（动力机械及工程专业论文）混合动力电动汽车控制策略的优化研究.pdf

中文摘要 摘要 摘要i 控制策略是混合动力电动汽车的关键技术之一，本文结合国家“8 6 3 ”计划电 动汽车重大专项的研究课题“电动汽车控制算法与基础技术研究”的研究工作，针对 串并联混合动力汽车分别建立了串联和并联混合动力汽车的仿真模型及其相应的 能量管理控制策略。并在此基础上，应用模糊逻辑技术，制定了模糊逻辑控制策 略，构建了模糊推理器，用以确定发动机和电机的最佳转矩分配。以并联混合动 力汽车为研究对象，u d d s 、c h i n a 、n e d c 三种循环工况的仿真结果显示，在燃 油经济性方面，模糊控制与电辅助控制相比，模糊控制下的整车燃油经济性分别 提高9 3 、8 4 和7 6 。为实现模糊逻辑控制在实际h e v 上的应用打下了良好 的基础。 本文将蓄电池高比能量和超级电容高比功率的优点结合起来，建立了复合电 源模型，并且制定了相应的控制策略，以避免电池大电流充放电和提高制动能量 的回收率。在u d d s 和n e d c 循环工况下，分别对复合电源和单一的电池电源进 行仿真，结果表明复合电源制动能量回收率分别为7 1 4 、8 1 3 ，而单一的电池 电源制动能量回收率分别为4 3 2 、6 8 5 ，复合电源的引入使得制动能量回收率 分别提高2 8 1 和1 2 8 。 综合考虑动力系统匹配参数和控制策略参数对整车性能的影响，提出将遗传 算法和模拟退火算法相结合的组合优化算法，分别对以油耗为单目标和以油耗和 排放为多目标进行了优化分析。优化结果表明，单目标优化前后进行对比，优化 后并联混合动力汽车油耗降低9 6 左右，排放也有所下降；多目标优化前后相比， 优化后并联混合动力汽车油耗下降约7 1 ，而c o 、h c 和n o 排放降低得比较多， 优化后三者分别下降2 3 4 、5 6 和1 7 4 。 关键词：混合动力电动汽车；控制策略；模糊控制：复合电源；优化算法 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t r o ls t r a t e g yf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s s u p p o r t e db yt h em a j o rp r o j e c t r e s e a r c ho nc o n t r o la l g o r i t h ma n db a s i st e c h n o l o g y f o re l e c t r i c v e h i c l e s u n d e r h i g h - t e c hr & dp r o g r a mo fc h i n a ，t h ee n e r g y m a n a g e m e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rs e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e n r e s e a r c h o nt h i sb a s i s ，af u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e nb u i l di no r d e rt o d i s t r i b u t et h et o r q u eb e t w e e ne n g i n ea n dm o t o rr e a s o n a b l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h r e ec y c l e su d d s 、c h i n aa n dn e d cs h o wt h a tt h ef u e le c o n o m yi nf u z z yc o n t r o l s t r a t e g yi sb e t t e r i ti m p r o v e s9 3 、8 4 a n d7 6 r e s p e c t i v e l yc o m p a r e dw i t ht h e e l e c t r i ca s s i s tc o n t r o ls t r a t e g y t h i sh a sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fa f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g yi nt h ea c t u a lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s i nt h i sp a p e r , c o m b i n e dt h eb e n e f i t so fb a t t e r i e sa n du l t r ac a p a c i t o r s ，ah y b r i d p o w e rs y s t e mh a sb e e nm o d e la n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g yi no r d e rt