（轮机工程专业论文）并联混合动力轿车整车性能分析和控制策略研究.pdf

武汉理工人学硕十学位论文 摘要 相对于传统内燃机汽车而言，混合动力电动汽车的优势在于增加了动力 系统部件的种类和组合方式。并根据车辆的运行工况对各部件的工作方式进 行了优化组合，使作为主动力源的内燃机能够在经济运行区工作，以保证车 辆低能耗性、低排放性和良好的动力性。如何控制发动机、蓄电池和电机协 调地工作是保证混合动力电动汽车性能的技术关键。本文针对e q 7 2 0 0 并联 混合动力轿车制定了实时控制策略，采用了遗传算法实时确定发动机和电机 的工作组合点，控制过程综合考虑了车辆燃油经济性、车辆的排放性、蓄电 池的充电状态( s t a t eo fc h a r g e ，简称s o c ) 、制动能量、发动机的温度及 车辆的操作等因素。遗传实时控制策略目标函数的属性有燃油经济性和四种 排放物的排放量，通过对各个属性权值的调整，实现对控制目标的调整。作 者研究了一种新的主观侧重赋权值的方法，并据此讨论了车辆的三种行驶模 式：燃油经济性模式、低排放模式和下常行驶模式。所研究的e q 7 2 0 0 混合 动力轿车以风神蓝鸟车辆部件为基础，根据实测的车辆主要部件的数据，分 析了混合动力电动轿车的性能，指出该车型主要部件匹配存在的问题以及改 进措施。最后本文提出了综合评价混合动力电动汽车性能的主客观综合权值 方法，采用此方法对不同部件组合的混合动力电动汽车的性能进行了评价。 关键词：混合动力电动汽车，控制策略，遗传算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lv e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) h a s al o to fk i n d sa n dc o m b i n a t i o nw a y so fp o w e rs o u r c e s i nt h ed r i v e t r a i n a c c o r d i n gt ot h ed r i v i n gc o n d i t i o n s h e vd e t e r m i n e st h ei d e a lc o m b i n e dw a yo f t h ev e h i c l e se n g i n ea n dm o t o r ，e n s u r e st h a tt h ee n g i n e ( m a i np o w e r i n p u t ) w o r k i nt h eh i g hf u e le c o n o m ya r e aa n dt h a tt h ev e h i c l eh a sh i g hf u e le c o n o m y ，l o w e m i s s i o na n dg o o dd r i v i n g p e r f o r m a n c e t h ek e yt e c h n o l o g yi sh o wt om a k e e n g i n e ，b a t t e r ya n dm o t o rw o r kh a r m o n i o u s l y t h er e a l - t i m ec o n t r o ls t r a t e g y ( r t c s ) p r e s e n t e dh e r ed e t e r m i n e st h ei d e a lo p e r a t i n gp o i n t o ft h ev e h i c l e s e n g i n e a n dm o t o r b y g e n e t i c a l g o r i t h m s ( g a ) t h ea p p r o a c hi m p l i c i t l y i n c o r p o r a t e s t h ee f f e c t so fm a n yf a c t o r sw h i c hi n c l u d et h ev e h i c l e s f u e l e c o n o m y ，v e h i c l e se m i s s i o n ，s o co fb a t t e r y ，r e g e n e r a t i v ee n e r g y ，t e m p e r a t