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委员： 导师： 釉 掳、隶 舍肥2 也刖誓 ，、够 出【旬互 掏撒 含l 泐久忒炙 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：矽ij 年p 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目墨王业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期砂1 年中月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 日 p l u g - i n 混合动力汽车控制策略的研究与仿真 摘要 可插电式混合动力汽车( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 作为一种 新型的混合动力汽车，较普通意义上的混合动力汽车具有诸多优点。它可以直 接通过充电设备从供电网络获取能量，并能够在电量消耗蓄势里程( c h a r g e d e p l e t i n gr a n g e ，c d r ) 内主要通过电机来驱动车辆。 本文以某混合动力汽车为研究对象，对整车控制策略进行设计与仿真分析。 论文首先对所研究的混合动力汽车的总体方案进行设计和建模，根据预先提出 的设计方案，对发动机、电动机、电池的参数以及各零部件结构参数进行选择、 匹配设计，然后对车辆的性能进行了预测、分析和计算。 文中对几种不同的控制方法的优缺点进行了分析比较，并着重就模糊控制 策略进行了分析。仿真实例表明，在考虑燃油经济性和排放最优的基础上，模 糊控制能够有效地控制电池s o c 的波动范围，使电池充、放电程度以及其对电 池寿命的影响有所改善。另外，文中对p h e v 的传动系统参数和控制策略进行了 优化设计，考虑到模型复杂性及非线性，本文采用了智能微粒群混合算法，仿 真结果也表明较常规算法求解率高。 关键词：可插电式混合动力；控制策略；模糊控制；p s 0 优化 t h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fp l u g - i nh y b r i d v e h i c l eco n t r o ls t r a t e g y a b s t r a c t p l u g - i nh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ea san e wh y b r i dv e h i c l e ，c o m p a r e dw i t h o r d i n a r ys e n s eo ft h eh y b r i dv e h i c l eh a sm a n ya d v a n t a g e s i t c a nb ed i r e c t l y c h a r g e df r o mt h ep o w e rs u p p l yn e t w o r k ，a n dm a j o rd r i v e nb ym o t o ri nc h a r g e d e p l e t i n gr a n g e ( c d r ) i nt h i sp a p e r ，t h ev e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g yw a sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d b a s e do n ah v b r i dc a r f i r s t l y ，t h eg e n e r a ls c h e m eo fh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ed e s i g na n d m o d e l i n gw e r ea n a l y z e di nt h ep a p e r b a s e do nt h ep r e d e s i g n ，t h ee n g i n e ，m o t o o ， b a t t e r ya n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n