oa v o i d t h eh i 曲c u r r e n ta n di m p r o v et h er e c o v e r yo fb r a k i n ge n e r g yh a sb e e nr e s e a r c h t h e s i m u l a t i o n so ft h eh y b r i dp o w e rs y s t e ma n dt h eb a t t e r yp o w e r s y s t e mh a v eb e e nd o n ei n t h ec y c l e so fu d d sa n dn e d c r e s p e c t i v e l y 刀i er e s u l t ss h o wt h a tt h eb r a k i n ge n e r g y r e c o v e r yr a t e so ft h eh y b r i dp o w e rs y s t e ma r e71 4 a n d81 3 ，a n dt h a to ft h eb a t t e r y p o w e rs y s t e ma r e4 3 2 a n d6 8 5 i nv i e wo fo p t i m i z i n gf o rd e s i g np a r a m e t e r s ，c o n s i d e r e do fp e r f o r m a n c e so nh y b r i d e l e c t r i c a lv e h i c l eo fp o w e r - t r a i np a r a m e t e r sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r s ，t h eo p t i m i z a t i o n s o nb o t l lp a r a m e t e r sa r ec o n c u r r e n t l yp e r f o r m e d an e w o p t i m i z a t i o ns c h e m ei nw h i c h t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dc o m b i n e dw i t hs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h eo p t i m i z a t i o n sf o rs i n g l e - o b j e c t i v ef u n c t i o na n dm u l t i o b j e e t i v ef u n e t i o nh a v eb e e n d o n er e s p e c t i v e l y o p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u e l c o n s u r n p t i o no ft h e s i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nr e d u c e s9 6 a n de m i s s i o n sa l s od e c l i n ec o m p a r e dw i m p r e - o p t i m i z a t i o n , a n dt h a to ft h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nr e d u c e s7 1 a n d e m i s s i o n so fc o ，h ca n dn o xf e u2 3 4 ，5 6 a n d 1 7 4 c o m p a r e dw i t h p r e - o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：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 ；h y b r i dp o w e rs y s t e m ；o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名： 王赌 签字日期： 矽7 年月冯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王蚜 签字日期：为呷年月f 7 日 导师签名：荔乡嘭杉一 签字日期：砌降歹月 致谢 本论文的工作是在导师张欣教授的悉心指导下完成的，张老师严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响；导师的谆谆教导、诲人不倦的态 度和生活上的帮助令我终生难忘。在此，谨向张老师表示我最诚挚的谢意，衷心 感谢两年来张老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，张良老师、张昕老师对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在学习上和生活上也都给予了我很大的关心和帮助， 在此向两位老师表示衷心的谢意。 