u r e o f e n g i n e ，o p e r a t i n gh i s t o r y o ft h ev e h i c l ea n ds oo n w e i g h t i n g f o rf u e l e c o n o m ya n df o u re m i s s i o np e r f o r m a n c ed e t e r m i n ea no v e r a l li m p a c tf u n c t i o n ， t h eu s e rc a na d j u s tt h et a r g e to ft h e s t r a t e g yb ya d j u s t i n gt h e i rw e i g h t i n g s i n a d d i t i o n ，t h ea u t h o rs t u d i e san e w w a yo fw e i g h t i n gs u b j e c t i v e l ya n dd i s c u s s e s t h et h r e e d r i v i n g m o d e s ：f u e l e c o n o m ym o d e ，e m i s s i o nm o d ea n dn a t u r a l o p e r a t i o n m o d et h e e q 7 2 0 0 h e vb a s e d o nb l u e b i r dc a ri s i n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ed a t ao ft h ev e h i c l e sc o m p o n e n t s ，t h ep e r f o r m a n c e o fh e vi s a n a l y z e d ，t h ep r o b l e mo ft h ec o m p o n e n t sa s s e m b l ea n dt h ew a yo f i m p r o v e m e n ti sp o i n t e do u t f i n a l l y t h e w a y o fw e i g h t i n gt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo f d i f i e r e n th e vi sc a r r i e do u t k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c o n t r o ls t r a t e g y ，g e n e t i ca l g o r i t h m s i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 能源与环境是各国政府密切关注的可持续发展战略问题。今后5 0 年， 全球人口将由6 0 亿增加至1 0 0 亿，汽车饱有量将由7 千万辆增加到2 亿5 千辆。汽车的能源主要是石油产品一一汽油和柴油，预计到了2 0 4 5 年石 油资源将枯竭，并且这些燃料的燃烧产生大量的h c 、c o 、n o x 和p m 等有 害物质，对大气环境产生了极大的破坏，特别是发动机大多在非设计工况运 行，对大气的污染更为严重。因而开发低排放和低能耗的新型汽车成为当今 世界汽车发展的方向。 目前出现的两类新型车为代用燃料汽车和电动汽车，电动汽车分为燃料 电池汽车、纯电动汽车以及混合动力电动汽车【2 】。其中代用燃料汽车是以液 化石油气( l p g ) 、压缩天燃气( c n g ) 和甲醇等作为燃料的汽车，与传统的 汽车相比，通过改变燃油的成分，一定程度上降低了c o 、n ox 、h c 等有 害气体的排放【3 l 。纯电动车的优势则在于其实现了零排放和低噪声，但由于 受蓄电池组的能量密度和质量的限制，使得电动汽车连续行驶里程受到限 制，目前性能良好的电动汽车一次充电续驶里程只有1 0 0 2 0 0 k m ，且运行 成本高，使其在性能价格比上无法与传统的内燃机汽车相抗衡【4 】。燃料电池 虽然是电动汽车商业化和产业化的发展趋势，但是由于燃料电池不可逆，如果 单纯使用燃料电池作为动力源，在制动和减速时无法实现能量回收，另外燃料 电池汽车启动以及充气站的安全等问题也有待进一步解决【5 】【6 j 7 】，燃料电池 同样需要与电池组成混合动力系统。