（车辆工程专业论文）串联式plugin混合动力汽车能量管理控制策略研究.pdf

串联式p l u g i n 混合动力汽车能量管理控制策略研究 摘要 可外接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 ) ，简称p h e v ， 是一种具有两种运行模式的油电混合动力汽车。在充满电的情况下使用纯电动 模式，该模式可以满足上班族日常上下班的需求而不消耗燃油。而在长途旅行 时，混合模式则会在电池荷电状态( s o c ) 到较低水平时自动运行。作为今后 混合动力汽车的发展方向，p l u g i n 混合动力汽车由于其节能、环保、实用性强 的特点拥有广阔的市场前景。能量管理控制策略直接决定了汽车的运行模式以 及能量输出，是p l u g i n 混合动力汽车的核心部分。 本文通过对比串联、并联以及混联三种驱动方案的优缺点，选择串联式作 为该款p l u g i n 混合动力汽车的结构型式并按照动力性能要求对其动力系统进 行了匹配：制定了p l u g i n 混合动力汽车的能量分配控制策略，在纯电动模式中， 由电池提供需求功率，发动机不工作，而在混合模式中，通过对效率的计算， 划分了发动机以及电池的工作区域，并针对不同的区域，制定了不同的控制算 法，建立了整车模型：以总能量消耗作为优化目标对p l u g i n 混合动力汽车的 s o cf - j 限值等参数进行了优化；运用现代控制系统的开发方法，以单片机作为 控制器，d s p a c e 作为被控对象对能量管理控制策略进行了硬件在环仿真实验。 仿真结果表明制定的能量分配控制策略能够较好的表现出p l u g i n 混合动 力汽车的运行特性。通过优化设计，能量消耗得到了降低。硬件在环仿真实验 果表明，单片机作为控制器的实时性基本满足要求并对优化结果进行了验证。 论文最后总结归纳了本课题研究的结论和创新点，对迸一步研究和探讨提出了 展望。 关键词：p l u g i n 混合动力汽车控制策略动力参数匹配优化设计硬件在 环仿真 5 a s t u d yo ne n e r g yd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo f a s e r i a lp l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e a bs t r a c t 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 ) i sa no i l - e l e c t r i c i t y m i x e dh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ew i t ht w oo p e r a t i o nm o d e s w h i l eb a t t e r i e sa r ef u l l yc h a r g e d ，i tc a n r u n o np u r e e l e c t r i cm o d ew h i c hc a nm e e tt h eo n o f fw o r kw i t h o u ta n yo i l d u r i n g l o n g d i s t a n c et r a v e l i n g ，i tw i l ls w i t c ht oh y b r i dm o d ew h e ns t a t eo fc h a r g e ( s o c ) r e a c h e st h el o wl i m i t a sad i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t ，p h e vh a saw i d em a r k e td u e t oi t s e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y ，a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yc a nd e c i d et h eo p e r a t i o nm o d ea n de n e r g yd i s t r i b u t i o n ， w h i c hi st h ec o r eo f ap h e 矿 f i r s t l y ，as e r i a lh y b r i dd r i v e t r a i ni ss e l e c t e da f t e rc o m p a r i n gt h r e ek i n d so f d r i v e t r a i n s a n dp o w e r t r a i np