t sw e r es e l e c t e d a n dm a t e n e d ， t h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l eh a sb e e nf o r e c a s t e d ，a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d s e v e r a ld i f l f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da n dt h ea d v a n t a g e so ft h e m w e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o dw a sa n a l y z e di ne m p h a s e t a k i n gt h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o n si n t oa c c o u n t ，t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o d h a s c o n t r o l l e dt h ef l u c t u a t i o nr a n g eo fb a t t e r ys o ce f f e c t i v e l y ，a n d a l s ot h eb a t t e r y c h a r g ea n dd i s c h a r g el e v e l sa n dt h e i rl i v e sh a v eb e e ni m p r o v e d i na d d i t i o n ，t h e p a r a m e t e r so fp h e vd r i v es y s t e m sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e sd e s i g nw e r eo p t i m i z e d c o n s i d e r i n gt h em o d e l sc o m p l e x i t y a n dn o n l i n e a rn a t u r e ，i n t e l l i g e n tp a r t i c l e s w a r ma l g o r i t h mw e r ep r o p o s e d ，a n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w st h a t t h ep s o a l g o r i t h mi sm o r ee f f e c t i v et h a nc o n v e n t i o n a lw a y s k e y w o r d s ：p h e v ；c o n t r o ls t r a t e g y ；f u z z yc o n t r o l ；p s oo p t i m i z a t i o n 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一钱立军教授的悉心指导下完成的，在此论文 完成之际，对钱老师在我研究生学习阶段给予的学习及生活上的关心和帮助表 示我最衷心的感谢。在我的整个研究生学习期间，钱老师在学习上对我严格要 求，不断督促我的进步；在学术科研和生活方面及时指出我的缺点和不足，使 我在收获了丰富的科学知识的同时也学会了许多做人做事的道理。我从钱老师 这里最重要的是学到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对事业和生活的态度， 所有这些都将是我人生路上的宝贵财富。对此，我再一次向尊敬的钱老师这三 年来的谆谆教诲表示我最诚挚的谢意。 同时我要感谢我的老师、同学们在学习和生活上给予我的帮助和支持，在 此我要向我的同门：李源源、向世伟、王欢、吴道俊、杨年炯等表示我最真诚的谢 意。另外，我还要感谢4 1 7 实验室的师兄、师姐、师弟、师妹们，他们在我研 究生阶段所给予的支持与鼓励，对课题的完成起到了积极作用，在此深表感谢。 最后，感谢我的家人、朋友和同学们对我精神上和物质上的支持。他们的 支持和信任是我不断取得进步和突破的动力。 