在这种情况下融合了内燃机汽车和电动 汽车优点的混合动力电动汽车( 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 ) 在世界范 围内成为新型汽车开发的热点。 混合动力电动汽车主要是指以发动机、蓄电池和辅助动力单元( a p u ) 作 为动力源的汽车，与传统的内燃机汽车和纯电动汽车相比，它增加了动力系 统部件的种类和组合方式。并根据车辆的运行工况对各部件的工作方式进行 了优化组合，使作为主动力源的内燃机能够在经济运行区和低排放区工作， 以保证车辆良好的动力性、低排放性和低能耗性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题相关的国内外研究现状分析 汽车工业的总体发展目标是提高车辆的经济性、安全性和动力性，降低 排放、使用维护成本和车辆的研发成本。上世纪9 0 年代初以来，混合动力电 动汽车的开发得到了美、日及西欧等许多发达国家的高度重视，并已取得了 一些重大的成果和进展。美国能源部、运输部和国防部组织各大汽车公司和 有关科研部门积极开展混合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”( p n g v ) ，旨在开发新一代高效节能汽车，混合 动力电动汽车计划是1 9 9 7 年底美国重新确定的p n g v 计划4 个重点领域之 一 8 】。美国先进项目局( a r p a ) 于1 9 9 3 年制定电动汽车( e v ) 和混合动力电动 汽车( hev ) 开发研究计划；另外1 9 9 3 年和1 9 9 6 年间美国能源部分别与 通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司签定了总额达3 6 l 亿美 元的混合动力电动汽车系统开发子合同，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整车技术的开发和研制工作1 9 。通用汽车公司同时 进行串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力的研制，并于1 9 9 8 年1 月 通用汽车公司推出了e v l 型4 座混合动力电动汽车【l3 、”j 。福特汽车公司已 开发出福特p2 0 0 0 型5 座并联式混合动力电动汽车；福特新开发出的“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”。1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒汽车公司开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力电动汽车【1 “】。1 9 9 7 年由美国宇航局r n a s a ) l e w i s 中心、 俄亥俄州政府、工业界和大学等9 个单位合作，开发出串联式电动喷气涡 轮混合动力大客车。在第3 2 届东京汽车展上，日本各大汽车公司共推出6 款 混合动力汽车，这说明日本汽车界将重点从纯电动汽车转向混合动力汽车。 1 9 9 5 年5 月日产公司开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力 型微型轿车，同年9 月又开发出使燃料费用降低一半，并且可以批量生产的 并联方式混合动力型汽车系统。本田公司开发的j v x 混合动力电动汽车 其动力系统为l 公升3 缸直喷式v t e c 发动机和电动机，还有一组超级电容 以替代通常使用的蓄电池系统。日野汽车制造公司也于1 9 9 7 年1 2 月1 8 日 开发出了柴油机电动并联式混合型系统的客车。日本富士重工则将研制微 型混合动力型汽车作为自己的主攻目标。目前，该公司已经制造出了试验用 车体，采用了两种电池：双层电容器和锰钾离子电池。其特色是依据不同的 行驶状态，切换使用这两种电池；另外在车顶装有太阳能吸收板，利用停车时 武汉理工大学硕士学位论文 间进行充电。三菱电机公司也开发出轻型串联式混合动力电动卡车，采用两 个a c 感应电机和l8 升的发动机。值得瞩目的是丰田公司开发的p r i u s 型 5 座混联式混合动力电动汽车。p r i u s 于1 9 9 7 年1 2 月推向市场。