（光学工程专业论文）混合动力城市公交车控制策略设计与优化.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员签名( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 瓶恤 勿眺 锋镅 锄当 泓l 砺膨乃阳和易， 缸钝店嗽 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盔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：承并够签字日期：z 。i f 年争月五蝎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 巴王些太堂有关保留、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。本人授权盒胆王些太 兰l 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) 学位论文者签名： 裂影争 导师签名： 叁万j 飞 签字日期：2 0 f f 年咩月肿 签字日期和n 年￥月1 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 混合动力公交车控制策略设计与优化 摘要 当今环保和能源地问题倍受关注，混合动力汽车具有高效节能，低排放的 优势，因此，开发混合动力汽车是节能环保发展的主攻方向。混合动力汽车动力 系统参数匹配和控制策略的研究，是混合动力汽车的核心技术。 本文以安徽省“节能与新能源汽车 重大科技专项为依托，以并联式混合 动力公交车为研究对象，在分析城市公交车运行工况特点的基础上，完成了并 联式混合动力公交车的总体参数设计。结合后轮驱动的混合动力公交车的特点， 建立了混合动力公交车整车和主要部件的仿真模型( 包括发动机、电机以及超 级电容等) 。并结合样车试验结果对模型进行了仿真分析，结果表明模型符合实 际情况，从而为混合动力公交车整车控制策略设计与优化研究奠定基础。 在分析并联式混合动力公交车控制策略设计目标和遵循原则的基础上，设 计了以t ( 整车需求转矩与当前转速下发动机最优转矩的差值) 和超级电容的 s o c 值为输入，发动机转矩为输出的模糊控制策略。在分析遗传算法与蚁群算 法的基础上，提出了一种基于遗传蚁群算法的混合动力公交车模糊控制策略的 优化方法。以等效燃料消耗为优化目标，利用遗传蚁群算法对混合动力公交车 模糊控制的隶属度函数和模糊控制规则进行了优化。然后在m a t l a b a d v i s o r 建立了混合动力公交车模糊控制策略模型和整车仿真模型，并进行了混合动力 公交车整车性能仿真分析。 仿真结果表明：遗传蚁群算法优化后的模糊控制策略可以使发动机有较多 的工作点分布在效率较高的中高负荷区，处于发动机的最优工作区域内，且燃 油消耗量比遗传算法优化的降低了3 1 ，比蚁群算法优化的降低了4 4 。从 而验证了基于遗传蚁群算法优化的模糊逻辑控制策略的优越性与可行性。 关键词：并联式混合动力公交车，模糊控制策略，遗传蚁群算法，优化 d e s i g na n do p t i m i z a t i o no n c o n t r o ls t r a t e g yo f h y b r i de l e c t r i cb u s a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ya r ew e l l f o c u s e di nn o w a d a y s h y b r i d v e h i c l eh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n g ，a n dl o w e m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fh y b r i dv e h i c l e sa r et h ei n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n t o ft h em a i na u t o m o t i v ed i r e c t i o nf o re n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a s t u d yo nt h ep a