a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c r e q u i r e m e n t s s e c o n d l y ，e n e r g y d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fap h e vi s c o n s t i t u t e d o np u r e e l e c t r i cm o d e ，a l lt h er e q u i r e dp o w e ri sp r o v i d e db yb a t t e r i e s w h i l et h ee n g i n ei ss h u td o w n d u r i n gh y b r i dm o d e ，o p e r a t i n ga r e a sa r ed i v i d e d a c c o r d i n gt ot h ee f f i c i e n c y d i f f e r e n te n e r g yd i s t r i b u t i o ns t r a t e g i e sa r em a d eb a s e d o nd i f f e r e n to p e r a t i n ga r e a sa n dv e h i c l em o d e li sb u i l t t h i r d l y ，t o t a lc o n s u m e d e n e r g yi ss e t a so p t i m i z a t i o nt a r g e t s o ct h r e s h o l da n do t h e rp a r a m e t e r sa r e o p t i m i z e d f i n a l l y , m e t h o d o l o g y o fm o d e r nc o n t r o l s y s t e m i su s e dt or u n h a r d w a r e - i n - t h e - l o o pt e s t d u r i n gt h et e s t ，s c mi su s e d a st h ec o n t r o l l e rw h i l e d s p a c ei ss e r v e da st h ec o m p o n e n t sw h i c ha r ec o n t r o l l e db ys c m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o ns t r a t e g yc a np e r f o r m f e a t u r e so fap h e v t h r o u g ho p t i m i z a t i o n ，c o n s u m e de n e r g yi sr e d u c e d t h e h a r d w a r e i n - t h e l o o pt e s ts h o w st h es c m c o n t r o l l e rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n d t h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o na r ev a l i d a t e d i nt h ee n d ，c o n c l u s i o n sa n dn e wp o i n t si n t h ep r o j e e ta r es u m m a r i z e da n dt h er e s e a r c hi nt h en e x ts t e pi sa l s op r o p o s e d k e y w o r d s ：p l u g i nh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ；c o n t r o l s t r a t e g y ；p o w e r t r a i n p a r a m e t e r sm a t c h i n g ；o p t i m i z a t i o n ；h a r d w a r e i n t h e - l o o ps i m u l a t i o n 6 插图清单 图1 1 汽车保有量增长图2 图1 2 中国石油消费趋势预测4 图1 3 “十一五”电动汽车“三纵三横 的研发布局4 图2 1 串联混合驱动8 图2 2 并联混合驱动9 图2 3 混联式混合驱动9 图2 4 动力系统结构图1 0 图3 