作者：王希斐 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景及意义1 1 2电动汽车发展史 6 1 2 1 3 可插电式混合动力汽车概述3 1 3 1p h e v 的工作模式3 1 3 2 当前p h e v 研究存在的问题6 1 3 3p h e v 国内外研究状况6 1 4本文主要研究内容8 1 5 总结9 第二章p l u g i n 混合动力汽车的结构类型与仿真方法1 0 2 1 p l u g i n 混合动力汽车动力系统的结构类型1 0 2 1 1 串联式p h e v 动力传动系统1 0 2 1 2 并联式p h e v 动力传动系统1 1 2 1 3 混联式p h e v 动力传动系统1 1 2 2p l u g i n 混合动力汽车动力仿真方法分析1 2 2 2 1 后向仿真方法1 2 2 2 2 前向仿真方法1 3 2 3 总结1 4 第三章p h e v 驱动系统仿真模型的建立与分析1 5 3 1 车辆模块。1 5 3 2 车轮和车桥模块1 6 3 3 主减速器模块1 7 3 4 变速器模块1 8 3 5 离合器模块2 0 3 6 力矩耦合器模块2 1 3 7 车辆控制模块2 2 3 8 机械装置模块2 5 3 9 发动机模块2 7 3 1 0 电机与控制器模块。2 7 3 11 排气系统模块2 9 3 12 电器设备模块2 9 3 13 电力总线模块3 0 3 1 4 蓄电池系统模块3 1 3 15 总结。3 2 第四章p h e v 控制策略的设计3 3 4 1p h e v 控制策略概述3 3 4 1 1 基于规则的控制策略3 3 4 1 2 基于优化的控制策略3 5 4 2p h e v 控制策略设计3 6 4 2 1 基于规则逻辑门限控制策略【3 3 】【3 4 】【3 5 】3 6 4 2 2p h e v 模糊逻辑能量管理控制策略4 0 4 2 3 模糊扭矩实时修正控制4 2 4 3p h e v 性能仿真结果分析4 4 4 3 1 仿真软件介绍4 4 4 3 2 仿真实例4 4 4 4 总结4 9 第五章p h e v 系统参数的优化及性能仿真5 0 5 1p h e v 系统优化的描述5 0 5 2 优化算法的选择5 0 5 2 1 p s o ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 的算法5 0 5 2 2 d e ( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ) 的算法5 0 5 2 3 智能粒子群的混合算法5 1 5 3p h e v 系统优化设计5 2 5 3 1 传动系统的参数优化5 2 5 3 2 控制策略的优化设计一5 3 5 4 系统优化的实现5 3 5 5 优化结果分析。5 4 5 6 总结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望与建议5 7 参考文献5 9 插图清单 图1 1纯电动模式下能量状态4 图1 2 纯电动模式下能量分配4 图1 3 电动机主导模式下能量状态5 图1 4电动机主导模式下能量分配5 图1 5 发动机主导模式下能量状态5 图1 6 发动机主导模式下能量分配5 图1 7 比亚迪f 3 d m 8 图1 8 江淮“和悦”p h e v 8 图1 9 通用“v o l t ”p h e v 8 图1 1 0 丰田“p r u i s ”p h e v 8 图2 1 串联式p h e v 动力系统的结构图1 0 图2 2 并联式p h e v 动力传动系结构图1 1 图2 3 混联式p h e v 动力系统结构图1 2 图2 4 后向仿真流程示意图1 3 图2 5 前向仿真流程示意图1 4 图3 1 车辆模型图1 5 图3 2 车轮车桥模块图1 6 图3 3 主减速器模块图1 7 图3 4 变速器模块图1 9 图3 5 离合器模块图2 0 图3 6 力矩耦合器模块图2 1 图3 7 车辆控制模块图2 3 图3 8 机械装置模块2 6 图3 9 发动机模块图2 7 图3 1 0 电机与控制器模块2 8 图3 1 1 排气系统模块图2 9 图3 1 2 电器设备模块2 9 图3 1 3 电力总线模块图3 0 图3 1 4 蓄电池系统模块图3 l 图4 1p h e v 控制策略分类3 3 图4 2 行驶工况判断s i m u l i n k 模型3 8 图4 3 