r a m e t e rm a t c h i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g yi st h et h ec o r eo fh y b r i d v e h i c l et e c h n o l o g i e s t h ep a p e ri sb a s e do nt h ea n h u ip r o v i n c em a j o rr e s e a r c hp r o j e c t so f s a v i n ga n d n e we n e r g yv e h i c l e s b yt h ea n a l y s i so fc i t yb u so p e r a t i n gc o n d i t i o n ，m a t c ht h ep a r a l l e l h y b r i db u sp a r a m e t e r s w i t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a r - w h e e ld r i v eh y b r i db u s ，b u i l tt h e s i m u l a t i o nm o d e l so fv e h i c l ea n dm a j o rc o m p o n e n t s ( i n c l u d i n ge n g i n e s ，m o t o r sa n ds u p e r c a p a c i t o r s ，e t c ) h a v eas i m u l a t i o no ft h em o d e lc o m b i n e dw i t ht h ep r o t o t y p et e s tr e s u l t s ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e li sr e a l i s t i c a n dt h u sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ec o n t r 0 1 s t r a t e g yo p t i m i z a t i o no f t h eh y b r i db u s af u z z yc o n t r o l l e ro fe n e r g ym a n a g e m e n t ，w h i c hu s e s t ( t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nb u sd e m a n dt o r q u ea n dt h ee n g i n eb e s tt o r q u ei nt h ec u r r e n ts p e e d ) a n dt h e s u p e r - c a p a c i t o rs o c a st h e i n p u t s ，a n d t h ee n g i n e t o r q u e a st h e o u t p u t ，i s c o n s t r u c t e d ，b yt h ea n a l y s i s o f p a r a l l e lh y b r i db u sd e s i g ng o a l s a n dt h e p r i n c i p l e s d e s i g n i n go fc o n t r o ls t r a t e g i e s w i t ht h ea n a l y s i so fg e n e t i ca l g o r i t h m sa n da n tc o l o n y a l g o r i t h m ，an e wo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do ng e n e t i c a n tc o l o n ya l g o r i t h m ( g e n e t i c a l g o r i t h mc o m b i n e dw i t ht h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m ) w a sp u tf o r w a