1p l u g i n 混合动力汽车模式两种模式转换图1 4 图3 2 基于s o c 门限值的模式转换逻辑判断图1 5 图3 3 控制策略顶层模型图1 5 图3 - 4 串联式p l u g i n 混合动力汽车能量传递示意简图1 6 图3 5 发动机最优区1 7 图3 6 电动机效率图1 8 图3 7 动力系统模型1 9 图3 8 实时工况下电池充放电效率输出图2 0 图3 - 9 电池充放电效率随需求功率输出散点图2 0 图3 1 0b 3 值随需求功率输出散点图2 1 图3 1 1 发动机电池工作区域划分2 1 图3 1 2 发动机起停s t a t e f l o w 逻辑判断图2 2 图3 1 3 发动机开始各状态跳转条件2 3 图3 1 4 发动机关时各状态跳转条件2 3 图3 1 5 整车仿真模型2 4 图3 1 6 单个混合工况示意图2 4 图3 1 7 需求功率图2 4 图3 1 8c d c s 模式跳转图2 5 图3 1 9 发动机开关跳转图2 5 图3 2 0 发动机开状态跳转图2 5 图3 - 2 1 发动机关状态跳转图2 5 图3 2 2 电池消耗功率图2 6 图3 - 2 3 发动机消耗功率图2 6 图3 2 4s o c 图。2 6 图4 一l 能量计算模型3 0 图4 2 数据前期处理程序界面3 1 图4 - 3 优化模型3 2 9 图4 4 交互优化图3 4 图5 1v 型开发流程3 8 图5 2 硬件在环仿真试验流程图3 9 图5 3t a r g e t l i n k 模型图4 0 图5 _ 4 产品代码4 0 图5 5 单片机控制所产生的信号曲线4 l 图5 - 6 实时性对比图4 2 图5 7 优化前实验结果c o n t r o ld e s k 示意图4 3 图5 8 优化后实验结果图4 3 l o 表格清单 表2 1 不同类型的p l u g i n 混合动力汽车比较9 表2 2 整车参数和动力参数指标1 1 表2 3 动力总成即传动系匹配结果1 3 表4 1 总能量优化前后对比图3 5 表5 1 实验结果与仿真结果4 9 独创性声明 本人声明所* 交的学位论文是本人住导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标忠和致谢的地方外，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 金日墨! ：些厶堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同：作的同：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： 日 触久签字日期：沙p 年月叩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日垦! ：些厶堂 有关保留、使川学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部i j 或机构送交论文的复印什和i 磁盘，允许论文被布阅或借 阅。本人授权 金目墨! ：些厶堂 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f 5 ) 学位论文者签名： 签字日期：溯p 日 秕认 年严月叩日 学位论文作者毕业后去向： j 1 二作单位： 通讯地址： 导师签名： i 7 祝聊 l v 签字日期：勘c 口年伞月哆 电话：f ? 予66 髟r 6lg 邮码一口7 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师张炳力副教授的精心指导和悉心关怀下完成的， 作者深深感谢敬爱的张老师给予的指导、教诲以及为我的成长所倾注的心血。本论文 中的每一项研究成果，都凝聚着张老师的心血。张老师严谨求实的治学作风，诲人不 倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉献的工作精神，时刻感染教育着我，将 是我受益终生，在将来的工作和学习中，我将铭记张老师的教诲，严格要求自己。 另外还要感谢翟华老师在我项目完成过程中给予的帮助。 感谢一直关心和支持我的家人，特别是我的父母，正是他们无私的关怀和鼓励， 使我能够得以顺利完成学业。 衷心感谢戴康伟、师东升、张平平、胡先锋、徐德胜等师兄，李鑫、张友皇、宋 振翔、廖衔、吴迪、林裤、姚伟、王家恩等同窗好友，杜红亮、季明微等师弟师妹在 学习和生活上对我的热情帮助。 感谢所有支持和爱护我的人1 4 作者：祝毅 2 0 1 0 年4 月2 0 号 第一章绪论 1 1p l u g i n 混合动力汽车的开发背景 从1 9 世纪中叶卡尔本茨发明内燃机汽车以来，汽车发展已经超过1 5 0 年。如今， 全世晃汽车的保有量超过9 亿辆，而且这个数字还在以每年几千万的速度增长。