加速工况的s i m u l i n k 模型3 9 图4 4 减速工况的s i m u l i n k 模型3 9 图4 5 模糊控制器模型4 0 图4 6 电池s o c d 隶属度函数一4 2 图4 7 输入扭矩t d 隶属度函数4 2 图4 8 发动机扭矩系数一4 2 图4 9s o c 偏差隶属度函数4 3 图4 1 0s o c 变化率隶属度函数4 3 图4 1 1 充、放电单位隶属度函数4 3 图4 1 2 仿真参数设置界面4 5 图4 1 3c y c u d d s 道路循环工况车速一时间曲线4 5 图4 1 4c y c h w f e t 道路循环工况车速一时间曲线4 6 图4 1 5c y c u d d s 工况下的电机工作特性图4 6 图4 16c y c u d d s 工况下的发动机工作特性图一4 6 图4 1 7c y c h w f e t 工况下的电机工作特性图4 7 图4 18c y c h w f e t 工况下的发动机工作特性图4 7 图4 1 9c y c u d d s 工况下的电机工作特性图4 8 图4 2 0c y c u d d s 工况下的发动机工作特性图4 8 图4 2 lc y c h w f e t 工况下的电机工作特性图4 8 图4 2 2c y c h w f e t 工况下的发动机工作特性图4 8 图5 1 混合智能微粒群算法流程图5 2 图5 2p l u g i n 混合动力汽车s i m u l i n k 模型5 4 图5 3p l u g i n 混合动力汽车优化算法流程图5 4 图5 4 经过传动系统优化后s o c 变化图5 5 图5 5 整车系统优化后s o c 变化图5 5 表格清单 表4 1 扭矩修正控制规则图4 4 表4 2p h e v 总成参数4 4 表4 3 循环特性参数4 6 表4 4 基于逻辑门限制控制的仿真结果4 7 表4 5 基于模糊控制的仿真结果比较4 8 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 愈来愈严重的石油资源匮乏和环境污染问题构成了当今世界汽车工业发展 的两大难题。这也要求各国政府和科技人员重新赋予汽车以新的生命。在给 世界经济带来高速发展和人们出行带来方便的同时，汽车已不仅仅是简单的交 通工具，而是一个流动的污染源。如何开发一种既节能又环保的交通工具是未 来解决能源危机和环境危机所必须要走的一条路，也是汽车工业重获新生的一 场革命。电动汽车作为一种具有友好环境关系的新型汽车成为各国政府以及世 界各大汽车公司研究的重点。 电动汽车分为纯电动汽车、燃料电池汽车以及混合动力汽车三种。纯电动 汽车以动力电池作为驱动能源，具有零排放、高能效等优点，但由于目前动力 电池仍未取得关键性的突破，实用化程度不高。燃料电池汽车由于氢的制取和 存储技术仍未突破瓶颈，应用起来成本较高，在推广应用方面受到了限制啦! 。 在纯电动和燃料电池汽车尚未成熟的条件下，发展油一电混合动力汽车是一条很 实用的途径。相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车而言，以内燃机和电池一电机 作为动力源的混合动力汽车在蓄势里程和排放方面得到了完美的结合，既有纯 电动汽车低排放的优点，又发挥了传统内燃机汽车比能量和比功率高的长处。 因此，混合动力汽车被认为是最易实现产业化的主流新能源汽车车型，引起了 世界各国政府及汽车公司的广泛关注。 可插电式混合动力汽车( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 作为一种 新型的混合动力汽车，较普通意义上的混合动力汽车具有诸多优点口1 。它可以 直接通过充电设备从供电网络获取能量，并能够在电量消耗蓄势里程( c h a r g e d e p l e t i n gr a n g e 。c d r ) 内主要通过电机来驱动车辆。从而大大减少了车辆在短 距离行驶尤其是在城市工况下行驶时造成的空气污染，提高了能源的利用效率。 目前，p l u g i n 混合动力汽车已成为国内外各大汽车厂商及研究机构研制的热 点。p h e v 的一个显著优点是可以根据不同的电量消耗蓄势里程合理分配能量， 根据里程的长短分别采用混合动力模式和纯电动模式。较传统混合动力汽车而 言，p h e v 在电池组能量上有所加强，发动机排量则比普通混合动力汽车要小。 这就要求对其电量消耗蓄势里程有一个初步的估算，尽量使其工作在纯电动模 式下，最大限度的降低有害气体的排放，实现节能减排的目标。