r d t h em e m b e r s h i p f u n c t i o n sa n dr u l e so ff u z z yc o n t r o l l e rw e r eo p t i m i z e ds i m u l t a n e o u s l yb yu s i n g g e n e t i c a n tc o l o n ya l g o r i t h mb a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no b j e c to fh y b r i db u sf u e l e c o n o m y as i m u l a t i o nm o d e lo ft h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g ya n dh y b r i db u sm o d e l w a se s t a b l i s h e db ym a t l a b a d v i s o r a n dt h e nc a r r i e do u th y b r i db u sp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z e df u z z yc o n t r o ls t r a t e g yb yu s i n g g e n e t i c a n tc o l o n ya l g o r i t h m c o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fo v e r a l lv e h i c l e p e r f o r ma n c e ，t h ew o r k i n gp o i n to f t h ee n g i n ei si nm o r ee f f i c i e n td i s t r i b u t i o no fh i g hl o a d a r e a , e n g i n ew o r k si nt h ee c o n o m i ca r e a ；a n dt h ef u e lc o n s u m p t i o nw a sr e d u c e db y 3 1 a n d4 4 i nc o m p a r e dw i t hi n d i v i d u a lo p t i m i z a t i o nr e s u l t so fg e n e t i ca l g o r i t h m a n da n tc o l o n y k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i db u s ，f u z z yc o n t r o ls t r a t e g y ，g e n e t i c - a n tc o l o n ya l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o n 致谢 本人在硕士期间得到了导师尹安东副教授悉心指导和热心帮助，在研究生学习中 尹老师给我指明了研究方向，并在百忙之中，对我在写论文中遇到的问题，提出了很 多宝贵建议和意见。 首先感谢导师尹老师三年来对我的无微不至的关怀和严格指导，尹老师的渊博的 学识、严谨的治学让我受益匪浅，他无私奉献、诲人不倦的精神使我深受教益，并终 身难忘，将激励我在今后人生道路上奋勇拼搏。 近三年的研究生生活中，尹老师为我提供了良好的学习与工作环境，在此谨向恩 师表达崇高的敬意和最衷心的感谢! 感谢各位师兄师弟与师姐师妹们在我生活和学业上的帮助。 感谢我的同学冯瑞，田新新，王修满，张建以及课题组江浩老师等在我的论文完 成期间所给予的帮助。 在攻读学位期间，我还要感谢我的家人在我读书期间对我了极大的鼓励和支持， 是他们为我解除了后顾之忧，让我能全身心地投入到学习中。 最后，感谢所有关心、帮助与支持过我的所有的亲人、老师、同学和朋友。 