汽车 产业已经成为很多发达国家以及发展中国家的支柱产业，而且私家车的普及程度也 已经成为衡量一个国家或地区现代化程度的标志【1 1 。汽车与人们的日常生活己密 不可分，但是它为人类带来便利的同时也导致了严重的环境和能源、交通问题。 据美国卫生署报道，该国汽车所造成的空气污染占空气总污染的5 3 以上，而且 有近1 4 的美国人每天都呼吸着危害健康的空气。而在中国，情况更加严重，许多城 市的空气污染水平是美国几十倍。汽车大量使用所产生的废气、噪声以及扬起的 尘土，对自然环境造成严重污染，并危害人体健康1 2 j 。 另一方面，就能源消耗而言，美国每天消耗的石油达2 0 0 0 万桶以上，机动汽车 又占用了石油消耗的5 0 以上。新的科技虽然可以改善传统汽车的某些部件，但是同 时也会带来不小的副作用。汽车工业不得不面对的现实是：极大环境和能源的压力。 面对汽车带来的这些问题，生产出节油环保的汽车便成为社会关注的焦点， 新能源汽车的开发和应用也成了世界范围内的新课题和大趋势。在诸多新能源 解决方案中，目前成功实现产业化的只有混合动力汽车1 3 】。 混合动力汽车是具有两个或两个以上能量源的汽车【4 】，是传统内燃机汽车 与电动汽车的有效组合。这种多能量源的特征增加了系统设计的灵活性，在整 车能量管理系统的控制下，多个能量源与其他部件相互配合，进行多种优化组 合，发挥不同能量源各自的优势来适应不同的行驶工况，以此来达到节省能量 减少废气排放的目的。 而可外接充电式混合动力汽车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 ，是近几年 出现的混合动力汽车的一种发展方向。这种混合动力汽车单独依靠电池就能行驶较长 距离，但需要时仍然可以像普通的全混合动力汽车一样工作。例如，有一辆可以靠电 池行驶5 0 k m 的p h e v 在实际运行中，开始的5 0 k m 可以完全采用电池的能量，超过 5 0 k m 后则转入正常的混合动力模式。到了旅程终点，则再插入外接电源对电池充电。 p h e v 主要有以下优点： 具有纯电动汽车的全部优点，可以利用晚间低谷电对电池充电，改善电厂发电 机组效率，节省能源：降低对石化燃料的依赖，减少石油进1 3 ，增加国家能源安全； 减少温室气体和各种有害物质的排放。 如果一周工作时间内上下班距离较短，可用纯电动模式驾车上下班，不需使用 汽油，周末仍可以利用内燃机为主的混合动力模式作长途旅行。 可利用外部公用电网对车载电池组进行充电，减少去加油站加油的次数，用电 比用石油便宜，可降低车辆使用成本。 p h e v 的电池一般达到5 2 0 k w h ，约是纯电动汽车电池的3 0 5 0 ，一般混合 动力汽车电池的3 5 倍。可以说p h e v 是一种介于混合动力汽车与纯电动汽车之间 的过渡性产品。相比于传统的内燃机汽车和一般混合动力汽车( h e v ) ，p h e v 由于 更多的依赖动力电池驱动汽车，因此它的燃油经济性得到了进一步改善，二氧化碳和 氮氧化物排放也更少。一般混合动力汽车的动力电池s o c 仅在较小范围内波动，因 此循环寿命次数很长。而p h e v 的动力电池由于汽车本身的行驶特性，s o c 必须在很 大的范围内波动，属于深充深放，因此循环工作寿命比较短，这一点和纯电动汽车( e v ) 相似。 目前在p h e v 上都采用先进的锂离子电池。随着全球石油价格不断上升，内燃机 的能耗费用也将不断上升，而同时，随着锂离子电池技术的进步和产量的扩大，其能 耗费用将不断下降，当二者达到平衡时，p h e v 有望得到大面积的使用。 1 2p l u g i n 混合动力汽车国内外发展现状 1 2 1 国# f 、p l u g i n 混合动力汽车发展现状【5 。1 2 】 国外电动汽车的研究开发已有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是最 近十余年时间。世界混合动力市场发展历程从1 9 9 7 年推出第一辆混合动力汽车p r i u s 以来，到2 0 0 4 年短短5 年时间，混合动力的保有量增加到了2 0 万辆，如图1 1 。据 估计，2 0 1 5 年仅在美国，混合动力汽车的保有量就将超过1 0 0 万辆。作为混合动力汽 车未来可能的发展方向，p h e v 也受到了全世界的广泛关注。 + 戈电动汽车 辊台动力托车 图1 - 1 汽车保有量增长图 1 、美国 p h e v 在美国一些民间组织和电力集团的推动下，受到政府、社会和企业的广泛 关注。美国前总统布什2 0 0 6 年多次发表讲话，支持发展p h e v 。2 0 0 6 年2 月下旬， 布什在j o h n s o nc o n t r o l s 公司的讲话中谈到p l u g i n 混合动力技术时说：“现在出乎意 料地，开始看到这项重要技术对我们国家安全与经济安全的影响，p l u g i n 混合动力 汽车是能源策略的一个重要部分，美国政府将提供3 1 0 0 万美元来加速研究这项先进 技术。 