0 7 年三年间纽约订购 并投入使用的混合动力公共汽车超过了千辆，西雅图也投入了2 5 0 辆柴油混合动 力公共汽车。目前，已有的国外混合动力城市客车的车型如下图所示【6 】。 甲獬纛 鬟。 一二。一。 第一章绪论 车撼状杰嗣塞摄建量离对逮 ( i m p ) 霄颧r 瑚棚l 尊 严品 n 胡啊m 媛产晶羹鼙黯 h k 硒f b 一口_ h 峰 l 产品丑拳并联 掰 氨嘲a 啊断踟 产晶 疆奉睾联 釉 雎厨k 融k 产品日奉并袋 棚 o 南- l 瑾黟矗雌 产盆羹驾，船拿大事联 1 8 0 i 罪 l m m l e r c o k 疆3 0 h产晶羹蠢 率联 鹞 i a 1 2 m 妯h y b r i d产晶t ，c 剩审鬟越 l 舶- i 却由一硅删。产赫犬剩 _ - - - l - 栅t r 产蠡 篝曩 7 5 曩1 d m m i o l 嘣m m i 徉誊羹曩串联 8 0 崔l 黼 样丰羹曩率囊鸽量揠) 尉譬弼样车羹曩 睾囊 髓量证) l l b o m l m a 聊 孵，奢兰睾联孵 g k 嗍霸神t _ 哟幡南0 榉率一 羹曩睾纛 瑚_ 妇_ 棒军日奉曩暖 粕 m 啊l 棒辜日奉审曩 为 幽_ 酗h 椰囊雕髓秘 。 硼- 啦a 晒 ，箨事；鲁墨 i _ - _ 凼叫雌徉葶羹鲞l蜘 o 呐哪 样事曩，c 稠重姻 触_ 旬t k h bi 鬟示车i羹曩 g m 峨翼璐| 曩示车羹田睾取 v i m b a d 触瞰曩幂车 比榭雪搴囊 秘 然酗- _ 硒h 租谖釜 羹翻蕾 曩一 。- _ 。_ _ _ 。_ 。_ - _ - 。_ 。_ 。- _ _ _ 。- - 一。_ _ _ - _ - - - - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 确峪 翎晡t k 试；羹孱率联 蝣 v - 口l l 乞羹焉羹 酗圈k 戈鞫 嚣 柚i 鼬, m d l m r饕翔 秘 ! _ - - 一心搬捌璐 暮疆 譬a 瞳h 从嗣甲i 健h l h增 t m 曩醯e h b 雕h 峰；雯豫 图1 5 国外混合动力公交客车车型表 ( 2 ) 国内发展现状 虽然在传统汽车行业，我国远远落后于世界发达国家，但在混合动力汽圭领 域，我国的技术水平等与世界接近。2 0 世纪9 0 年代就有一些企业开始推出混合 动力汽车样车。 1 9 9 9 年，国内第一辆混合动力客车研制成功，是由厦门金龙和清华大学联合 研发的。2 0 0 3 年11 月，6 辆东风混合动力公交车在武汉正式投入运营：2 0 0 5 年 1 2 月，武汉投入1 2 辆混合动力公交车，开通了中国首条混合动力公交专线( 5 9 9 绿色专线) 。2 0 0 6 年4 月，中通客车推出其首款混合动力客车。同年6 月，上 海首辆混合动力城市公交车投入运营。除了油电混合动力客车之外，还存在一些 第一章绪论 新型的混合动力客车，如液压混合动力城市客车( 北京嘉捷博大、上海交大神i 舟 开发) ，电电混合动力中型客车( g u l l i v e ru5 2 0e s p ) 。下表是国家发改委发：布 的车辆生产企业及产品公告中含有的混合动力客车【6 1 。 表1 1车辆生产企业及产品公告中含有的混合动车客车车型 企业名称产品名称型号 东风汽车公司混合动力电动城市客车e q 6 11 0 、e q 6 1 2 2 北汽福田汽车股份有限公司燃料电池混合动力城市客车 b j 6 1 2 3 一汽客车大连客车混合动力城市客车 c a 6 1 2 4 重庆长安汽车股份有限公司混合动力客车 s c 6 4 4 2 北京市京华客车有限公司液压混合动力城市客车 b k 6 1 1 3 厦门金龙旅行车有限公司混合动力电动城市客车x n l 6 1 1 2 安凯客车混合动力电动城市客车腑6 1 1 0 五洲龙汽车有限公司混合动力城市客车m g 6 1 1 l 、f d g 6 1 1 2 吉江汽车制造有限公司混合动力电动城市客车 n f 6 1 l i 宇通客车股份有限公司混合动力电动城市客车 z x 6 1 2 6 1 3 混合动力车辆控制策略研究现状 控制策略通常定义为一系列车辆驱动的规则或函数，以车辆运行状态信息为 输入，输出如关闭、开启或更改部件工作区域等的指令命令。 