作者：张辉 2 0 1 1 年3 月3 日 第一章 1 1 1 2 1 3 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 目录 绪论1 研究目的和意义1 混合动力汽车的国内外发展状况1 混合动力驱动方式特点4 1 3 1 串联4 1 3 2 并联5 1 3 3 混联5 混合动力汽车的控制策略6 1 4 1 基于规则的控制策略6 1 4 2 全局最优控制策略6 1 4 3 模糊逻辑控制策略6 1 4 4 基于行驶工况预测的控制策略7 本文研究的主要内容7 混合动力公交车动力总成参数设计与主要部件建模8 混合动力公交车动力总成参数设计8 2 1 1 动力总成构型选择8 2 1 2 动力总成参数设计9 逻辑门限值控制策略设计1 4 2 2 1 逻辑门限值控制策略1 4 2 2 2 逻辑门限值控制策略仿真流程图1 5 2 2 3 控制方法。1 5 混合动力公交车动力总成部件仿真模型的建立【2 1 】1 6 2 3 1 建模方法与建模软件。1 6 2 3 2a d v i s o r 的功能及特点1 6 2 3 3 发动机建模1 6 2 3 4 电机腔制器建模2 0 2 3 5 超级电容的仿真模型2 0 2 3 6 整车动力学模型2 l 2 3 7 基于a d v i s o r 的混合动力公交车整车仿真模型建立2 2 仿真验证2 2 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 本章小结2 3 混合动力公交车模糊控制策略设计。2 5 传统规则控制策略存在的问题与改进措施2 5 模糊逻辑的引入2 6 混合动力公交车整车模糊控制策略设计2 6 3 3 1 模糊控制策略实现的功能2 6 3 3 2 模糊控制策略的控制目标2 8 3 3 3 模糊控制器的设计2 8 3 3 。4 隶属函数2 8 3 3 5 模糊控制的基本思路。2 9 3 3 6 模糊控制规则。3 0 3 3 7 采用模糊控制策略的混合动力公交车整车建模3 0 本章小结3 1 基于遗传蚁群算法的模糊控制策略优化3 2 模糊控制策略常用的优化方法3 2 4 1 1 遗传算法3 3 4 1 2 蚁群算法3 4 遗传蚁群优化算法3 7 4 2 1 遗传蚁群算法的基本思路3 7 4 2 2 遗传算法规则3 7 4 2 3 蚁群算法规则3 8 4 2 4 参数优化的求解过程3 9 遗传蚁群算法优化模糊控制器4 0 4 3 1 目标函数和约束条件的确定4 0 4 3 2 优化流程4 1 本章小结4 l 混合动力公交车模糊控制策略优化仿真分析4 2 混合动力公交车主要技术参数j 4 2 优化仿真4 2 5 2 1 遗传蚁群算法对模糊策略隶属函数的优化4 2 5 2 2 遗传蚁群算法优化仿真结果4 4 5 2 3 遗传算法优化仿真结果4 5 5 2 4 蚁群算法优化仿真结果4 6 优化仿真结果分析4 7 整车动力性与燃油经济性分析4 8 5 5 本章小结4 8 第六章混合动力公交车整车性能试验5 0 6 1 测试仪器和试验样车5 0 6 2 整车动力性试验一5 0 6 3 燃油经济性试验5 1 6 4 本章小结5 2 第七章全文工作总结和建议5 3 6 1 全文工作总结5 3 6 2 论文创新点5 3 6 3 进一步研究建议5 4 参考文献。5 5 插图清单 图1 1 串联式动力系统结构图5 图1 2 并联式混合动力车结构5 图1 3 混联式动力系统结构图6 图2 1 混合动力公交车动力总成结构图8 图2 2y c 6 j 2 2 0 3 0 发动机万有特性图1 0 图2 3 控制策略仿真流程图1 5 图2 4 发动机总成模型。2 0 图2 5 电机控制器模块2 0 图2 6 超级电容总成模型2 l 图2 7 整车动力学模型总成。2 1 图2 8 混合动力公交车整车仿真模型2 2 图2 9 请求车速和实际车速曲线2 2 图2 1 0s o c 值随时间的变化曲线2 2 图2 11 发动机工作点效率：2 3 图2 1 2 电机工作点效率2 3 图2 13 超级电容充电效率2 3 图2 1 4 超级电容放电效率2 3 图3 1 发动机万有特性图2 5 图3 2 混合动力公交车模糊控制器结构示意图2 8 图3 3 输入变量r 的隶属函数。2 9 图3 - 4 输入变量s o c 的隶属函数2 9 图3 5 输出变量t e 的隶属函数2 9 图3 6 采用模糊控制策略的混合动力公交车整车仿真模型3 1 图4 1 遗传算法流程图3 4 图4 2 基本蚁群算法流程图3 6 图4 3 遗传蚁群算法总体框架3 9 图4 4 基于遗传蚁群算法的优化示意图4 1 图5 1 中国典型城市公交循环4 2 图5 2 目标函数值的收敛曲线4 3 图5 3 输入变量丁的隶属函数4 3 图5 4 输入变量s o c 的隶属函数4 3 图5 5 输出变量t e 的隶属函数4 3 图5 6 遗传蚁群算法的仿真结果。