在平时的学习生活中，实验室的同学给与我很多专业知识方面的热情帮助。 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 绪论 第一章绪论 1 1 国内外混合动力电动汽车发展历程 近几十年来，世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战【l 】。为 此，各国政府纷纷制定相应对策，力图开发出新一代清洁节能型汽车。目前，混 合动力电动汽车由于其高能量效率和低排放性能向传统汽车提出了极大挑战，发 展势态迅猛，市场化进程很快，它是新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化 前景的车型【2 5 】。一方面，由于电池技术的瓶颈，纯电动和燃料电池电动汽车技术 发展相对缓慢。另一方面，混合动力汽车与纯电动汽车相比，降低了对电池能量 密度和容量的要求，减轻了电池部分的质量，有利于提高汽车的质量利用系数； 动力性、续驶里程以及乘员的舒适性都得到了保证；无需增加充电设施，易于推 广应用。 混合动力汽车除发动机、电动机、蓄电池等各种单元外，重要的技术是各系 统的电子控制技术和整车的动力系统优化，匹配好的系统能达到节省燃料5 0 、 排放下降8 0 、制动能量回收达到3 0 。 “十一五”期间，我国重点研究开发和掌握混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电 动汽车、代用燃料汽车整车和零部件的关键技术 6 4 1 ，建立整车评价平台，推动标准 体系的建设，促进节能环保机车的产业化。 1 1 1 国外混合动力电动汽车的发展历程 自上世纪9 0 年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车 和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机 械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的主要 动力性指标达到了燃油汽车的水平。进入2 l 世纪后，各国加快了h e v 的概念产 品化的进程，相继推出了各种型式的h e v 产品，t o y o t a 的p r l u s 、h o n d a 的i n s i g h t 、 f o r d 的p r o d i g y 、d a i m l e rc h r y s l e r 的e s x 3 、g m 的p r e c e p t 、n i s s a n 的t i n o 等都 是具有代表性的车型，其中p r i u s 和i n s i g h t 已是成熟的产品。随着各国环境立法 的日趋严厉，电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低混 合动力汽车的市场份额逐渐增大已成为重点发展的新型汽车 9 1 。 ( 1 ) 日本 北京交通太学硕士学位论文 日本丰田汽车公司是耳前走在h e v 最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始 进行h e v 研究的汽车公司之一，早在1 9 9 7 年1 2 月，丰田就将混合动力型p r i u s 轿车投放本国市场，p r i u s 混联式混合动力电动汽车开拓了混合动力电动汽车技 术与应用领域的新天地，创造性地首次采用了两套动力系统混联的方式( 如图1 1 所示) ，采用高度精密的机械装置实现了动力系统的连接和能源的传递。据统计， 截止2 0 0 7 年1 1 月份，p r i u s 在全球销量已经达到1 2 5 万辆之多。 图11p r i u s 油电混台动力系统 f i 9 1i p r i u s h y b r i d p o w e rs y s t e m 在日本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也分别研制了混合动力汽 车。1 9 9 9 年儿月本田公司推出i m i g h t 混合动力电动轿车。也进入批量生产。继 i n s i g h t 之后，本田公司于2 0 0 2 年推出d u a h l o t e 运动型概念车，它追求更强的动力， 更低的油耗，百公里油耗只用5 6 升。2 0 0 3 年款本田“思域”混合动力轿车，比 i n s i g h t 电池体积减少4 2 ，重量减轻3 0 m ，性能更加出色s 本田公司于2 0 0 4 年在美国推出“雅闭混合动力车( a c c o r dh 曲r i d ，s2 0 瞅奉 田i n s i g h t 于0 9 年2 月在日本上市( 见圈1 2 ) ，该车是一款基于2 0 0 7 年推出的f c x c l n d t y 概念车设计的五座轿车。这教l r t s i g h t 能选到4 0m p g f f j 城区燃油经济性和4 3 m p g 的高速路燃油经济性。赵好的燃油经济性是由于该车搭载的一款与超薄无刷电 动机相结合的1 3 升铝制汽油发动机，其中无刷电动机对比前一代技术薄了大约 2 2 ，而且轻了大约1 5 。这两个系统一起运转，能够让本m m i g h t 达n 4 0 0 英里( 6 4 4 公里) 的晟大行驶路程。 