由于p h e v 要 求在电量消耗蓄势里程内尽可能优化的分配发动机和电池的能量，这对其能量 控制策略就提出了比较高的要求。加上在不同的电量消耗蓄势里程下，要综合 考虑发动机以及电池的利用效率，给控制策略的设计和优化带来比较大的困难。 目前，国内外对可插电式混合动力汽车( p h e v ) 的研究仍处于起步阶段，p h e v 较传统的混合动力汽车而言，对发动机以及电机等动力系统的要求有了进一步 的提高，同时对整车的控制策略也提出了更高的要求哺3 。 1 2电动汽车发展史哺1 1 2 1电动汽车的崛起 电动汽车发展的历史并不比内燃机汽车短，它甚至比奥托循环发动机还要 早。18 3 4 年，t h o m a sd a v e n p o r t 造出了世界上第一辆电动三轮车，它虽然只能 行驶一小段距离，却开创了电动汽车的历史。四年后，苏格兰商人r o b e r t a n d e r s o n 研制出用干电池驱动的电动汽车。g a s t o np l a n t e 于1 8 6 5 年在法国研 制出性能更优良的蓄电池，来自奥地利发明家f r a n zk r a v o g l 在18 6 7 年的巴黎 世界博览会推出了一款双轮驱动电动车。18 8 1 年法国人卡米尔福尔对传统电 池进行了改进，提高了电池容量，极大的促进了电动车的发展。法国和英国也 成为第一批支持发展电动汽车发展的国家。 1 8 9 7 年，美国费城电车公司开发的电动出租车第一次实现了电动车的商用 化。1 9 世纪末2 0 世纪初经济繁荣的美国，人们的生活水平快速增长，汽车一 度开始流行起来。而在1 8 9 9 年和1 9 0 0 年，电动车销量遥遥领先于其他动力源 的汽车。因为在当时而言，电动汽车相比其它类型汽车具有非常明显的优势， 电动车具有无噪音、清洁、易于操控等特点，非常适合女性驾驶。虽然蒸汽机 汽车操作也比较方便，但却需要较长的预热阶段。并且电动车单次充电的续航 里程相比蒸汽机汽车加一次水的续航里程要长。由于当时汽车的需求里程一般 都比较短，因此电动车续航里程的问题并没有成为阻碍其发展的原因。 1 2 2 汽柴油机成为主流的阶段 电动汽车在继2 0 世纪初快速发展之后，很快又遇到了阻碍。2 0 世纪2 0 年代 开始，内燃机汽车逐渐成为主流，原因主要有三个方面。第一，良好的城市交 通网络，对汽车的续航里程有了更进一步的要求；第二，石油开采技术的发展 降低了汽油价格，为汽油机车发展提供了便利；第三，汽油机车本身的技术突 破和快速发展赢得了市场。例如一款l9 1 2 年的电动双座敞篷车售价1 7 5 0 美元， 而当时同级别的福特汽车的售价只要4 4 0 美元。在1 9 世纪2 0 年代以后，电动汽车 数年都没能取得技术上的突破，而内燃机汽车却得到迅猛发展，由此导致了电 动汽车的市场一步步削减，直至1 0 年后彻底消失。然而在2 0 世纪中叶，现代电 控技术的发展以及点接触晶体管的发明，给电动汽车的发展注入了一剂强心剂。 美国h e n n e y 汽车计公司和国家联合电子公司在1 9 5 9 年开发的h e n n e yk i l o w a t t 为 现代电动汽车的发展做出了重要贡献，虽然k i l o w a t t 在商业化的道路上并为取 得成功，但是它在技术上取得的突破为以后电动汽车的发展指明了方向。 1 2 3电动汽车的复苏 2 0 世纪7 0 年代以后，全世界范围内的能源危机令电动汽车再次得到业界的 重视。1 9 9 0 年，在洛杉矶车展上，通用汽车c e o 罗杰史密斯( r o g e rs m i t h ) 发布 2 了i m p a c t 纯电动概念车，并宣布量产计划。纯电动汽车由于技术和成本的制约， 9 0 年代以来，各国政府和研究机构开始将目光投向混合动力汽车。以日本汽车 企业为例，丰田公司于l9 9 7 年1 2 月率先推出了混合动力轿车一一p r i u s ，在业 内取得了强烈的反响。之后，日产和本田等汽车厂商也分别研制了自己的混合 动力汽车，本田公司推出的i n s i g h t 混合动力汽车被美国环保总署( u s e p a ) 评为 2 0 0 1 年美国十大节能车型的第一名。美国政府在此期间也加强了与企业之间的 合作，美国总统克林顿于1 9 9 3 年9 月与g m 、f o r d 以及c h r y s l e r - - - 大汽车公 司共同签订了“新一代汽车合作伙伴计划”( p a r t n e r s h i pf o ran e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e s ，p n g v ) ，旨在新能源汽车方面取得突破。