混合动力汽车除了包含传统车辆的部件外，还增加了发电机、电动机、蓄电 池组等，使其结构更加复杂化，相应的控制也就更加困难。混合动力车辆的关键 技术有能量管理、内燃机控制、电驱动系统控制、电池管理等【7 j1 8 j 。 混合动力整车控制的目标是在满足车辆动力性能的条件下，尽可能地降低燃 油消耗，减少排放。评价控制策略优劣的指标除了以上几个之外，还包括驾驶舒 适性，操作性能等。而一些目标，如燃油消耗和排放之间，存在着难以调和的矛 盾，此消彼长，所以一个良好的控制策略就应该是多种目标折中p 】【l o 。 根据不同的分类标准可以把控制策略分为不同的种类。根据控制性质的不 同，可以将控制策略分为以下两种： 被动型控制策略：以提高能量流动效率为目的，在保证发动机组和蓄电 池组工作在最佳效率区的情况下被动地满足驾驶员功率请求。常见的有 开关型、功率跟随型以及基于规则型控制策略。 第一章绪论 主动型控制策略：以降低人、车、路三者组成的大系统能量消耗为目拘， 根据车辆行驶环境、驾驶员操作请求等，主动地调整发动机组和蓄电池 组的工作区域。常用的包括负荷预测型、路线适应型和基于动态规划的 控制策略。 f a r z a dr s a l m a s i 用一种新的分类方式将控制策略分为如图1 - 6 所示的两种类 型：基于规则的控制策略( r u l e b a s e d ) 、基于优化的控制策略 ( o p t i m i z a t i o n b a s e d ) 【1 1 1 。 c o n t r o lt h e o r y 图1 - 6 控制策略分类 下面分别介绍一下基于规则和基于优化的控制策略的研究现状，并对基于道 路工况自适应的控制策略研究现状进行了阐述。 1 3 1 基于规则的控制策略研究现状 如图1 6 所示，基于规则的控制策略又可以分为两大类：基于模糊规则( f u z z y r b ) 和基于确定规则的控制策略( d e t e r m i n i s t i cr b ) 。 ( 1 ) 基于确定规则的控制策略 依据车辆部件的效率m a p 、发动机燃油m a p 以及实验结果和工程经验等， 设计确定的规则，实际控制时，通过确定的函数关系或者查表实现功率分配。主 要包括以下几种： a 恒温器控制策略( t h e r m o s t a tc o n t r 0 1 ) 1 2 】 1 3 】【1 4 第一章绪论 蓄电池充放电效率受其荷电状态( s o c ：s t a t eo f c h a r g e ) 影响，当s o c 大二于二 一定值时，充电效率会急剧下降；当s o c 小于一定值时，放电效率会急剧下降。 恒温器控制的基本思想是：当蓄电池组s o c 大于设定值s o c m 觚时，发动机 停止工作，蓄电池组单独驱动；当蓄电池组s o c 小于设定值s o c m i 。时，发动机 进入最小油耗点或最低排放点工作，驱动车辆行驶，富余功率给蓄电池组充电。 该策略的优点是发动机工作在最佳点，排放较低，且燃油经济性也较好，缺点在 于蓄电池组充放电频率高，对电池损害较大，加之能量传递链较长，传递损失：大， 整体能量利用率不高。常用于串联式混合动力车辆的控制。 b 功率跟随式控制策略( p f ：p o w e rf o l l o w e r ) 1 1 5 儿1 6 j 1 1 7 j 功率跟随式控制策略也称为基线控制策略，发动机开关和功率输出取决于车 辆负荷和蓄电池组的s o c 。发动机的输出功率紧跟车辆需求功率，蓄电池组的 充放电频率大为下降，由此造成的能量损失减少。但发动机需要在整个负荷范围 内跟随车辆需求变化，是以牺牲发动机的燃油经济性和排放性能为代价。 