4 5 图5 7 遗传算法的仿真结果4 6 图5 8 蚁群算法的仿真结果4 7 图6 1 功率分析仪( 左) 与a m 2 0 2 6 a 型汽车综合试验仪( 右) 5 0 图6 2 混合动力公交车样车5 0 表格清单 表1 1 国内外电动汽车发展情况3 表1 2 世界主要汽车厂商己上市的混合动力公交车4 表2 1 整车主要技术参数与性能要求9 表2 2 发动机参数1 0 表2 3 电机参数一1 1 表2 - 4 超级电容参数1 4 表2 5 混合动力公交车动力性和燃油经济性仿真结果2 3 表3 1 模糊控制规则表3 0 表5 1 混合动力公交车主要技术参数表4 2 表5 2 整车性能仿真比较4 8 表6 1 最高车速实验数据5 1 表6 2 加速时间实验数据5 1 表6 3 典型公交车循环工况燃油消耗量测试数据5 2 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 当今社会能源问题与环境问题受到越来越广泛的关注，电动汽车的环保性 与节能性可以很好的来解决这些环境与能源问题。当前电动汽车发展的速度非 常快【l 】。珍惜稀少的不可再生能源；保护人类的生存环境；减少二氧化碳等温 室气体的排放，已经成为全世界共同面临的问题。人们现在开始重视电动汽车 的研发，纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等清洁汽车都得到了广泛 的关注。现阶段作为纯电动汽车的关键部件之一的储能装置存在能量密度低、 寿命较短、价格较高等问题，使得纯电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽 车相抗衡【2 1 。因此，兼顾了传统汽车和纯电动汽车优点的混合动力汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 成为了世界各大汽车公司和研究机构普遍认为最具 可行性的低油耗、低排放汽车，它继承了纯电动汽车低油耗、低排放的优点， 同时又克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点。 城市公交车作为市内交通的重要组成部分，也是主要的燃油消耗车型。市 区的工况道路密度都比较高，时走时停，行车缓慢，面临着频繁的起步、加速。 消耗功率比较大，燃油消耗大、排放水平差、黑烟现象严重，对城市环境产生 了很大的负面影响，因此采用混合动力公交车是很有必要的。城市公交车的燃 油经济性和排放特性能够得以改善，对于国家的能源安全和城市空气污染状况 的改良有重要的意义 3 4 1 。所以，混合动力城市公交车已经成为世界各国争相研 究，推广的热点。我国政府也十分重视混合动力公交车的发展，先后开展了“十 城千辆 等混合动力公交车的发展规划。而整车控制策略是混合动力公交车的 核心技术之一，因此对混合动力公交车整车控制策略的设计与优化对混合动力 公交车的发展起着重要的作用。 1 2 混合动力汽车的国内外发展状况 二十世纪七十年代石油危机使电动汽车获得了新的活力。美国、法国、英 国以及日本等国家都开始了电动汽车的研发。二十世纪7 0 年代后期，比利时、 加拿大、澳大利亚、美国等都开始了生产电动汽车。从二十世纪8 0 年代起人们 越来越关注环境问题，电动汽车的发展再次得到重视，二十世纪9 0 年代起，汽 车研究与制造企业对电动汽车投入了大量的精力，各个国家纷纷投入到电动汽 车的研发中。 丰田汽车公司是混合动力汽车领域的佼佼者，早在1 9 9 7 年1 2 月首先在日本市场 上推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车普锐斯“p r i u s ”，2 0 0 1 年又相继推 出“e s t i m a ”混合动力面包车和“皇冠( g r o w n ) ”轿车。2 0 0 6 年，丰田汽车公司在 美国市场上推出了四款从现有车型改造成的混合动力汽车，丰田的目标是最终将推出 旗下几乎所有车型的，混合动力版，并在2 0 12 年把混合动力汽车的产量提高到1 0 0 万辆。 在1 9 9 3 年，美国计划2 0 0 4 年推出能用于投产的车型。经过几年努力，三大汽 车公司于1 9 9 8 年在北美国际汽车展上分别展出了样车，并在此基础上按期推出三款 混合动力轿车一通用p r e c e p t 、福特p r o d i g y 、克莱斯勒d o d g ee s x 3 【5 】。2 0 0 7 年美国 混合动力汽车市场规模达n 3 万辆，已有近2 0 个城市在试用混合动力公交车。