图1 22 0 1 0 歌率田b i 西n 新型混合动力车 f i g 12 n e w l w o f h o n d a i n s j g h t 2 0 1 0 ( 2 ) 美国 自上世纪9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联台，并以 混合动力电动汽车为重点对象，由能源韶牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组 织各大汽车公司和有关部门积极开展混台动力电动汽车的研究工作。1 9 9 3 年9 月 美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国 “新一代汽车合作伙伴计划”f 简称p n g v 计划1 ，旨在开发新一代高效节能汽车。 随着p n g v 计划的实施，美国三大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和 研制工作。通用汽车公司同时致力于串联式混合动力和并联式混合动力电动汽车 的研制。在1 9 9 8 年1 月的底特律北美国际汽车展上，通用汽车公司推出了e v 型 4 座混合动力电动汽车。美国通用汽车公司在2 0 0 0 年推出。p r e c e - - p t ”混合动力概 念车。同时通用公司宣布，将研制雪佛兰s i l v e r a d o 、g m c 和s i e r r a 皮卡混合动力 汽车，每年提供1 0 万套部件，近年至少年产7 0 0 0 辆。更值得关注的是，通用公 司总裁格瓦纳声称，通用将在2 0 1 0 年成为1 0 0 万辆的混合动力汽车的生产企业。 2 0 0 0 年一福特汽车公司开发出福特p 2 0 0 0 型5 座并联式混合动力电动汽车投 放于市场：福特开发出的“优异2 0 1 0 ”概念车实验平台的性能已达到了p n g v 计 划的部分目标；每加仑汽油行驶8 0 英里。经过不断地改进提高，福特汽车公司于 2 0 0 2 年推出福克斯( f o c 岫) 新一代燃料电池混合动力轿车，从2 0 0 4 年开始小批量生 产f o c u s ，计划到2 0 1 0 年将成批量生产混合动力电动汽车。 在美国，通用、福特和克莱斯勒三大汽车分别推出了三款混合动力概念车 p r e c e p t 、p r o d i g y 和d o d g e e s x 3 ，三款车均接近或实现了3 升，百公里的目标。目前， 福特已生产全球首款混合动力s u v 车e s c a p eh y b 出中美合资的上海通用于2 0 0 8 北京变通大学硕士学位论文 年1 月2 2 日发布了国内第一款中高档量产混合动力别克君越e o d - h 蛳d ，该车采用 独立的电机- 镍氢电池组动力辅助系统，配有24 l e c o t e c 发动机( 如图1 3 ) ，据测试， 其综合油耗可以下降1 5 以上，上海通用还将引进t m o d e h y b r i d 双模混合动力车 型，在充分满足消赞者对动力性能追求的基础上，油耗可以降低5 0 图1 30 8 款别克君越混合动力车结构 f i g a3 t h es u d m o f 0 8 b u i c k h e v ( 3 ) 欧洲 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的工作。法 国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已在法国接受了 1 0 0 0 0 k i n 的运行试验，并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车。瑞典沃尔沃公司也 开发出基于沃尔沃f l 6 卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达9 0 k i n 。 德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产 的并联式混台动力电动车d u o 已小批量生产。最近，德国汽车工业准备实施新的 排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过5 升的轿车上路，这也促使人们 更多地把希望寄托在混合动力汽车上。 保时捷公司计划在2 0 1 0 年左右生产以s u v ( 多功能运动车) c a y e n n e ”为原 型的油电混合动力车。混合动力款c a y e n n e 将保持保时捷独有的动力性能，同时 还将把燃烧效率提高1 5 左右，这将从根本上改变大型s u v 越野车费油的弊病。 1 1 2 国内混合动力电动汽车的发展历程 我国在“八五”和“九五”计划期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关 绪论 和整车研制工作，国家科技部又将混合动力电动汽车的研究与开发作为“十五”8 6 3 重大专项的内容。目前，国内已经介入混合动力汽车研究的主要有一汽、上汽、 东风【l o 】、长安、奇瑞、上海华普汽车和比亚迪等厂家。 “十五”期间，一汽承担了国家“8 6 3 ”计划中的电动汽车重大专项项目“解放牌 混合动力城市客车研究开发”和“红旗牌混合动力轿车研究开发”。2 0 0 5 年1 2 月， 解放牌混合动力城市客车完成了定型试验和国家汽车产品公告目录，同月在一汽 客车公司无锡客车厂完成了解放牌混合动力客车的下线，具备了小批量整车生产 能力。