f o rs o c c si o $ o c 日”警 r e q u e s r e 0e nginels删_aun曲 。p s p e e d 图l - 7a d v i s o r 中的基线控制策略逻辑示意图 图1 - 7 为该策略的控制逻辑。蓄电池组s o c 低于设定值时，发动机除了提供 驱动功率外，还需要对蓄电池组充电；车辆需求功率小于发动机提供的最小功率 时，由电机单独驱动：车辆需求功率大于发动机提供的最大功率时，电动机辅助 驱动；车辆需求功率大于发动机提供的最小功率，且车速大于设定值时，发动机 启动，并跟随车辆需求功率。 本策略不能优化发动机工作点，v a l e r i eh j o h n s o n 等人对功率跟随控制策略 进行了改进【l 引。主体思想如下：确立目标函数( 以燃油消耗作为目标) ，将蓄电 池能量消耗等效为发动机油耗，确定一系列发动机候选工作点，计算所有候选点 的目标函数值，选取最小者作为发动机的工作点。仿真结果表明，f t p 二况下运 用该方法可以有效的降低排放，但燃油消耗有所增加。 c 基于状态机的控制策叫1 9 】【2 0 】 第一章绪论 a n t h o n ym p h i l l i p s 等人提出了利用状态机确定车辆工作模式的方法，如发 动机驱动模式，电动机驱动模式，混合驱动模式等，并运用在并联式混合动力车 辆中。选取驾驶员功率请求、车辆行驶条件、系统故障等作为模式切换的判断条 件。优点在于可以方便地监控系统故障，但难以保证燃油经济性和排放性能。 ( 2 ) 基于模糊规则的控制策略 模糊逻辑适用于非线性的时变系统的控制，所以常被用于混合动力车辆的控 制。常见的模糊逻辑控制策略有传统的模糊逻辑控制、自适应模糊逻辑控制和模 糊逻辑控制。 a 传统型模糊逻辑控制策略( c o n v e n t i o n a lf u z z y l o g i c ) 2 l 】 h y e o u n - d o n gl e e ，s e u n g k is u l 等人提出了基于模糊逻辑的控制方法，目j 际 是n o x 排放最小化，约束条件为驾驶员需求和蓄电池组荷电状态。如图1 8 所 示，模糊逻辑采用双输入单输出：输入为电机转速和踏板开度；输出为电机扭矩 与当前转速下电机的额定扭矩之比。结果表明，可降低n o x 排放2 0 。 图1 - 8 模糊逻辑控制构架图 m 图1 - 9 改进型模糊逻辑控制构架图 该策略有一定的局限性，驾驶员不同或运行工况条件不同时，车辆性能、n o x 排放等会变差，难以达到要求的目标。因此，作者又提出了一种改进型的模糊逻 辑控制器【2 2 】。如图1 - 9 所示，控制逻辑主要分为两部分：驾驶员意图预测器( d i p ： 第一章绪论 d r i v e r si n t e n t i o np r e d i c t o r ) 、功率平衡控制器( p b c ：p o w e rb a l a n c ec o n t r o l l e r ) 。 d i p 部分考虑的是司机加减速请求，输出司机的请求扭矩，p b c 部分考虑的是蓄 电池组s o c 的均衡，输出保证其均衡的扭矩，两扭矩分别乘以各自的权重，叠 加得到电动机的请求功率。此外，两个模块都考虑了n o x 的问题，因此可以侈 证n o x 的限值，但没有考虑其他排放物、发动机的效率等。 j o n g s e o bw o n 等人认为单层的模糊控制难以满足全部的行驶模式。因此， 提出了分层模糊控制的方法【2 3 1 。通过把行驶模式及其相应的能量流动的经验结合 起来，运用双层模糊逻辑控制，在并联式混合动力车辆上进行了仿真测试，结果 表明，既能维持蓄电池组的s o c ，又能取得好的燃油经济性。 