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，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 6 11 6 j 。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 0km 的运行试验【l ”。瑞典沃尔 沃公司也开发出了沃尔沃fl6 卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可 达9 0km 。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合动力电动车d u o 已小批量生产，现在德国已开始 出租，预计4 年内租出5 0 0 辆。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。 我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术 攻关和整车研制，在此基础上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的 开发。清华大学在混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面开展了研究 工作。清华大学与厦门金龙联合汽车公司合作研制出串联式混合动力客车， 标志着我国混合动力电动汽车研究进入了实质性阶段。到目前为止国内已有 几个单位试制出了混合动力电动汽车的样车，如广州市电车公司开发了混合 动力公共汽车；华南理工大学与广东云山汽车厂也合作开发了一种中巴混合 动力汽车。但是从技术水平上看，国内目前还处于探索的初级阶段。以上 所开发的混合动力电动汽车都是串联式的，只是在原有的电动汽车上简单地 加载发动机和发电机机组，技术的集成度较低，缺乏自动化的控制系统和能源 管理系统，两种动力源只是简单结合，这与真正意义上的混合动力电动汽车的 国外先进技术水平相比还有很大距离。 目前国内外专家基本上达成共识：混合动力电动汽车的使用不只是电动 汽车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命。基于以上分 析，混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然的趋势。总的来说，混合 动力电动汽车的研究和开发仍处于起步阶段，其关键技术如电池系统、传动 总成系统以及能量分配管理策略还有待改进和创新，成本价格有待降低，性能 也有待提高，这样才能满足替代传统燃油汽车的技术与市场要求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题来源，本课题所承担工作和本文所研究的内容 混合动力电动汽车的研究已列入我国“8 6 3 ”重大科技攻关项目，国家 已投入大量资金，组织科研力量进行关键技术攻关。武汉理工大学承担了 e q 7 2 0 0 0 h e v 混合动力轿车多能源动力总成控制系统的研究任务，课题目标是 研制出我国具有自主知识产权的多能源动力总成控制系统，满足整车性能及 产品实用性要求。主要研究内容：混合动力轿车多能源动力总成的特性分析； 多能源动力总成的动态建模；能量管理策略的开发；动力总成控制参数的匹 配标定：动力总成控制系统网络通讯与接口规范设计；动力总成电控单元软 硬件平台设计；动力总成控制模块软硬件开发；电控单元e c u 机电集成技术。 作者将进行的研究工作是e q 7 2 0 0 混合动力电动汽车多能源动力总成能量控 制策略的研究和整车性能仿真分析。 1 3 1 多能源动力总成能量控制策略的研究 混合动力电动汽车能量管理系统主要功能是监测车辆能量状态、控制能 量的流动、优化能量利用率，从而提高车辆的动力性、经济性和安全性。能 量管理系统监控车辆能量的释放和存储过程，进行能量优先级分配和满足各 种性能要求的能量最小化控制。混合动力电动汽车应根据车辆布置方式的不 同具体制定相应的能量控制策略。目前不同结构布置的能量控制策略主要 有：串联车辆的热机控制、串联车辆的功率控制和并联车辆的辅助动力源控 制。其中热机控制根据电池的s o c ( 充电状态) 操纵发动机，通过对发动 机和电机运行状态的控制保证车辆所需的电能并维持发动机在燃油经济区 运行。功率控制根据车辆的功率需求、电池的s o c 以及电机和发动机的运 行状态决定发动机的工作扭矩和转速。辅助动力源控制将电机作为车辆系统 的辅助动力进行控制。