最先受到普遍关注的p h e v 是在2 0 0 7 年初北美国际车展即底特律车展上展出的 p h e v 概念车雪佛兰v o l t 。这是基于“未来汽车必须能够使用各种能源 的理念 开发的新一代混合动力驱动系统。通用公司称该系统为“e - f l e x 系统，这种系统除 2 了可使用传统燃料以外，还可使用来自电网的电、乙醇燃料、生物柴油燃料以及氢等。 雪佛兰v o l t 概念电动车采用的是串联混合动力技术，发动机( 可以是内燃机也 可以是燃料电池) 的动力不直接驱动车轮，只用来发电，车轮由电机带动。纯电动行 驶里程为6 4 k m ，采用的锂离子电池容量在1 6 k w h 以上。油箱可以装1 2 加仑的燃料， 约可行使1 0 2 0 k r a 。通用公司已经开始对雪佛兰v o l t 进行批量生产，预计2 0 11 年可以 在中国上市。 在美国，除了v o l t 以外，其他p l u g i n 混合动力汽车还包括： 通用公司的土星v u eg r e e nl i n e ，该车使用锂离子电池，纯电动行驶里程为 1 0 英里( 约1 6 公里) ，预计该车将于2 0 1 1 年底实现量产； 通用公司的s a t u r nf l e x t r e m ec o n c e p t ，采用电动汽车平台“e f l e x ”串联方式， 可纯电动行驶3 4 英里( 约5 4 k i n ) ： 福特公司生产的e s c a p e 采用j o h n s o nc o n t r o l s s a f t 公司的l o k w h 的锂电池， 可纯电动行驶3 0 英里( 约4 8 公里) 。该车现已向美国电力公司提供2 0 辆进行公 路试验。 2 、日本 日本方面也加快了p l u g i n 混合动力汽车技术的研究。2 0 0 7 年1 1 月，丰田 汽车公司向加州大学交付首批2 辆p l u g i n 混合动力p r i u s 轿车，同时还宣布将 于2 0 1 0 年进行较大规模的p l u g i n 混合动力汽车商业化示范运行。该种p l u g - i n 普锐斯混合动力汽车预计在2 0 1 2 年上市。另外，丰田公司生产的轻量插电式混 合动力“f f vi x 、h i c t 、p l u g i nh v 也都在上市计划中。 3 、欧洲 欧洲各大汽车公司也进行了p l u g i n 混合动力汽车开发，其中包括： 奥迪公司推出的概念车“m e t r o p r o j e e tq u a t t r o ”，该车车尾配备可通过家用 电源充电的锂离子充电电池； 沃尔沃公司生产的“r e c h a r g ec o n c e p t 。该车采用将发动机用于发电的串联 混合动力方式，配备了可使用生物乙醇燃料的1 6 l 发动机，充满电后可持续 行驶约1 0 0 公里； 梅赛德斯奔驰公司在2 0 0 9 年法兰克福车展上最新推出的v i s i o ns5 0 0p l u g i n ， 该车依靠电力可行驶3 0 公里。 1 2 2 我 p l u g i n 混合动力汽车发展现状 我国的石油资源比较匾乏，石油消费量逐年增加而石油自给率逐年下降( 如图 l - 2 ) 。目前我国已成为全球第二大石油消费国。因此，发展我国的汽车工业，应当顺 应当今科技发展的趋势，在汽车的高新技术，尤其是在代表今后发展的关键技术方面 应努力和发达国家保持一致。加大混合动力汽车的研究与开发，是实现我国汽车工业 跨越式发展的战略选择。因此，充分利用现有条件，整合研究、设计、制造力量，解 决混合动力汽车的各种关键技术，具有重要意义。 中国石浊消费趋势预测 - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ 一年消费颦 + f j 绘率 8 0 o 7 0 o 6 0 0 5 0 o 4 0 o 3 0 0 2 0 - o 1 0 o o 0 图1 - 2 中国石油消费趋势预测 从“八五 开始，我国就开始进行电动汽车的研究，“九五 阶段电动汽车发展 已经具有一定规模，到“十五 阶段我国已经取得了很多成果。比如奇瑞汽车i s g b s g 混合动力轿车、长安汽车i s g 型混合动力轿车、东风汽车公司的e q 7 2 0 0 h e v 客车、 一汽c a 6 1 1 3 s h 8 和c a 6 1 1 0 s h 8 混合动力城市客车、安凯与合肥工业大学共同开发的 h f f 6 1 1 0 g z 3 混合动力客车，都已经达到了国内领先，国际先进的水平。 国家“十一五 计划节能与新能源汽车重大项目于2 0 0 6 年底正式开始实施。其 中提出建立以燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车动力系统技术平台为“三 纵”，以燃料电池和动力蓄电池技术，电驱动系统技术，以及共性基础技术为“三横” 的电动汽车，“三纵三横 的研发布局1 1 3 】如图1 3 所示。 