n i e l sj s c h o u t e n ，m u t a s i ma s a l m a n 等人以并联式混合动力汽车为研究对 象，全面地考虑了发动机、电机、蓄电池三大部件的效率，通过模糊逻辑控钒器 确定发动机、电机的输出功率，尽量使三大部件都工作在高效率区域 2 4 】。 r i z z o n ie t a 1 等人基于负载均衡的思想提出了图1 1 0 所示的策略【2 5 】，相比于 以上模糊逻辑控制策略，这种策略更加全面，考虑的因素更多。此系统包含三个 评估器( s o c 评估器、发动机优化评估器、道路负荷评估器) 、一个模糊逻辑 控制器。结论认为，采用该种控制方式，发动机可以集中地工作在高效区，但此 策略没有考虑排放。 图l 一1 0 基于负荷均衡的模糊逻辑控制构架图 b 自适应模糊逻辑控制策略( a d a p t i v ef u z z yl o g i c ) 在传统的模糊逻辑控制策略中，各指标的优化权重是固定的，不能随行驶环 境等条件的变化而变化，因此当行驶条件产生很大变化时，就难以满足设计的目 标。a r a j a g o p a l a n ，g w a s h i n g t o n 等人针对此问题提出了一种可以自动根据行驶 条件调整、优化指标函数权重的方法 2 6 。作者设定的目标函数为： j = w l ( 1 1 ) + w 2n o x + w 3 c o + w 4h c 第一章绪论 四个优化指标分别是燃油效率r l ，n o x ，c o ，h c 。通过调整权重w l 、w 2 、w 3 、 w 4 ，可以改变优化目标。结果表明通过燃油经济性的微小牺牲可以获得排放性能 的显著改善。 r e z al a n g a r i 。j o n g s e o bw o n 等人提出了如图1 1 1 所示的更加全面的自适应 模糊控制策略【2 7 1 2 8 1 。作者提出了环境敏感度的概念，并基于此设计了模糊逻辑 控制策略。此智能管理系统( i m e a ) 最关键的函数关系式如下： z + z e c ，肿( 1 + s g n ( r e 。用，) ) + 瓦舢忍删+ z ，。= z 图1 1 1 智能能量管理系统结构图 该系统包含信息提取系统( d i e ) 、道路工况识别系统( r t i ) 、模糊扭矩分 配系统( f t d ) 、s o c 状态补偿系统( s c c ) 等，可以有效地确定发动机组和电 动机组之间的扭矩分配。 e r i c s s o n 提出了1 6 组6 2 个驾驶循环表征参数，文中采用了其中的9 组作为 确定行驶工况的参数，决定了油耗和排放【29 l 。r t i ( r o a d w a yt y p ei d e n t i f i e l ) 输 入量为4 0 个道路工况特征参数，判断工况类型：低速、高速巡航、加减速等。 d m i ( d r i v i n gm o d ei d e n t i f i e r ) 判断当前车辆运行模式：启动、加速、减速等。 d s i ( d r i v i n gs t y l ei d e n t i f i e r ) 判断驾驶员驾驶风格，修正驾驶员需求扭矩。 c 模糊预测控制策略( p r e d i c t i v e b a s e df u z z yl o g i c ) 3 0 1 3 u 【3 2 】 3 3 1 如果提前预知整个驾驶循环，就可以通过全局的目标函数最优获得最佳控制 策略。通过g p s 得到未来道路信息，如交通状况、道路坡度等，可以有效地解 决这一问题。 第一章绪论 1 3 2 基于优化的控制策略研究现状 不同于基于规则的控制策略，基手优化的控制策略3 4 】1 3 5 3 6 1 通过一定的优化 方法，如动态规划、线性规划、优化理论等，对车辆部件功率流进行优化。优化 控制又可以分为两种：全局优化和实时优化。 ( 1 ) 全局优化 全局优化是针对整个驾驶循环，需要事先知道整个驾驶循环的信息，如道路 工况，需求扭矩等，且计算量庞大，不能直接用于实车实时控制，但可以为实时 控制提供一些必要的参考信息，本文就是以离线全局优化为基础展开控制策略研 究的。