与此同 时，欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力汽车。 通用、戴克和宝马三家汽车公司在混合动力技术发展方面结成了技术联盟，携手 发展双模混合动力技术，并在2 0 0 5 年的北美车展上引入了一款结合了v 8 柴油发动机 和最新一代混合动力驱动系统的s 级轿车。通用汽车公司在2 0 0 7 年与法国电力公司 ( e d f ，e 1 e c t r i c i t ed ef r a n c e ) 缔约成为技术联盟，合作评估和测试欧洲混合 动力汽车市场。2 0 0 7 年d a i m l e r c h r y s l e r 将3 0 辆d o d g es p r i n t e r 列入混合 动力汽车计划，进行道路试验，已经有四台车进入消费者试驾的阶段。2 0 0 7 年 初f o r d 推出全球首款氢燃料电池汽车f o r de d g eh y s e r i e s 。同时f o r d 和 s o u t h e r nc a l i f o r n i ae d i s o n 宣布合作规划插电式混合动力车( p h e v ) 的商业化 之路，降低排放并提升国家电网的成本效益【6 】。 我国电动汽车的研究已经有将近2 0 年的历史。1 9 9 8 年5 月，国家电动汽车 试验区在广东省汕头市南澳正式落成，已经有2 0 多辆纯电动汽车开展了公务 车、公交车和出租车运营试验。2 0 0 2 年8 月，在武汉兴建了我国第一家电动汽 车产业化基地。中国燃料电池公共汽车商业化示范项目于2 0 0 3 年3 月在北京和 上海正式启动。 目前，国内各汽车制造企业纷纷进入混合动力汽车领域，如一汽研发的红旗h q 3 已于2 0 0 6 年投产；奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，并在2 0 0 6 年下半年推出第一自主品牌真正意义上的混合动力车，代号为b s g 的混合动力车；吉 利集团旗下的上海华普汽车已与同济大学汽车学院签署合作协议，预计3 年内完成混 合动力轿车商业化生产；东风集团的混合动力公交车已于2 0 0 5 年7 月完成最终产品 定型样车试验并通过验收；上汽集团与通用汽车签署协议，将联手开发混合动力轿车 和公交车；广州本田在2 0 0 6 年中下旬推出了国产雅阁混合动力车。长安集团也已加 快了混合动力汽车的下线准备，其研制的具有完全自主知识产权的羚羊混合动力车己 产出样车。目前，长安杰勋混合动力汽车经过六年的艰苦攻关研发成功，目前己进入 量产阶段，其整车油耗比传统汽车低2 0 以上。据长安集团有关负责人介绍，长安杰 勋h e v 轿车创造了多项中国第一：第一款自主研发量产的混合动力轿车；国家8 6 3 计 划重大汽车专项中第一款实现量产下线的自主品牌轿车；第一个将中度混合技术方案 实现产业化的车型；第一款在整车、动力总成和混动系统三个方面全新自主的一体化 设计量产车型；第一款在整车和系统技术上拥有完整自主知识产权的车型，共拥有各 类专利3 0 0 余项，其中发明专利2 7 项【7 j 。 1 9 9 9 年，国内第一辆混合动力轻型客车在清华大学与厦门金龙联合汽车工业有 2 限公司合作下研制成功。2 0 0 1 年底，国家“8 6 3 ”电动汽车科技攻关项目正式启动， 第一批项目以混合动力汽车为主。一汽和东风汽车集团联合所在地高校和研究所，在 各自客车底盘上研发混合驱动公共汽车和大型客车。此外，东风电动汽车公司还承担 了混合动力轿车的研发任务。目前，混合动力汽车主要研发成果如下：东风电动汽车 股份有限公司开发出混合动力汽车，其中e q 6 1 i o h e v 型混合动力城市公交车采用混联 方案，专为2 0 0 8 年北京奥运会公交用车开发；e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车以风神蓝 鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出租用车需求为目标，最大限度地利用东风公 司现有产品平台及社会资源开发而成，实现产品系列化、通用化、标准化设计。天津 清源电动汽车有限公司开发出混合动力中型客车。其主要技术特点：使用燃油和电力 双能源同时兼顾了传统汽车的方便性和电动汽车的环保性能；排放达到欧i i i 标准，燃 油经济性提高1 5 以上；适于城市和城际之间的公共交通。 奇瑞与英国纽卡斯尔大学进行混合动力项目合作，奇瑞开发的并联式混合动力汽 车已在2 0 0 6 年北京车展上亮相。