公共支撑 平台建设 各 类 整 车产品 燃料电池系 统平台 混合动力系 统平台 纯电动动力 系统平台 燃料电池发动机、动力蓄电池、超级电容 驱动电机、电机传动系总成、发动机 新材料、新器件、共性技术、基础设施相关技术 代 替 用 燃 料 及 新 型 燃 料 汽 车 开 发 检测试验技术标准政策法规示范运营产业融资知识产权技术信息 图1 3 “十一五”电动汽车“三纵三横”的研发布局 而在我国，由于p l u g i n 混合动力汽车这个新概念刚被引入我国不久，许多整车 厂家还处于项目起步阶段。但是，有些具有先进电池技术的企业首先走在了前面。 比亚迪作为电池行业的领军，首先在2 0 0 8 年推出t x 2 模电动车纯电动+ 混 4 合动力( e v + h e v ) ，实现了既可充电又可加油的多种能力补充方式。该车既可以在 纯电动模式下行驶，又可以在油电混合的模式下行驶。驾驶者通过按键，可轻松实现 纯电动和混合动力两种模式之间自由切换。这种双模电动车就是p l u g i n 混合动力汽 车。此外，f 3 d m 双模电动车使用的铁电池，原材料广泛、无污染、可回收，其耐热 性、抗压性都已经通过国家测试，而且电池循环充电2 0 0 0 次后容量还有8 0 以上， 实际可使用4 0 0 0 次。 另外长春格林汽车制造有限公司也准备投资可外接充电式混合动力汽车项目。同 时，清华大学、广州丰田汽车股份有限公司、合肥工业大学也都成立了研究小组对 p h e v 进行研究。 1 3p l u g i n 混合动力汽车控制策略和优化方法概述 相对于普通混合动力汽车，p l u g i n 混合动力汽车有两种不同的运行模式，故 其控制策略也有相应的两种方式。第一种运行方式一一纯电动模式，对应的是 纯电动控制策略。在该模式下运行，电能是唯一推动汽车行驶的能源。电池通 过电机输出汽车需求功率，发动机完全关闭，不输出功率。电池荷电状态s o c 呈明显下降趋势，直至达到s o c 临界值。在纯电动控制策略中，能量分配完全 遵循功率跟随模式，即工况需求功率决定电池的输出功率，电池输出功率跟随 需求功率的变化而变化。此后，汽车进入混合模式，即在电池荷电状态s o c 处 于较低水平时，汽车自动转入混合模式。在该模式下，发动机和电池协同工作， 燃油和电能作为双动力源向汽车提供动力。 根据发动机、电池、电机等动力系统组合的不同，p l u g i n 混合动力汽车可 分为串联式、并联式和混联式。由于在这三种结构方式中，纯电动模式下的控 制策略基本相同，故下文所阐述的三种结构的区别主要在于混合模式中。 1 3 1 串联式p l u g i n 混合动力汽车控制策略 由于串联型p l u g i n 混合动力汽车的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，还必须考虑电池、电传动系统、发动机和发电机的总体效率。下 面是串联型混合动力汽车的两种基本的控制模式。 恒温器控制模式 当蓄电池组荷电状态s o c 降到设定的低门限值时，发动机启动，在最低油 耗( 或排放) 点按恒功率输出，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， 这会引起蓄电池组的过度循环。这种控制模式对发动机比较有利，而对蓄电池 的要求很高【l4 。 功率跟随控制模式 控制发动机沿最小油耗曲线运行，发动机的功率紧跟车轮功率的变化，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。该方法会使整车成本上升，而且发 动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，这种运行方式会损害发动机的 效率和排放性能。 另外，上述两种控制模式还可以结合起来使用，这样可以充分利用发动机 和电池的高效率区间，从而达到整体效率最高。 1 3 2 并( 混) 联式p l u g i n 混合动力汽车控制策略 并联式与混联式p l u g i n 混合动力汽车在理论上易于实现最优的燃油经济性 和排放性，但是由于结构过于复杂，控制策略目前仍不成熟，需要进一步优化。 其主要控制策略有： 开关门限值控制策略 开关门限值能量管理策略实际上是一种固定的门限值控制方法。门限值的 确定主要依据工程经验。通过一组静态参数，根据预先设定的规则判断来选择 系统的工作模式。并根据部件的稳态效率图来确定发动机和电动机之间的动力 分配。美国密西根大学的p e n gh u e i 等人研究的“基于规则的功率管理策略”就属 于此类范畴【1 5 06 1 。 模糊逻辑控制策略 模糊逻辑控制是一种典型的智能型能量管理策略，它的出发点是通过综合 考虑发动机和蓄电池的工作效率，从而实现整车效率最优。