全局优化包括动态规划方法、随机动态规划方法、优化理论方法、线性规 划方法、模拟退火算法等。 a 。动态规划方法【3 7 j 动态规划的方法适合解决非线性、带约束问题，是混合动力车辆控制中进行 功率分配的最佳方法。通常取车速、s o c 、变速比作为状态变量，发动机、电动 机扭矩等作为控制变量。目标函数如下： 型 ，= 2 ：【三( x ( 尼) ，甜( 七) ) 】+ g ( x ( ) ) k = 0 、n - ，i 2 = f u e l ( k ) + k t n o ，( k ) + v p m ( k ) + a ( s o c ( n ) - s o c k ) k = 0 b 随机动态规划方法网 c h a r t - c h i a ol i n 等将驾驶员的请求功率定义为随机的马尔科夫链过程，采用 随机动态规划方法求解，寻优的结果是静态反馈模式的控制规则，直接用于车辆 控制。仿真结果表明，该方法可行。 c 线性规划方法【3 9 】 e d w a r dd t a r e 和s t e p h e np b o y d 提出了混合动力车辆控制的本质可以归结 到燃油效率最高。作者将燃油效率看作是非线性凸优化问题，并采用线性规划的 方法，得出了固定工况下的最低油耗，此值就是此工况的最低油耗。 d 遗传函数方法【4 0 】 m o r t e z am o n t a z e r i g h 等人提出了将遗传算法运用到混合动力车辆的能量管 理当中，并进行了仿真研究，结果表明该方法可以得到更多的优化管理方案。 ( 2 ) 实时优化 鉴于全局优化无法在实车上运用，所以很多研究者就开始考虑可以实现实时 优化的方法，在优化燃油消耗的同时，维持系统的状态。 a 基于等效油耗的实时优化控制策略 4 1 】【4 2 第一章绪论 等效燃油消耗方法就是将蓄电池组的s o c 变化等效为发动机的燃油消耗量， s o c 减少代表正的燃油消耗，s o c 增加意味着燃油增加，即负的燃油消耗，这 样就实现了两种不同能量源之间的统一。实时优化的目标即为等效燃油消耗量最 小。该方法的关键就在于两者之间的转换系数。 b 基于预测方法的控制策略【4 3 j 【4 4 j 基于动态规划理论，通过m i l p ( 混合整数规划方法) 对目标函数求解。m i l p 充分利用了预知的地形和道路信息，合理安排蓄电池组充放电。仿真结果显示， 基于预测的混合整数规划方法可以显著的提高燃油经济性。 c 基于解耦方法的控制策略1 4 5 r i z z o n i ，e t a 1 提出了解耦控制的方法。满足车辆驱动功率，且维持蓄电池组 s o c 状态的基础上，获得最佳的驾驶性能，这就是该控制方法的优化目标。此 策略优化包括静态优化和动态优化两方面。静态优化是发动机等效燃油消耗最 小，动态优化是以s o c 和车辆驾驶性能为目标。 1 3 3 基于道路工况自适应的控制策略研究现状 相比于传动的内燃机车车辆，混合动力车辆的油耗、排放性能对道路工况、 驾驶员特性等更加敏感。 l i s ag r a h a m ，m a r t h ac h r i s t e n s o n ，d e n i zk a r m a n 等人对t o y o t ap r i u s ，ha n d a c i v i c ，h o n d ai n s i g h ta n df o r de s c a p e4 款混合动力车在5 种不同的驾驶循环中2 种温度下的燃油消耗量和排放进行了测试实验，证明了混合动力车辆对驾驶循环 的敏感度【4 6 】。如表1 2 所示。 