第一汽车集团公司、美国电动车( 亚洲) 公司、汕 头国家电动汽车试验示范区三方共同合作推出一款混合动力轿车红旗c a 7 1 8 0 a e 。 该款串联式的混合动力轿车属中高档轿车，最高车速可达1 3 5 ( k m h ) 。 从研发进度来看，目前我国自主研发的混合动力汽车已经初步具备了产业 化条件。东风和一汽的混合动力轿车已获得了国家汽车产品公告，将陆续投放 市场。东风、长安、奇瑞和一汽的混合动力轿车也将从今年开始陆续投放市场， 如表1 - 1 所列是我国电动汽车开发表。 表1 1 国内外电动汽车发展情况 2 1 世纪，各国加快了混合动力汽车( h e v ) 概念车产品化的进程，相继推 出了不同型式的h e v 产品。将近年来全球主要汽车生产厂商在混合动力公交车 3 研发上的进展情况进行了梳理，并用表1 - 2 归纳如下。 表1 2 世界主要汽车厂商已上市的混合动力公交车 1 3 混合动力驱动方式特点 混合动力电动汽车是将电力驱动与辅助动力结合起来，充分发挥二者单独 及二者相结合的优势。根据混合动力系统连接方式不同，混合动力汽车主要可 以分为三种结构形式，即串联、并联和混联。 1 3 1 串联 串联式混合动力系统是用电力的形式进行能量的合并。用电机来驱动汽车 车轮，发动机带动发电机对储能装置充电，并且驱动牵引电机供电。储能装置 用来调节发动机输出与电机之间的能量分配。串联式混合动力系统的示意图如 图i - i 所示，适用于车辆频繁起步、低速、加速运行的工况。发动机在最优工 作曲线附近运转，减少了怠速与低速等不良工况，从而提高了能量的使用。不 过在电能和机械能的转化过程中有能量的损耗，并不能显著的减少燃油的消 耗。 4 图1 1 串联式动力系统结构图 1 3 2 并联 以机械能形式进行复合的动力系统是并联式结构，并联式动力系统的结构 如图1 - 2 所示。它的结构特点是发动机通过变速器与驱动桥直接相连，电机即 可以作为发电机也可作为电动机，以此来平衡发动机承受的载荷，使其工作在 最优工作曲线附近。 i 暾蛆i i l 功率转换器 l 唰j l 发电机i j _ 广1 广 捧孙hh _ 图1 2 并联式混合动力车结构 1 3 3 混联 混联式动力系统是把串联与并联结构的优点结合了起来，结构较为复杂， 如图卜3 所示，用行星齿轮来作为动力分配装置，行星架和发动机相连，通过 发电机把发动机的一部分功率转化成电能，对电机提供电能或者对储能装置进 行充电，其他的机械能则直接作用在齿圈上提供一部分功率和转矩。 并联支路一一串联支路 图1 3 混联式动力系统结构图 串联式在能量的转化中会损耗相对较多，主要适用于混合度比较高的混合 动力车，即储能装置提供大部分能量；并联式结构则适用与混合度将对较低的 混合动力系统。 1 4 混合动力汽车的控制策略 二十一世纪以来，混合动力汽车得到了快速的发展。混合动力汽车的核心 技术之一就是整车控制策略的研发，近年来越来越多的科研人员投入到了控制 策略的研发中，不断有新的控制方法被提出，但总体上可以分为下面几种类型 【9 】： 1 4 1 基于规则的控制策略 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。 它的主要特点是对能量分配实时管理的有效性，这也正是它能够在混合动力汽 车上应用较多的主要原因。基于规则的控制策略也被称为逻辑门限值控制策略， 它的基本思想是使发动机工作点尽可能的靠近高效工作区域，在最优区间以外 ( 当发动机转矩或转速较小时) 利用电机提供驱动力。 1 4 2 全局最优控制策略 全局最优控制策略是以某一确定行驶循环为前提，以整车燃油经济性和排 放性能最好作为目标函数，用各种优化方法求解该行驶循环下混合动力汽车的 最优控制规律。全局最优控制策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来 的混合驱动动力分配控制策略。全局优化方法的优点是理论上可以找到真正意 义上的最优解，突出的缺点是计算必须以确定的行驶循环为基础，需要大量计 算，且依赖于预定的运行工况，实时性较差。 1 4 3 模糊逻辑控制策略 模糊逻辑无疑是目前最成功的技术之一，与经典逻辑相比，它更接近人的 思维方式，表达上更接近自然语言的形式。模糊逻辑控制策略从本质上说也是 6 一种基于规则的控制策略。二者之间的主要区别是各种门限值的表示方式，与 其它控制领域一样，门限值的模糊化更好地反映了各种控制模式之间存在过渡 区这客观事实。两种控制策略的控制思路大致相同，规则集也是基本类似的。 