到目前为止，以雪佛兰v o l t 、 福特的p r o d i g y 混合动力概念车以及克莱斯勒公司开发的道奇无畏e s x 2 串联式 混合动力汽车均在业内取得了强烈的反响，并在关键技术领域取得了显著的成 绩。欧洲各大汽车厂商也加强了混合动力汽车的研制和开发，其中具有代表性 的有法国的雷诺以及标志、德国的奔驰以及零部件生产厂家西门子和博世。 国内从7 0 年代开始进行电动汽车的研究，在“九五期间进行了混合动力 汽车的试制试验以及关键零部件的技术攻关，在相关领域取得了突破性的进展。 “十五”期间，科技部在节能与新能源汽车的研发上投入超过8 亿元，电动汽车 开发被列入8 6 3 计划，确定了以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三 纵”；以多能源动力总成控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统为“三 横”的“三纵、三横 的研发布局。“十一五 期间，电动汽车与清洁燃料汽车 合并列入8 6 3 计划，基本形成了完整的新能源汽车研发、示范布局。目前，在国 家大力推进新能源、低碳经济的主导方针下，电动汽车已成为我国下一个“五年 计划”的重点推动项目。十二五”期间的重大专项将侧重于纯电动汽车及其关键 零部件的技术突破和产业化工作。 由此可见，在资源和环境的双重压力下，各国政府及汽车厂商已经着眼于 新一代节能减排型汽车一一电动汽车的发展。环保和节能是2 l 世纪汽车技术发 展的一个重要方向，电动汽车的重新复苏也势必将改变世界能源的格局。 1 3 可插电式混合动力汽车概述 所谓可插电式混合动力车( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 是可以 通过外接电源进行能量补给的一种混合动力汽车。它具备纯电动汽车的全部优 点，可以利用夜间低价电力对电池充电，行驶距离短时以纯电动的方式运行，行 驶距离长时则以混合动力的方式运行。如果消费者的日常行驶里程在续驶里程 范围之内的话，则无须再往返于加油站。 1 3 1p h e v 的工作模式 p h e v 的工作模式用以描述可插电式混合动力汽车在不同蓄驶里程( c d r ) 下的最佳运行模式。对于p h e v 能量控制策略，在不同c d r 下的如何工作是 首先应该考虑的问题，工作模式归结起来可以归类为以下几种7 m 1 ： 1 3 1 1 纯电动工作模式 p h e v 在纯电动工作模式时，车辆运行阶段( c d ) 的需求功率全部由电力 驱动系统提供，发动机只在s o c 下降到下限值s o c l 。w 时才起动，这时p h e v 进 入到电能保持阶段( c s ) 。工作在纯电动模式下的车辆，具有良好的操纵性能 和零排放特性。由于纯电动工作模式的前提是电驱动系统必须能够满足在驾驶 循环下车辆的最大需求功率。相应地，电池和电机的尺寸和重量就会增加、整 车成本大幅提高。图1 1 、图1 2 分别描述出动力的状态和分配情况蹲川叫。 c d r 行驶距离 图卜1纯电动模式下能量状态图卜2 纯电动模式下能量分配 1 3 1 2 电动机主导的工作模式 p h e v 电动机主导的工作模式与纯电动模式的不同之处在于：电机主导的 工作模式下，p h e v 在c d 阶段发动机也参与了工作，并不是只有电机驱动系 统在工作。图1 i3 描述了该工作模式下的动力运行状态，如图所示：车辆启动 以后首先工作在全电力驱动模式下，一旦电动机输出功率达不到车辆需求功率， 发动机就开始工作。由图1 4 同样可以看出：在c d 阶段，该工作模式下的电 力驱动系统提供了大部分的车辆需求功率，发动机仅辅助提供超出电动机最大 输出功率的额外功率。由于转速较低，此时发动机并未运行在高效区，但由于 其输出能量较小，故整车燃油消耗仍相对较低。 4 行驶距离 图卜3 电动机主导模式下能量状态图卜4电动机主导模式下能量分配 1 3 1 3 发动机主导的工作模式 发动机主导的工作模式下，发动机是车辆主要能量来源，电力驱动系统则 为车辆的辅助动力源。与电机主导工作模式相似，车辆启动后首先以全电力驱 动状态运行，只有在车辆需求功率大于电力驱动系统所能提供的最大功率时或 者发动机能够运行在高效区时，发动机开始工作。起动后发动机运行在高效区， 由电动机提供辅助驱动功率。