2 0 0 8 年初，一汽承担的国家8 6 3 计划项目顺利通过国家验收。采用新的整 车平台后，混合动力客车达到了比传统客车节油3 8 、排放达到欧标准的性能 水平，并完成了生产准备。奔腾混合动力轿车达到了节油4 2 、排放低于国i i i 标 准，并计划于2 0 0 9 年完成生产准备。 上汽股份在2 0 0 5 年与上海交通大学、同济大学共同签署新能源汽车战略合作 协议，合作加快替代能源、混合动力、燃料电池车等车型的研发。在2 0 0 7 上海国 际汽车展上，展出了一辆基于荣威7 5 0 平台自主研发的混合动力轿车和一款名为 “上海”牌的第四代燃料电池轿车。在2 0 0 8 年北京奥运会前已经开始小批量投产自 主品牌混合动力轿车，并同步推进合资品牌混合动力轿车、客车的研发。荣威混 合动力轿车成为上汽首批投入实际运行的混合动力车型。到2 0 1 0 年世博会前，上 汽集团将规模投产混合动力轿车、客车。 长安欧洲研发中心与国内联合开发的拥有自主知识产权的车型“c v l l ”，在 2 0 0 5 年1 1 月的北京国际清洁能源汽车展上展出。在2 0 0 8 年北京奥运会之前长安 已将该车型投入批量生产。 在2 0 0 3 年奇瑞“i s g 混合动力轿车”项目便被科技部批准列为“十五”8 6 3 计划二 期滚动项目，奇瑞也由此成为中国最早启动混合动力车研发项目的企业之一。2 0 0 7 年奇瑞推出以奇瑞a 5 为平台、匹配混合动力系统的奇瑞a 5 b s g 、生物柴油动力 的新车型v 5 和匹配燃料电池动力系统的b l l 。同年奇瑞完成i s g 、b s g 混合动力 车的下线，并将其批量生产、投入运营。在2 0 0 8 北京奥运会期间，奇瑞汽车一举 拿下8 0 辆混合动力轿车中5 0 辆的份额，成为首次亮相奥运会的中国自主品牌汽 车。 1 2 混合动力电动汽车控制策略研究现状 混合动力汽车控制策略是混合动力汽车的关键技术和焦点【l l 】，它根据汽车行 驶过程中对动力系统的能量要求，动态分配发动机和电动机系统的输出功率。如 何获得最佳的燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本、最佳的驱动性能是研 5 北京交通大学硕士学位论文 究控制策略的主要目标，目前世界上许多国家正在积极的做这方面的研究工作。 1 2 1 串联式混合动力电动汽车控制策略研究现状 对于串联式混合动力汽车的控制策略，由于其发动机与汽车行驶工况没有直 接联系，因此控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。此外， 为了优化控制策略，还必须考虑合并在一起的电池、电传动系统、发动机和发电 机的总体效率。目前串联型混合动力汽车控制模式主要有恒温器控制模式和功率 跟踪控制模式。 恒温器控制模式是当蓄电池荷电状态( s o t ) 降到设定的低门限值时，发动机启 动，在最低油耗或排放区按照恒定功率输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率 要求，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组s o c 上升到所设定的高门限值 时，发动机关闭，由电动机驱动车轮。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功 率的要求，蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少发动机优化所带来的好 处。这种模式对发动机比较有利而对蓄电池不利。 功率跟随控制模式是采用自动无级变速器c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) ，通过调节c v t 速比，控制发动机沿最小油耗曲线运行，发动机的 功率紧紧跟随车轮功率的变化，这与传统的汽车运行相似。采用这种控制策略， 蓄电池工作循环将消失，与充放电有关的蓄电池组损失被减少到最低程度。目前 应用较多，但整车成本有所上升。 这两种控制模式相比较，恒温器式控制模式的发动机一般工作在最佳油耗点 附近，功率跟随式的发动机一般工作在最佳经济性工作线附近。相比而言，前者 发动机的平均工作效率要高，但功率跟随式控制策略在动力性和燃油经济性方面 有较好的综合性能。 现在国内外的研究趋势是将上述两种控制模式结合起来使用，同时充分利用 发动机和电池的高效率区，使其达到整体效率最高。例如，当汽车加速时，为了 满足车轮驱动功率要求，降低对蓄电池的峰值功率要求，延长其工作寿命，可采 用功率跟随模式；而当汽车车轮功率要求低时，为了避免发动机低效率工况的发 生，可以采用恒温器模式，以提高整车系统的效率。 1 2 2 并联式混合动力电动汽车控制策略研究现状 并联式混合动力汽车的控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化【协1 6 1 。一般 的控制策略通常是根据电池的s o c 、驾驶员的加速踏板位置、车速和驱动轮的平 6 均功率等参数，按照一定的规则使发动机和电动机输出相应的转矩，毗满足驱动 轮驱动力矩的要求。 + 能 量 臼 - - 克电 幽i4 井联掘台动力汽车能量管理荒珞 f i g l4 e n e r g y m 卸且g 蛐舶ts 订：a t c g yo f a p a r a l l e l h e v 并联混合动力汽车能量管理策略的原理如图1 4 所示，在轻载或者车辆起步 时，由电机驱动，电池放电。在车辆以正常车速巡航行驶时，由发动机驱动，发 动机一旦启动就工作于负荷相对较高的高效率区，如果输出功率有富余，就将 此部分功率用于向电池充电，以各将来电机用。当车辆需要爬坡或以较大加速度 加速时，电机与发动机一起驱动车辆。在减速和制动时，电机又可把部分动能转 换为电能存储于电池中。 最早也是最常采用的一种是以车速为主要参数的控制策略( 1 ”，在这种控制策 略中，将发动机启动的设定车速设计为一个定值依据瞬时工况车速判定整车的 工作模式：当车速低于设定值时，发动机关闭，由电机单独工作：当车速高于设 定值时，发动机单独工作；当车轮负荷比较大时( 如汽车急加速、爬陡坡或以较高 车速爬坡1 ，则由发动机和电机联合驱动车轮。 基于速度的控制策略，由于其简单，易于被控制工程师理解，技术门槛较低， 因而在混合动力汽车开发初期得到了较为广泛的研究和应用。但同时也有其明显 的缺点，控制参数单一，动态特性差，没有充分利用混合动力系统的优势，通常 整车的燃油经济性不是最优，而且还没有考摩排放，特别是有时车速即便很高， 但对驱动力的要求可能很低，比如在高速滑行或匀速行驶时，此时发动机的工作 负荷较低，效率不高。 美国k lb 1 1 l t 盯等提出了一种新的基于速度的控制策略”。汽车在低速行 驶时，也是由电动机单独驱动车轮；但当车速高于所设定的车速时，则采用了混 台驱动。此时的发动机保持在一个恒定的节气门开度运行而由电动机提供车轮 所需的动态功率。通过提高发动机启动的设定车速，并保持蓄电池组的s o c 在驾 驶循环前后不变可以减少发动机工作的时问。这种控制策略有利于减少汽车的 北京交通大学硕士学位论文 排放，但电动机及蓄电池组的功率较大，将增加整车自重和成本。 以功率为主要参数的控制策略是当车轮平均功率低于某设定值时，汽车由电 动机单独驱动；当车轮平均功率高于该设定值时，此时有利于发动机有效工作， 因而发动机被启动，电动机则停止运行。发动机启动的最佳时机是在变速器换挡 期间，这有助于获得平稳的驾驶性能。一旦车轮平均功率超过发动机所能提供的 功率时，电动机启动，辅助发动机提供额外的功率。 目前克莱斯勒的“道奇无畏e s x 、本田“i n s i g h t 一和日产的混合动力汽车都 采用了以混合度为目标的控制策略。采用该控制策略的混合动力汽车装备了小功 率电机和小容量的蓄电池组，使蓄电池组的成本和质量减少到最小程度。在这种 策略中，电动机一般仅仅只在汽车急加速时才启动，辅助发动机向车轮提供加速 所需的功率。而汽车的一般行驶工况则由一个小排量的发动机单独驱动，并在蓄 电池组s o c 下降到一定程度时为其充电，这进一步提高了发动机的负荷率。当汽 车减速时，蓄电池组吸收制动能量而充电。这种控制策略存在的一个缺陷是，由 于发动机几乎一直处于工作运行状态，虽然避免了发动机开关控制引起的发动机 效率下降问题，但无法消除发动机在低负荷时的排放问题。但为了满足今后更为 严格的排放标准，本田和日产的这种混合动力车都装备了c v t ，进一步改善整车 的燃油经济性和排放。 法国学者s e b a s t i e nd z l p r a t 和g i n op a g a n e l l i 等人【l9 】研究了带机械有级 式变速器的并联型混合动力汽车在混合动力工况时的能量分配优化问题，建立了 以电动机转矩和变速器挡位为优化变量，以给定循环工况下发动机油耗最小为目 标的有约束优化计算模型。该优化计算结果虽然不能用于实时控制，但对于推导 汽车实时控制策略是有益的。为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动力汽车 上装备c 成为目前的一种发展趋势。德国学者u 1 r i c hz o e l c h 等人对带有i 2 c v t 的并联型混合动力汽车作了研究，以汽车在一个给定驾驶循环工况中发动机油耗 最小为目标函数，建立了包括c v t 、电机效率在内的优化计算模型，利用动态优 化技术对发动机、电动机( 发电机) 所应分配的转矩和c v t 速比进行计算，并由此 确定满足最小燃油量所需要的电机额定功率。该优化方法只能用于特定的驾驶循 环，不能用于汽车的实时控制。k i a 汽车公司的c h u n h ok i m 等人提出以燃油经济 性为目标的优化控制策略。该方法将电池输出功率转化为等效的燃油量，建立了 基于有效燃油消耗率的优化模型，以发动机燃油消耗量最小为目标函数，得到随 车速、电池组s o c 和所需功率而变化的控制量( c v t 速比、电动机转矩、发动机 节气门1 。这种控制策略的实质就是将发动机和电动机控制在最佳效率区工作，从 而达到最佳的燃油经济性。车辆若常在某一具体工况下运行，这种控制策略具有 很高的应用价值。 8 绪论 上海交通大学古艳春等人【2 0 】对于使用机械式自动变速器( a m t ) 的并联式混合 动力汽车( p h e v ) ，建立了一个分层控制系统来管理整车的能量分配和实现整车的 能量分配策略。控制系统的能量管理层根据加速踏板、制动踏板、手柄操作和车 辆运行状态、电池荷电系数( s o c ) 等确定目标档位、离合器命令、发动机转矩、电 机转矩等。能量管理策略实现层根据上层策略要求对发动机、电机、离合器和变 速箱进行协调控制。