模糊逻辑控制策略不需要精确的整车能量消耗的数学模型，它可以很方便的处 理诸如“如果车速较高且s o c 较低而加速踏板踩下较小的角度，则发动机单独 驱动，并给储能装置充电”这样无法用精确参数表达的控制规则。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。 1 4 4 基于行驶工况预测的控制策略 行驶工况对于混合动力汽车的控制有着非常重要的意义，因此如果能够预 测到未来一段时间内的行驶工况，对于控制策略的决策是大有帮助的。提出的 预测方法目前主要有两种：一种是根据过去一段时间内的行驶工况来推测未来 情况；另一种是通过g p s 等手段直接获取未来路况。预测的结果主要用来对储 能装置的电量进行调节，例如，如果前方出现交通拥挤路况，车速缓慢且需经 常停车，使用电机驱动比较合适，那么当前阶段就采取给储能装置充电的策略； 而如果前方是高速公路，应由发动机单独驱动，那么当前阶段就不必过多的储 备储能装置的电量，而可以更多地使用发动机驱动。 1 5 本文研究的主要内容 本文以安徽省“节能与新能源汽车重大科技专项一一“混合动力公交车研 发”为背景，对并联混合动力公交车整车控制策略进行设计与优化研究。本文 的主要研究内容如下： ( 1 )系统介绍混合动力公交车所采用的主要动力部件的工作特性，并对 主要动力部件的工作特性进行研究，建立了并联混合动力公交车关键部件的仿 真模型。 ( 2 )针对混合动力公交车，采用模糊控制方法，以发动机需求转矩与最 优转矩的差值、超级电容s o c 为输入，以发动机转矩为输出，构建了具有多条 控制规则的模糊控制器，实现需求转矩的最优分配，实现系统的总体能量转换 效率最高，从而提高公交车的燃油经济性。 ( 3 )针对并联式混合动力公交车控制策略中应用较为广泛的模糊能量管 理策略存在的一些问题提出了基于遗传蚁群算法优化的模糊能量管理策略，利 用遗传蚁群算法来优化模糊控制策略。 ( 4 )在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立适用于混合动力公交车的仿真模型 和模糊控制策略的仿真模型；在典型城市公交工况下，基于a d v i s o r 平台模糊 控制策略进行了仿真分析研究。 第二章混合动力公交车动力总成参数设计与主要部件建模 对混合动力公交车各个总成的特性进行研究并且建立它们的仿真模型是制 定和研究整车控制策略的基础和前提。因此本章将着重介绍混合动力公交车的 动力总成部件的工作特性，并建立各个动力部件的仿真模型，为后续控制策略 的研究和开发奠定基础。 2 1 混合动力公交车动力总成参数设计 2 1 1 动力总成构型选择 从第一章对混合动力汽车动力总成三种构型分析可知，混联式结构复杂，成 本较高，因此不做考虑。串联和并联方案各有利弊，在决定混合动力公交车选用 串联还是并联驱动方式时，必须充分结合混合动力公交车的运行工况的特点和 需要达到的侧重目标一一降低排放还是提高燃油经济性。重点从以下几个方面 考虑8 ，9 】： ( 1 )并联驱动的燃油经济性比串联好。 ( 2 )对于混合动力公交客车而言，在行驶过程会频繁的出现减速和停车 等运行工况，采用并联式比较稳定，在电机驱动系统失效的情况下仍然能正常 行驶并且更利于制动能量的回收。 ( 3 )串联方案的储能装置、电机、发动机、发电机的功率较大，从而使 整车的质量和成本上升幅度较大。 基于上述的分析，所开发的混合动力公交车选择并联式结构是一种较为可 行的方案。混合动力公交车动力总成结构如图2 1 所示，其整车技术参数如表 2 1 所列。 图2 1 混合动力公交车动力总成结构图 表2 1 整车主要技术参数与性能要求 技术参数名称技术指标 1 1 0 0 0 m m 2 5 5 0 衄x3 1 7 0 m m 长宽高 轴距 6 l o o m m 最火总质量1 8 0 0 0 k g 迎风面积m 2 8 1 滚动、l - 径m 0 4 6 5 风阻系数o 6 8 最高车速 8 0 k m h 最大爬坡度 2 0 o 一5 0 k m h 的加速时间 3 0 s 发动机和电机的选择对混合动力公交车动力系统的设计至关重要，电机驱 动功率太大，这势必引起电机和超级电容组容量取值增大和车辆成本的增加。 超级电容组数目增多，在车辆上布置越困难：车重增加，制约了车辆续行里程， 但太小又会影响整车的动力性能【1 0 】。 2 1 2 动力总成参数设计 2 1 2 1 发动机参数匹配 混合动力系统设计的主要工作之一就是对发动机功率的选择。公交车匀速 行驶在水平路面上时，发动机应能不依靠超级电容而向公交车提供足够的行驶 功率。否则将会造成超级电