这种模式下，发动机提运行时间相对于前两种工 作模式较长，因此p h e v 工作中能够更好的保存电池组的能量，电池组s o c 值 下降速度也明显降低。 c d r 行驶距离 图卜5 发动机主导模式下能量状态图卜6 发动机主导模式下能量分配 通过几种p h e v 工作模式的比较，纯电动工作模式下，车辆的经济性、 排放性能最佳，但当行驶里程大于或等于车辆预期的纯电动续驶里程( a l l e l e c t r i cr a n g e ，a e r ) 时，车辆需求功率大于电力驱动系统所能够提供的最大输 出功率，车辆就会将进入c s 阶段，此时发动机起停较为频繁，车辆经济性、 排放性变差。并且纯电动工作模式对循环工况的要求也较高。电动机主导工作 模式可以解决动力性不足的问题，而且能够达到较好的排放性能，但由于发动 机经常在低负荷下间歇性运行，会带来一定的排放问题。发动机主导的工作模 式下，发动机经常运行在高效区，短距离行驶节能效果不明显，因为p h e v 只 有在行驶距离超过了其电量消耗续驶里程时，发动机的节能效益才能体现出来。 1 3 2 当前p h e v 研究存在的问题 1 3 2 1 整车动力系统匹配与控制策略的问题 在混合动力系统技术的基础上，p h e v 目前开发的主要技术集中在驱动系统 参数匹的配和控制策略的研究两方面。在进行参数匹配时，一方面要考虑在纯 电动情况下行驶的动力性和蓄驶里程，这就要求驱动系统提供大功率的电机和 大容量的电池；另一方面要考虑混动模式下的动力性，在满足行驶需求功率的 情况下，发动机的排量和尺寸会相应的减小。在进行控制策略设计时，要考虑 如何在不同的电量消耗蓄驶里程下实现发动机和电机合理的能量分配、电池在 低电量下如何得到保护、何时进入混合模式、如何实现全局能量分配最优等问 题。 1 3 2 2p h e v 对电池性能的要求 电池一直以来是电动汽车发展的瓶颈，同样也是p h e v 发展的关键技术之 一。就目前来看，锂离子电池以其工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、 循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等众多优点成为目前最具市场 前景的电池。相比于铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池等其他类型电池而言，锂 离子电池具有较高的能量密度和功率密度。为了保证p h e v 有必要的动力性能 指标和纯电动行驶里程，又不增加太多的车辆重量，动力电池具备足够高的能 量密度和功率密度是必不可少的。p h e v 经常要采用纯电动模式行驶，电池要 经常工作在深充深放的情况下，因此确保电池具有较长的循环寿命也是必需的。 另外，在特殊情况下，即使这时电池s o c 已经处在较低的水平，应仍具有大电 流放电的能力：同样在电池s o c 较高的情况下，如需回收制动能量，电池应能 接受大功率充电的能力。 1 3 3p h e v 国内外研究状况 p h e v 是近几年在传统混合动力汽车的基础上发展起来的一种新型混合动 力汽车。p h e v 与以往的混合动力汽车不同之处在于，车辆可以通过充电装置进 行充电，而且p h e v 大多数情况能够以纯电动的方式运行，发动机只是作为辅助 能源系统，因此大大减少了车辆对燃油的依赖性，达到更加环保节能的效果， 因此得到了各国政府以及汽车厂商的青睐1 。 1 3 3 1国外研究状况 通用汽车于2 0 0 7 年1 1 月洛杉矶车展与2 0 0 8 年1 月底特律车展推出了c h e v y v o l t 系列概念车，作为p h e v 的典型代表，该系列车取得了不错的成绩。c h e v y 6 v o l t 平均每公升汽油约可行驶约2 1 公里。与2 0 0 7 年美国同级车平均值相比， 每公升汽油可行驶的距离增加了6 4 ( 依照c a f e 计算的平均值为每公升1 2 8 公里) 。该款车约需充电6 - 6 5 小时，续航里程约6 5 公里，并于2 0 1 0 年量产面 市。另外，通用于2 0 0 9 年推出的“s a t u r nv u eg r e e nl i n e ”车型，可在家以 l1 0 v 充电，充电4 - 5 小时后，可以纯电力行驶1 6 公里。预计该车款将在 2 0 1 0 - 2 0 1 1 年成为北美地区第一部p h e v 的s u v 车款。 