换档和离合器动作由控制系统直接控制，发动机和电机则通 过将指令经c a n 总线发送至发动机控制器( e m s ) 和电机控制器( m c u ) ，由e m s 和m c u 直接进行控制。能量管理策略的实现层以改善车辆行驶平顺性和减小离合 器磨损为目标，协调控制动力和传动系统，实现能量管理层需要的扭矩分配，工 作模式切换以及换档等要求。当前开发的这种控制策略已经应用于实车。 大多数策略是基于电池组s o c 或发动机燃油消耗的单目标控制【2 ，两者难以 兼顾。为解决此问题，2 0 0 6 年北京理工大学谷中丽提出一种多目标控制能量管理 策略。它是根据动力单元与负载的能量关系及电池组充放电特性与s o c 的关系， 提出了一种基于电池组恒s o c 值和发动机燃油消耗优化控制的综合能量管理策 略。 由于在建立精确的混合动力汽车能量消耗解析模型方面尚无行之有效的方 法，混合动力系统由于其复杂性也不能采用常规的控制系统设计方法。因此，优 化技术逐渐被引入到控制策略的研究当中。以辅助动力源控制为基础出现了实时 控制、模糊控制、丰田p r i u s 和本田i n s i g h t 车辆所采用的控制策略。丰田p r i u s 和 本田i n s i g h t 所采用的控制策略重点在制定起步、加速、滑行、制动和纯电动等工 作模式，这两种策略并没有实现实时优化，因为发动机和电动机共同驱动时，丰 田p r i u s 和本田i n s i g h t 的控制策略或是具体规定电机提供的扭矩大小或是使电机与 发动机扭矩成一定的比例关系变化。 实时控制策略模型综合考虑车辆的燃油经济性、动力性和排放，建立了合理 的目标函数模型，为车辆行驶过程中发动机和电机工作点的实时决策提供了合理 的理论依据。决策过程中实时控制策略将电机的能量消耗转化为等效燃油消耗量， 合理地考虑了车辆回收的制动能量，并在车辆行驶过程中以满足动力性要求为前 提实时计算目标函数的最小值，确定发动机和电机的工作点。但在混合动力汽车 运行过程中，发动机和电机的运行状态将随时发生变化，而且包含了发动机、电 机和发电机等多个控制对象，由于计算量巨大，需要昂贵的高速运算芯片，成本 比较高，加之在算法理论( 能量回收预测模型) 上尚欠完善，对于实现实时控制 有一定的难度，因而尚不能在实际混合动力汽车上推广应用。 模糊逻辑控制的控制思想是对发动机、电动机和蓄电池同时进行优化控制。 由于它不依赖于系统的精确数学模型，模糊推理算法在计算上也不复杂，因此模 9 北京交通大学硕士学位论文 糊控制策略的鲁棒性和实时性都比较好，具有很强的实用性，而且能够克服许多 其它控制策略的不足之处。美国o h i o 州立大学和o a k l a n d 大学在p n g v 计划资助 下，率先开展了h e v 模糊控制策略的研究，他们的工作显示了模糊逻辑在控制混 合动力系统这一复杂、强非线性和不确定性系统上具有的潜力。o h i o 的方法是利 用模糊控制器的输出直接修正加速踏板输入的发动机喷油量，从而实现控制发动 机的工作点的目的。o a k l a n d 的方法则基于功率分配，利用模糊控制器调节电机的 发电功率，从而实现请求功率在发动机和电机间的最佳分配。 伊朗恕i l i rp o u r s a m a d 将遗传算法和模糊逻辑有机结合在一起应用于实际的控 制系统，并将这一控制系统应用于三种不同的驾驶循环，包括n e d c ( e u r o p e a n c y c l e ) f t p ( u su n i f i e dc y c l e ) 和t e h c a r 。 上海交通大学浦金欢博士提出了一种新颖模糊控制策略瞄1 ，它是直接基于转 矩分配的。这与目前发动机的转矩控制技术的发展是相一致的，而电机的直接转 矩控制技术目前已比较成熟。基于转矩的控制策略的好处在于，由于转矩是控制 变量，因此比较容易实现工作模式切换的平滑过渡，同时也便于在将来集成汽车 动力学控制功能。 模糊逻辑在处理复杂、非线性和不确定系统的控制问题中得到了广泛地应用。 在许多工程应用领域中已被证明是一种优越的控制技术，在许多传统控制技术不 能胜任的场合，应用模糊逻辑控制可以取得良好的效果。目前许多国家尤其在日 本，模糊逻辑控制技术早已走向了实用化和商业化。 1 2 3 混联式混合动力电动汽车控制策略研究现状 对于混联式混合动力汽车来说，控制技术是非常复杂的。目前主要有发动机 恒定工作点模式，发动机最优工作曲线模式，瞬时优化模式和全局优化模式【2 弛5 1 。 全局优化模式实现了真正意义上的最优化，但实现这种控制策略的算法往往都比 较复杂，计算量也很大，在实际车辆的实时控制中很难得到应用。通常的作法是 把应用全局优化算法得到的控制策略作为参考，再与其他的控制策略，如发动机 最优工作曲线模式等相结合，在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。 由于模糊推理和神经网络相结合的模糊神经网络技术，在处理非线性、随机 性和模糊性等问题上有很大的优势【2 6 1 ，模糊神经网络技术逐渐的被应用到混合动 力电动汽车能量管理上来。武汉理工大学刘家良针对混联式h e v 构建了个四层 模糊神经网络，在设计中将神经网络的学习机制引入模糊系统，使模糊系统也具 有自学习、自适应能力，将模糊理论与神经计算原理相结合，使神经网络借助其 大规模的并行分布处理结构完成模糊的推理过程，但其仅做了实验研究。由于实 l o 绪论 验条件的限制，对混联式混合动力电动汽车的各种信号和汽车的运行环境和f n n 的几个输入变量的预处理等进行了许多简化，还不能应用到实际中去。