表1 - 2 驾驶循环对燃油消耗量的影响 单位：d l o o k m 同一鞠l 不同鲁 f t pc s l a - 9 2h s l a - 9 2u s 0 6h w f c tn y c c 革z 环下最大差异 t o y o t ap d u s 4 25 84 85 13 65 73 7 s m a r tc a r5 1 6 16 26 04 18 05 0 f o r de s c a p e7 89 78 61 0 36 21 1 24 ：5 h o n d ai n s i g h t 4 04 92 78 o6 6 h o n d ac i v i c4 66 o5 86 83 87 54 9 同一簟环不同车 4 9 4 0 2 4 4 2 5 2 4 5 6 5 4 9 1 噩的量大差异 第一章绪论 不同的驾驶员驱动同一辆车行驶在同一工况下，或者相同的驾驶员驱动同一 辆车行驶在不同工况下时，车辆的燃油消耗、排放会相差很大，油耗甚至可能超 过5 0 。可见控制策略对道路工况的敏感度相当之高。 根据获取未来道路信息的方式不同，可以将道路工况自适应的控制策略分为 以下两种：基于道路工况识别和基于道路工况预测的控制策略。 ( 1 ) 基于道路工况识别的控制策略【4 7 j 城市道路、城郊公路、高速公路等不同的行驶形态组合，可以形成不同的驾 驶循环。对典型的行驶形态进行优化处理，得到对应的控制参数，车辆行驶时， 通过车辆状态信息，如车速、停车时间、加速度等参数对当前所处的行驶形态进 行判别，辨识出当前行驶形态与何种典型行驶形态最为相似，然后调用该行驶形 态对应的控制参数。 s o o n i lj e o n ，s u n g - t a ej o 等人提出了图1 一1 2 所示的应用于并联式混合动力车 辆的多模式驾驶控制策略【4 引。 图1 1 2 多模式驾驶控制策略 通过车速、加速度、道路坡度等信息提取出行驶形态的2 4 个特征参数，利 用h a m m i n g 神经网络判断当期形态是属于哪一种行驶形态，然后调用相应的优 化函数，实现对混合动力车辆的控制。 m m o n t a z e r i g h ，m a s a d i 采用模糊逻辑实时控制发动机工作点，通过辨识 的道路工况和交通信息调整模糊逻辑隶属参数，实现能量的优化控制【4 9 。目标函 数为燃油消耗、排放和驾驶舒适性，e c e e u d c ，f t p 和德黑兰城市工况三种工 况下的仿真结果表明可以有效地降低燃油消耗，同时也能确保车辆的动力性能。 ( 2 ) 基于道路工况预测的控制策略的研究 第一章绪论 基于道路工况预测的方法主体思想大致相同，主要区别在于预测的方法。g p s 信息、g i s 信息、前车跟随系统、数据通讯系统、概率的方法等都是预测未来道 路工况的手段或方法。 a g p s 、g i s 和历史道路工况 e r i kh e l l s t r 6 m 等人采用道路数据库和g p s 信息联合获取道路坡度，提供给 优化控制策略【5 0 1 。y o s h i t a k ad e g u c h i 等人提出了一种基于导航系统的充放电控制 策略，由导航系统提供道路坡度信息以及交通状况信息，依此来确定蓄电池组充 电或是放电【5 1 | 。m u t a s i ma s a l m a n 等人在专利中提出运用3 d 地图、g p s 和车 速预测未来工况的方法【5 2 】。 b g p s 、前车跟随系统、数据通讯系统 j o h a nj o n s s o n 在文章中提出了一种前车跟随控制器【5 3 1 。利用前车行驶信息、 3 d 地图、g p s 信息预测未来工况。仿真结果显示较好地跟随前车的同时，燃油 消耗降低3 。 c 概率的方法 s h 叫ii c h i k a w a 等人针对行驶于固定线路的混合动力车辆，利用历史运行二数 据通过概率的方法预测未来出现最大概率的工况，试验证明该方法可行【5 4 】。 1 4 本课题的研究内容和意义 控制策略是混合动力车辆控制的关键技术之一。现有的控制策略存在着j 牛算 量大、预测性差、适应性差、实时与全局优化不统一等各种问题。