上述传统的控制策略在一定的驱动循环下使用了一系 列的静态参数，如：蓄电池的最大最小s o c 、发动机的效率及电机的转矩 等来控制车辆，对车辆微妙的排放变化反映不敏感。 本文研究的实时控制策略综合考虑车辆燃油经济性，排放和电池s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 状态等因素建立行驶费用目标函数，以优化并联混合动 力电动汽车燃油经济性和排放为目标。对于任一给定的转矩组合点，该控制 策略预计车辆的燃油经济性和排放，并且计算将蓄电池s o c 恢复到初始值 所需的恢复能量，这部分恢复能量由发动机和再生制动能量提供。通过对目 标函数中燃油经济性和各排放属性添加权值。可以调整各属性的相对重要 武汉理工大学硕士学位论文 性，从而使控制策略能根据司机意愿进行调整。实时控制考虑如下参数的影 响：蓄电池的s o c 、发动机温度、催化装置温度和吸收的再生能量。本文 利用遗传算法理论确定使行驶费用目标函数最小的发动机电机工作组合点。 1 3 2e q 7 2 0 0 混合动力电动汽车整车性能分析 本文以并联混合动力电动汽车为研究对象，在电动汽车仿真软件 a d v i s o r 基础上进行二次开发，具体车型是东风电动汽车股份有限公司的 e q 7 2 0 0 型混合动力电动轿车，该车型以风神蓝鸟车为基础开发【1 9 】。以实测 该车的主要性能参数为输入参数，建立该车型的混合动力电动汽车仿真分析 平台，对车辆的性能进行综合评价。 武汉理工大学硕士学位论文 f r q e 一7 1 、印1 c o l d 一“5 p = h o t 一“s 8 + ic o e f f + l ：二：；! ! 竺一l l ( 2 3 ) l l ” 其中c o l db i s e ：冷机状态的参数输出； h o tw p ：热机、稳定状态的参数输出； 乙一 ：发动机冷却液的温度； c o e f f ，e x p ：随输出参数不同而变化的常数【2 3 1 【2 4 1 。 如前所述一个合理的控制策略应将电机消耗的蓄电池能量转化为发动机 的燃油消耗。实时控制策略将电机的能耗转化为发动机的等效燃油消耗，进而 计算整车的燃油消耗和排放。为了评价某一路况循环下，发动机电机转矩组合 方式的车辆行驶费用，需要建立实时控制行驶费用的目标函数。目标函数的建 立要充分考虑发动机、电机及蓄电池等车辆主要部件的性能和工作状态。 2 1 电机等效能量消耗的计算 2 1 1 发动机燃油消耗与电机转矩之间关系的确定 瓦。、瓦和乙分别为传动系所需求的转矩、发动机转矩和电动机转矩： 气= i 。一r + 瓦。( 2 4 ) r ：电机对发动机的传动比。 根据发动机转矩转速对应的发动机燃油消耗关系图，导出电机转矩与发 动机燃油消耗间的对应关系，发动机燃油消耗与电机提供转矩关系如图2 2 所示。 图2 2电机转矩与发动机燃油消耗的关系 武汉理工大学硕士学位论文 21 2 电池s o c 变化量与电机转矩之间关系的确定 根据电机的转速和转矩需求向车辆的能量管理系统提出能量请求，由车 辆的能量管理系统控制蓄电池的工作。采用插值的方法，根据功率需求和蓄 电池本身的温度状态确定电池s o c 变化量与电机转矩的关系。 1 、蓄电池组的阻抗和开路电压的计算 蓄电池根据功率的需求、当前s o c 值以及蓄电池温度，导出蓄电池组 的阻抗值和开路电压。这期间需要查询蓄电池开路电压与蓄电池s o c 和温 度对应关系表、蓄电池放电阻抗值与蓄电池s o c 和温度对应关系表以及蓄 电池充电阻抗值与蓄电池s o c 和温度对应关系表。这三个表格具有统一的 格式：横坐标为蓄电池温度，纵坐标为蓄电池s o c ，而表格的数据值则为 二者共同决定的蓄电池开路电压值、蓄电池放电阻抗值和蓄电池充电阻抗 值。 2 、实际可提供功率的计算 蓄电池能量限制单元根据功率的需求、蓄电池s o c 、开路电压以及内 阻，计算蓄电池实际可提供的功率。蓄电池所能提供的最大功率受限于电机 最小工作电压，蓄电池的最小工作电压以及蓄电池的开路电压及内阻 2 5 i 。 v = m a x ( v o 。，。，圪。) ( 2 5 ) 矗。= m i n ( 乓。，( ( 一v ) - v i r o 1 ) ) ( 2 6 ) 。电机最小工作电压( u ) ；一一蓄电池的开路电压( u ) ； 吒。蓄电池的最小工作电压( u ) ；r 蓄电池电阻( q ) ； p 嘲一功率需求( k w ) ：置。实际可提供的功率( k w ) 。 