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室周磊针对混联式h e v 提出一种控制 系统，其结构有以下特点：双电动机方案、动力在自动变速箱后端耦合、基于c a n 网络的整车控制系统。在能量管理策略方面采用基于最优动力系统效率的优化i c e 曲线控制策略，用“九点定义法 确定驱动需求转矩，在自动变速换挡过程中采 用动力协调控制策略，并在制动能量回收控制中考虑了滑行制动和强制制动两种 控制模式。在此基础上开发多能源动力控制系统，并进行硬件在环仿真测试和实 车匹配调试。实车测试结果表明，该多能源动力总成控制器能有效地实现对多能 源动力的控制，使车辆的经济性和动力性都有很大提高。 如何在动力源之间进行能量分配是混合动力的关键技术。合理的能量分配可 以在保证汽车性能的情况下，降低发动机的燃油消耗和排放，同时保证电池s o c 状态保持在较好的范围内，它是车辆各部件性能优化的综合考虑。就此，国内外 做了大量的工作，取得了许多进展，但遗憾的是还没有一种公认的最好的能量分 配方式。 1 3 课题来源及研究内容 本文的研究工作是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“电动汽车控制 算法与基础技术研究的部分研究内容。 在阅读了大量的国内外文献的基础上，针对并联和串联混合动力汽车，建立 各自的仿真模型，并且制定相应的能量管理控制策略。本文的主要研究内容包括： l 、在研究了国内外混合动力汽车发展状况以及控制策略的研究现状、发动 机和电机特性、超级电容和蓄电池充放电特性、汽车动力学仿真的基础上，分别 建立了并联和串联混合动力汽车的整车模型，其中包括动力系统模型、能量存储 系统模型、汽车动力学模型等。 2 、针对所研究的串联车，研究了扭矩分配算法、电机控制算法以及发动机 发电机组控制算法，其中发动机发电机组控制算法包括了发动机的开关控制和发 动机工作点的确定。运用m a t l a b s i m u l i n k 中的s t a t ef l o w 建立了串联混合动 力车的控制策略。 3 、在制定并联控制策略时，首先对其不同的工作模型进行了分析，根据所获 得的实验数据确立了a m t 的换挡规律。对所建立的复合电源系统，制定了相应的 复合电源控制策略。对并联混合动力汽车，还设计了模糊逻辑控制器，制定了模 糊逻辑控制策略。 北京交通大学硕士学位论文 4 、分析了遗传算法和模拟退火算法的优缺点，提出了将两种算法相结合的组 合优化算法。由于混合动力汽车动力系统参数和控制策略参数之间存在耦合关系， 所以应用组合优化算法对这两种参数同时进行优化。 1 2 混台动力电动汽车的拘型及建模 第二章混合动力电动汽车的构型及建模 2 1 混合动力电动汽车的构型及特点 近年来，随着研究的深入。越来越多的混台驱动系统被开发出来，有些结构 相当复杂。混合动力汽车的动力系统无论是在能源输入还是在机械能的传递和输 出方面都具有多种方案，动力系统的设计具有较大的自由度，倒如可以采用不同 数量和种类的电机，不同类型的传动系，不同数量的部件( 如离合器) 以及不同 的部件相对位置关系( 如电机置于变速器前或后) 等等。从功能和结构上进行抽 象，混合动力汽车的结构形式可以归纳为三种：串联式、并联式和混联式【2 7 4 q 。 2 1 1 串联混合动力电动汽车结构型式 图21 串联混合动力汽车结构型式 f i 9 21s h u c m o f s h e v 串联方式是混合驱动结构形式中最简单的一种，如图2 1 所示。发动机带动发 电机发电，电能通过逆变器给电池充电或直接供给电动机驱动汽车。串联式混合 动力汽车以主电机作为最终驱动装置，发动机作为辅助动力装置以延长汽车的续 驶里程。串联式的最大优点是结构简单，发动机发电机总成与传动系无机械连接， 在车上的布置比较灵活，可以去掉传统的离台器和变速器，结构得以简化；另外， 发动机受行驶工况的影响小，比较容易控制在高效率区稳定工作，因此可使汽车 的油耗和捧污降低。 串联式混合动力电动汽车特别适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区， 汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进行功率输出，使汽车达到 北京交通大学礤士学位论文 零排放的要求。串联方式的缺点是能量的变换、传输环节多，发动机的输出需全 部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的效率 较低，使得燃油能量的利用率比较低。此外串联的部件( 发动机、发电机和主 电机) 都需要配备较大的后备功率以满足动力性要求。 本文中所研究的串联混合动力车的车型是l c k 6 1 1 2 g h e v ，其动力方案如图 2 2 所示： 一m 艇l一自, , o f f 4 f 图2 2 l c k 6 1 1 2 g h e v 动力传动系统结构简图 f i g 2 2s m l c t m a l o f l c k 6 1 1 2 g h e v i w t z t m i n 其总成由发动机、发电机和驱动电机三大主要部件组成。发动机仅仅用于发 电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