由于该种方法在发 动机、电动机和电池能量管理问题上增加了模糊决策因素，加强能量管理问题 的逻辑性，比较符合人的思维逻辑。n i e l sj s c h o u t e n 等人以s u g e n o t a k a g i 模糊 控制模型为基础，设计了并联式混合动力系统的模糊逻辑控制器，具有较好的 鲁棒件【1 7 - l8 1 。 基于神经网络的控制策略 该策略结合逻辑门限控制策略以及等效燃油消耗最小的原理，用神经网络 来实现能量管理。该方法能够简化计算，提高响应速度。其中对角回归型神经 网络是具有反馈的动态网络，具有适应实时变化的能力。 1 3 3p l u g i n 混合动力汽车优化方法综述 p l u g i n 混合动力汽车的最优化问题，就是合理分配能量达到燃料和排放的 最小化。由于p h e v 尚属一个较新的概念，故目前用于p h e v 的优化方法还是局 限于传统混合动力优化方法及其一些改善。优化目标大部分也仍然围绕燃油消 耗量最小排放最优展开。 瞬时优化方法( 自适应优化方法) 瞬时优化方法是建立在发动机万有特性曲线上的优化方法。该优化方法的 特点是保证在任意时刻的能量流动过程中，能量损失最小。对p h e v 而言，在 6 特定工况点下对整个动力系统的优化目标( 如效率损失、名义油耗) 进行实时优 化，然后基于系统的瞬时最优工作点，对各个状态变量进行动态再分配【1 9 2 0 1 。 全局优化方法 由于各个瞬时最小值之和并不一定是整体和的最小值，于是瞬时优化方法 并不是全局最优。全局最优化方法是在整个运行区间内寻优的优化方法。它应 用最优化方法和最优控制理论，针对某个既定的驾驶循环，先预判或者制定发 动机、蓄电池将要达到的状态，然后根据当前状态，寻找实现目标状态的最佳 路径。目前混合动力汽车采用的全局最优化方法【2 卜2 2 1 有：基于多目标数学规划 的全局最优化控制策略、基于b e l l m a n 动态规划理论的全局最优化方法、和基于 古典变分法的全局最优化方法。 除此之外，涉及p l u g - i n 混合动力汽车的优化方法还有遗传算法、模拟退火 算法等。 1 4 课题来源及本文研究的主要内容 本文的研究工作是结合我校和奇瑞汽车股份有限公司共同申报的国家十一 五“8 6 3 ”节能与新能源重大专项一一“q r a 5 混合动力轿车整车产品开发和产 业化”进行的。本文的研究内容主要包括： 驱动方案分析以及动力系统参数匹配。分析p l u g i n 混合动力汽车的三种 驱动方案各自的优缺点及适应性，选择串联式作为p l u g i n 混合动力汽车驱动方 式。根据整车参数以及动力性能指标，完成动力总成和传动系的匹配。 p l u g i n 混合动力汽车能量分配控制策略设计。首先制定了基于s o c 门 限值的总体控制策略，即c d 模式和c s 模式转换策略。然后，又提出了基于 效率的c s 模式控制策略。最后建立控制策略模型，运行仿真验证该种控制策 略的合理性。 p l u g i n 混合动力汽车控制参数优化。将p l u g i n 混合动力汽车的运行模 式总能量作为优化目标，使用v b 程序离散目标变量，利用m a t l a b 和e x c e l 以及s i m u l i n k 的接口，直接用模型进行目标函数的计算。 硬件在环实时试验。将仿真模型转换为可识别的控制模型，利用d s p a c e 平台，以单片机作为控制器，d s p a c e 模拟汽车部件作为被控对象，将所设计 的控制算法进行实时仿真实验，并将结果与离线仿真结果进行对比验证。 7 第二章驱动方案分析及动力系统参数匹配 2 1 引言 p l u g i n 混合动力汽车以成熟的燃油发动机与电池的组合动力作为能源，在日常上 下班时仅依靠电池作为单一动力源进行短距离行驶而不消耗燃油。而对于长途旅行， 汽车在经过纯电动模式以后，自动转入混合模式，发动机电池协同工作。 和普通混合动力汽车一样，设计一辆p l u g i n 混合动力汽车首先需要比较各种驱 动方案优劣，确定最佳的驱动方案。而在确定驱动方案之后，就要进行动力总成各部 件的匹配选择。 本章在比较了各种驱动方式之后，确定了串联式p l u g i n 混合动力汽车的驱动方 案。然后根据整车动力性能指标，对发动机、发电机、电池、驱动电机以及传动系参 数进行了匹配。 2 2p l u g i n 混合动力汽车驱动方案分析与设计 2 2 1p l u g i n 混合动力汽车驱动方案分析 现在大部分的混合动力汽车都是在传统发动机的基础上增加蓄电池组作为电能 存储装置，通过电动机将电能转化为机械能。根据混合动力系统零部件的种类、数量 和连接关系，当前开发研制的混合动力电动汽车可以分为三类幽】： 串联式混合动力汽车( s e r i e s ) 多动力源输出功率以电力形式进行复合； 并联式混合动力汽车( p a r a l l e l ) ：多动力源输出功率以机械方式进行叠加； 混联式混合动力汽车( c o m b i n e d ) ：上述两种方法兼而有之。 