除了完成功率限制的功能外，还应根据电池s o c 状态和功率需求值的 正负完成电池充放电的操作：电池s o c 小于最低极限值或者需求输出功率 为负值时，蓄电池进行充电，输出功率为零，此外其它情况蓄电池进行放电。 3 、蓄电池工作电流的计算 蓄电池工作电流计算： r ：一， i o 。= ( v o 。一一4 r 鼻。) ( 2 r ) ( a ) ( 2 7 ) 蓄电池最小充电电流： ，m 。= ( v o 。一) r ( a ) ( 2 8 ) 。一一蓄电池最大工作电压( u ) 武汉理工大学硕士学位论文 蓄电池实际工作电流； ，= m a x ( i 。，。) ( 2 9 ) 车辆能量管理器电压： 一b 。= v o 。一i r ( u ) ( 2 1 0 ) 通过上述计算公式( 2 7 ) 计算蓄电池工作电流。然后根据车辆能量管理 器工作电压和电机的转矩特性，进一步完成电机工作转矩的计算【2 “。 4 、电机转矩与s o c 变化量之间关系的确定 通过查询蓄电池库仑效率与蓄电池温度关系表格以及最大容量与蓄电 池温度关系表格，可得到蓄电池在一定温度下的库仑效率与蓄电池的最大容 量。用随蓄电池温度变化的库仑效率调整蓄电池的工作电流。根据化学能与 电能间的转化计算公式，可以计算各个时刻的s o c 值，因而某一时间步骤 内的s o c 变化量( s o c 终值与s o c 初值之差) 也就容易计算了。 蓄电池使用量的计算： 2 7 】 q 。= i l d s ( a h ) ( 2 1 1 ) 其中：a = ( 1 一c c 一。) q 砌。 s o c = ( q 。一q 。) q 。 ( 2 1 2 ) q 。一一蓄电池当前s o c 值绒。一一蓄电池最大容量( a h ) 混合动力电动汽车可以将车辆的制动能量转化为电能存储到蓄电池中， 这部分能量称为自由能量，获得这部分能量并不需要消耗燃油。所以推导的 电机转矩与电池s o c 变化量关系曲线应沿着y 轴正方向平移，平移的大小 为自由能量所引起s o c 变化量。实际得到的电机转矩与电池s o c 变化量关 系曲线如图2 3 所示。 4 车辆转矩需求葛3 n m 车辆转遮需求9 9 5 r a s 彻mm 】 图2 3电机扭矩与s o c 变化量的关系 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 s o c 变化量与电池充电燃油消耗之间关系的确定 根据发动机燃油消耗与电机提供的转矩关系和电池s o c 变化量与电机 转矩的关系，可以导出s o c 变化量与电池充电燃油消耗的关系，如图2 4 所示。至此也可以计算总的燃油消耗了( 总的燃油消耗包括发动机的燃油消 耗和电机等效燃油消耗) ，电机扭矩与总燃油消耗关系如图2 5 所示。 图2 5 电机转矩与总燃油消耗的关系 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 实时控制目标函数的建立 实时控制的目标函数为： j = w 14 ( u 阳+ u 脚) + w 2 + h c + w 3 + c o + w 4 + n o r + w 5 + 删 ( 2 1 3 ) 上述计算过程以插值法为主，结合部件特性的理论计算公式进行计算。 实时控制策略的目标函数综合考虑了车辆的燃油经济性( u ，。+ u m c 为燃油 消耗) 和排放( 四种主要排放物：h c 、c o 、n o x 和p m ) 【2 。目标函数中 w i ( i - l 5 ) 为各目标属性的权值。控制策略不仅仅要实现整车最佳的燃 油经济性，同时还要考虑适应各种工况、发动机排放、电池寿命、驾驶性能、 各部件可靠性以及成本等多方面要求，并针对汽车各部件的特性进行综合控 制。相对于传统的控制策略实时全局优化策略综合优化车辆的燃油经济性和 排放性，通过调整各个属性权值使控制模式多样化。实现目标函数的最小化 之前，要完成各属性的规范化，以便于各属性间的可比性。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章目标函数中各属性的规范化和权值的选取 实时控制目标函数的优化可以采用多指标综合评价的方法。该方法把多 个被评价事物不同方面且量纲不同的统计指标，转化成无量纲的相对评价值， 并综合这些评价值以得出对该事物一个整体评价的方法。如前所述，实时控 制的目标是减少燃油消耗和降低排放。多种情况下，各个目标属性的优化是 互相矛盾的，不能期望他们同时都达到最优解、极值点重叠在一起，需要在 各个目标属性的最优解间进行协调，以取得整体最优。