由于成功将p r i u s 、l e x u sr x 4 0 0 h 与l e x u sg s 4 5 0 h 等车型销售至欧洲市场， 丰田t o y o t a 成为欧洲最具竞争力的h e v 汽车制造商。2 0 0 7 年丰田与法国电力 公司( e d f , e l e c t r i c i t ed ef r a n c e ) 缔约成为技术联盟，共同合作评估欧洲p h e v 的市场前景。同时，e d f 计划将在法国设立p h e v 相关配套零部件的生产基地， 以满足日渐成长的p h e v 市场需求。 戴姆勒( d a i m l e r ) 也在很早就将目光投向了p h e v 的试制与开发。它通过 推出一定数量的车型，由消费者在实际驾驶过程中对不同p h e v 动力系统作出 评价，然后通过反馈信息进行整改。例如，2 0 0 7 年戴姆勒就将2 0 辆道奇列入 到p h e v 试制计划，通过消费者进行日常生活中的实际道路测试，对p h e v 的 各项性能尤其是电池及电池管理系统的运行状况等相关信息进行了反馈，为 p h e v 二代车的开发提供了十分有利的数据支撑，在市场上也取得了良好的效 果1 剀。 1 3 3 2国内研究状况 “十五”期间，我国将混合动力汽车研发列入8 6 3 计划进行技术攻关，以一汽、 东风、长安和奇瑞公司等单位牵头进行研究，完成了中、轻和微度混合动力乘 用车，以及中度混合动力客车等多种车型的样车开发，其中混合动力客车率先 进行了示范运行。“十一五”期间，我国将混合动力汽车动力系统技术平台和产 品开发列为8 6 3 课题的重点，国内主要汽车厂都参与了混合动力汽车技术研究。 目前，电动汽车“十二五”专项规划草案已拟定。规划明确电动车产业化研发 方向为纯电动和可插电式混合动力两个方向为重点。“十二五规划 提出了对建 立新能源汽车关键技术研发体系的要求，重点加强对电池、电控等关键技术的 研究，力争在十二五末形成新能源汽车及其关键零部件的产业化布局以及具有 市场竞争力的工业体系，以满足新能源汽车的产业化发展趋势。 国内各大汽车厂商和科研机构也积极开展了对插电式混合动力汽车 ( p h e v ) 的研究，并取得了可喜的成绩。以比亚迪的f 3 d m 为例，它搭载了 目前国际领先的d m 双模系统，用户可以通过按钮实现纯电动和混合动力两种 模式的切换。江淮汽车推出的“和悦插电式混合动力汽车克服了传统内燃机 汽车高油耗、高排放以及纯电动汽车蓄势里程低等缺点，是一款极具商业推广 价值的混合动力汽车。另外，中集凌宇汽车公司制造出国内首辆可插电式混合 7 动力客车，在业内引起了强烈的反响。 图卜7 比亚迪f 3 d m图卜8 江淮“和悦”p h e v 图卜9 通用“v o l t ”p h e v图卜1 0 丰田“p r u i s ”p h e v 1 4 本文主要研究内容 本文是以江淮汽车某款混合动力汽车为原型，对p h e v 整车控制策略以及优 化进行了重点研究。基于以上考虑，本文主要研究内容如下： 1 本文首先就基于规则和基于优化两种控制策略的优缺点进行分析，文中 将重点对基于规则的p h e v 控制策略进行讨论。其中，基于逻辑门限值的控制策 略由于其算法简单、鲁棒性强，在应用过程中比较容易实现。而模糊逻辑控制 策略可以更好地实现对非线性复杂系统的动态控制，能够更加准确的对被控过 程进行推理决策。 2 通过对模糊逻辑控制算法的优化设计，使隶属度函数形状有更进一步的 优化。并在特定的驾驶循环下，应用p s o 优化方法对系统参数进行最优化求解， 使得系统运行达到最佳。 3 对p h e v 的系统进行优化设计，主要包括传动系统的参数优化的和控制 策略的优化。系统优化步骤是，首先对传动系统进行优化，然后再进行控制策 略的优化设计。对传动系统的优化主要是对变速器速比的优化。对控制策略的 优化主要是对电池s o c 上下限值以及发动机的工作点的优化。基于模型复杂性 及非线性，本文将采用智能微粒群混合算法对传动系统参数和控制策略进行优 化设计。 8 1 5 总结 本章首先就本论文的选题背景和意义进行了探讨，然后分别介绍了电动汽 车的发展历程以及p l u g i n 混合动力汽车研究的近况。通过对国内外p h e v 研究 成果的比较，明确了现阶段p h e v 发展的优势与不足。控制策略是p h e v 研发的 技术核心和设计难点，也是其研发成败与否的关键所在，文中就目前比较典型 的几种控制方法做了比较详细的论述，并对在论文中所做的工作进行了简要的 概述，为下一步工作奠定了基础。 9 第二章p l u g