三种动力系统典型结构如图所示，图2 1 是串联式驱动方案，动力传递是将发动 机和电池的动力通过电力方式间接耦合，提供电能给电动机，然后将动力传递至车轮； 图2 2 是并联式驱动方案，发动机提供的动能和电池提供的动能之间通过动力复合装 置，实现力矩的直接耦合，最后驱动车轮运转；图2 3 是混联式驱动方案，该方案动 力结合装置结合了两者的优点，可以用两种方式复合，故控制结构也相对复杂。 e - 发动机：g 发电机：b - 电池；p 功率转换器；m 驱动电机；t - 传动系： 电气连接：二= 二= 机械连接( 下同) 图2 - 1 串联混合驱动 8 e i 二一j t i 厂 广二_ p m g l m ，g 发动机电机一体 图2 2 并联混合驱动 图2 3 混联式混合驱动 2 2 2p l u g - i n 混合动力汽车驱动方案设计 对p l u g i n 混合动力汽车不同结构模式下的动力总成模式、发动机选择范围、功 率、排放、电池等参数的选择要求作了比较 2 4 1 ，如表2 1 ： 表2 1 不同类型的p l u g i n 混合动力汽车比较 结构模式 串联式并联式混联式 发动机、发电发动机、电动发动机、电机 动力总成机、驱动电机等三机发电机两大部发电机、驱动电机 大部件总成件总成等三大部件总成 发动机的选发动机为传发动机的选 发动机选择范围、择有多种形式、功统的内燃机、功率择有多种形式、功 功率、排放率较大、工作稳较小、工况变化率较小、排放介于 定、排放较好 大、排放较差串联与并联之间 对电池的要总容量比串对电池的依 求较高、容量大、联式小、对蓄电池赖小，甚至可以不 电池 增加了汽车重量的功率要求较低需要外置充电系 以及制造成本统 控制系统结动力控制系机械传动系 构比较简单，控制统和切换系统相统及控制系统最 方法简便，只要根对比较复杂为复杂 控制系统 据蓄电池充电状 态决定其运行或 停止 由于并联驱动方式，发动机工作在较大的负荷范围，燃油经济型和排放较差，在 结构上还需要动力耦合系统，因此布置和控制较为困难。而混联驱动方式由于两套完 9 整的动力系统，结构设计和布置最为困难，控制系统也最为复杂，另外其发动机的工 况会受到行驶工况影响，排放较差。而串联驱动方式结构较为简单，并且发动机可以 工作在燃油经济型较好、排放较优的区域。综合考虑，决定采用串联布置作为p l u g i n 混合动力汽车的驱动方式。 该动力系统可以由电池经过双向d c d c 转换器、电机控制器及转换器直接驱动 电机，或者由发动机驱动直流发电机，产生的电能通过电机控制及转换器供电动机驱 动车轮，所有发动机的机械能都可以转换为电能来驱动电机。而发动机控制器、发电 机控制器、双向d c d c 转换器、电机控制器以及电池管理系统都需要接受整车控制 器的命令而工作。动力系统结构如图2 _ 4 所示： 发 动 机 发 动 机 控 制 器 发 电 机 发 电 机 控 制 器 双向d c d c 转换器 电池组 电池管理系统 功l 粪岍 刻b 器l 整车控制器 电机控制器 一能量_ 信号 图2 - 4 动力系统结构图 变 速 器 驱 动 桥 2 3p l u g i n 混合动力汽车动力系统参数匹配 动力系统参数对一款p h e v 汽车的动力性、燃油经济性和排放性能均有显著影 响。所以在研制p h e v 的过程中，动力系统匹配设计的研究在车型开发和仿真分析中 都有着举足轻重的作用。 2 3 1 整车参数及动力性指标 本文设计的p l u g i nh e v 采用的是串联混合动力技术，发动机的动力不直接驱动 车轮，只用来发电【2 5 1 。选用车辆的整车参数及动力性指标如表2 - 2 。 动力参数匹配主要包括：发动机功率、电机各参数、发电机功率选择、电池各参 数。 2 3 2 发动机的选择 可外接充电式混合动力轿车的发动机不用来直接驱动车轮只用来发电，在纯电动 行驶后s o c 达到下限时，仍然可以和普通串联混合动力汽车一样工作。故要求其续 1 0 表2 2 整车参数和动力参数指标 车轮半径整车质量最高车速纯电动行驶 车长m m 车高m m m m k g k m h 里程k i n 4 3 1 81 3 3 62 6 6 71 5 8 81 5 04 0 迎风面积，轴荷分配系 最大爬坡度 百公里加速 车宽m m 风阻系数 i n 2 数 ， 时问s 1 7 9 12 30 35 03 01 0 驶里程不受电池容量的影响，且具有相当的动力性能，所以发动机的最大输出功率要 满足车辆平均行驶需要的功率： 只一= 丽苌【蟛+ 绦+ 俐 ( 2 - 1 ) g e e 一为发动机最大输出功率单位k w ：刀岩c 为发电转换效率，单位： 为电动机效率：v 口。为平均行驶车速，单位k n 洫；1 1 1 为整车质量，单位k g ；g 为 重力加速度，单位1 1 1 8 2f 为滚动阻力系数，单位n ：c d 为空气阻