全局优化：腔制 可以充分发挥混合动力节油减排的优势，但由于计算量庞大等原因无法用于实际 车辆的控制，而实车运用最多的基于规则的控制策略又无法充分发挥混合动力节 油的潜力。因此本文综合两类控制策略的优点，展开了混合动力控制策略的研究。 与道路工况匹配性差也是目前的控制策略存在的问题。混合动力车辆的油耗 对道路工况非常敏感，同一种控制策略用于不同的驾驶循环会造成较大的油耗差 异，不仅达不到节油的效果，还可能增大油耗。城市公交车单车油耗和排放都要 高于轿车，集中运行在城市中心区域，平均车速低，怠速、加减速工况所占的的 比重大，且行驶路线固定，运行工况循环波动不大。因此，针对于城市公交车的 这种特殊运行工况，开发研究与其匹配的控制策略对发挥混合动力公交车的节油 潜能十分关键。 本文以天津市6 0 0 路混合动力公交车为研究对象，分析了其运行工况的特征 参数，并针对其运行工况展开了控制策略的研究，提出了综合利用全局优化和基 于规则两类控制策略的控制方法。 第一章绪论 本文的主要研究内容具体如下： 1 ) 根据城市公交车线路运行的特点，分析了天津市6 0 0 路混合动力公交车 的历史运行数据，提取出其特征参数并进行分析，运用概率统计的方法 提取了6 0 0 路混合动力公交车的参考工况。 2 ) 针对6 0 0 路混合动力公交车在交通高峰期的运行工况相似特点，提出了 一种基于道路工况的策略切换控制方法：基于提取出的6 0 0 路混合动力 公交车参考工况，离线采用动态规划的方法，获取了整个循环的功率最 佳分配比；在线根据g p s 信息和道路工况观测器对运行工况的判断结 果，选取不同的控制策略实现对车辆的优化控制。利用a d v i s o r 仿真 软件建立6 0 0 路混合动力公交车的整车模型，并针对其实际工况采用礁 种不同的控制策略进行了仿真对比。结果表明，本文所提出的控制策略 相比于功率跟随式控制策略可以有效地降低燃油消耗达到8 。 3 ) 基于m a t l a b s 订u l i n k 和d s p a c e ，搭建了6 0 0 路混合动力公交车 的硬件在环( h i l ：h a r d w a r e i n 1 0 0 p ) 仿真测试平台，并验证了此平台的 准确性，为后续开展控制策略的实时仿真测试提供了较为可靠的平台。 第二章天津市6 0 0 路混合动力公交车运行工况的分析 第二章天津市6 0 0 路混合动力公交车运行工况的分析 城市公交车集中运行在城市中心区域，平均车速低，加减速频繁，其运行线 路基本固定，驾驶循环变动不大，运行工况在很大程度上呈现出相似之处，而且 其单车燃油消耗和排放都要高于轿车，因此基于城市公交车运行工况的这些特点 对其展开控制策略开发研究具有十分重要的意义。 本章主要是通过对6 0 0 路混合动力公交车运行数据的挖掘，提取其运行工况 的特征参数，并对这些特征参数进行了分析，进而基于其在交通高峰期的运行：【 况相似提取出了可以代表其交通高峰期运行特征的参考工况。 2 16 0 0 路公交线路 6 0 0 路混合动力公交车为环线运行公交车，总行程约为1 6 5 公里。沿途设有 2 6 个站点，共经过4 4 个红绿灯路口。具体的运行路线如图2 1 所示，由于是环 线运行，运行方向分为瞬时间和逆时针两种，本文的研究工作只是针对于其逆时 针运行工况。 图2 1 天津市6 0 0 路公交路线图 第二章天津市6 0 0 路混合动力公交车运行工况的分析 2 2 运行工况的特征分析 采用本课题组研发的车载智能信息单元记录了6 0 0 路混合动力公交车的运 行数据，包括车速、g p s 信息、发动机转速、转矩、电动机转速、转矩、蓄电池 组电压、电流j 踏板开度等。 ( 一) 车载智能信息单元介绍 车载智能信息单元采集c a n 网络数据信息，获得车辆当前的状态信息，包 括发动机转速、电动机转速、扭矩、车速、蓄电池组s o c 等等，将所有获得的 数据储存在f l a s h