车辆行驶路况不同， 对车辆的控制策略要求也不同。如行驶于平均车速比较高的路况对车辆的动 力性要求比较高，而行驶于启动频繁平均车速较低的城市路况对车辆的燃油 经济性要求比较高【2 引。实时控制策略通过调整目标属性的权值来调整控制 策略的侧重点，以期达到整体的最优化。 3 1 实时控制策略目标函数的规范化 混合动力电动汽车实时控制目标函数中有五个属性：燃油经济性、n o x 排放、c o 排放、h c 排放和p m 排放。这些属性在数量级上有较大的差别， 为了实现不同属性间的可比性，需要将各个属性规划为相互问可以比较的 0 l 之间的值，即实现属性的规范化。 3 1 1 多属性规划方法 考虑下面的多属性决策问题，待优化的目标函数为： f ( x ) = ( i ( z ) ，j ( x ) ，：( x ) )( 3 ，1 ) 其中：x x = x 】，x 2 ，x 。) 目标函数个体可表示为：y ：x 2 f i 1 y t im 2 y 2 1y 2 2 y 。1y 。2 k y l n y 2 。 y m 日 ( 3 2 ) 这里x 2 而，工：，工。) 是方案集( 解) ，g = j ， ，厶) 是目标集。而 武汉理工大学硕士学位论文 y 。= l ( x ，) ( i = 1 ，2 ，m ；j 2 1 ，2 ，n ) 是方案t 在目标：下的属性值，矩阵 y = ( y 。) 表示方案集x 关于目标集g 的“决策矩阵”。目前的属性类型有 效益型、成本型、固定型、区间型和偏离型属性。效益型属性是指属性值越 大越好的属性，成本型属性是指属性值越小越好的属性，固定型属性是指属性 值接近某个固定值n ，越好的属性，区问型属性是指属性值越接近某个固定区 间( 包括落入该区间) 越好的属性，而偏离型属性是指属性值越偏离某个固定 5 值p ，越好的属性。设t = v t , ，其中z ( i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 分别表示效益型、成本型、 固定型、区间型和偏离型属性的下标的集合。 下面综述这四类属性值的常规规范化方法，以下总记m = 1 ，2 ，m ) 是方 案集的下标构成的集合。( 3 3 ) 式和( 3 4 ) 式为规范化效益型和成本型属性的极 变差法、( 3 5 ) 式和( 3 6 ) 式( 或( 3 7 ) 式) 为线性变换法以及( 3 8 ) 式的向量规范化 法【3 0 l ： z p2 ( y p m i n y ) l ( m , a x y o m j n y f ) ，i m ，j 瓦 z ”= ( m a x y v y , j ) ( m a x y 一m ) n y “) ，i m ，正 z ”= y ”i m 7 y ，l m ，j 正 z u = 啦n y t | y ? | ，i m ，j t 2 z ，= 1 一y f ，m a x y i m ，j 疋 啊 勺= y “1 y ；，f m ，互u 弓 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 变换( 3 3 ) 式和( 3 4 ) 式的优点是经其变换后各属性下的度量值在0 和1 之 间变化，且各属性下最好结果的属性值z 。= l ，最坏结果的属性值z ，= o ，其缺点 是变换前后的各属性值不成比例；变换( 3 5 ) 和( 3 6 ) 式的优点是它们是线形的， 且变换前后的属性值成比例，但对任一属性来说，变换后的= ，= o 和# 。= 1 不一 定同时出现；变换( 3 6 ) 式的优点是把所有属性都化为无量纲的量且均处于区 间( o ，1 ) ，有利于属性间的比较，缺点是它是非线形变换，变换后各属性的最大 值和最小值不相同，因而有时仍不便于属性间的比例。一般认为( 3 3 ) 式和( 3 4 ) 式可同时使用，( 3 5 ) 式和( 3 6 ) 式可同时使用，但( 3 5 ) 式和( 3 7 ) 式不可，因它们 的基点不同，即最好属性值经( 3 5 ) 式和( 3 7 ) 式规范化后不一定同时为1 。( 3 6 ) 式仅适用于：对所i m 都有y ，( i l ) 非零。 规范化效益型和成本型属性另一种所谓的等效系数法( 3 9 ) 式： 武汉理工大学硕士学位论文 ：= y i m 靶x y p ，i m ，正；：u y f m ，a x y v ，i m ，j 疋 ( 3 - 9 ) 该方法的优点是变换前后的属性值成比例，缺点是各属性下方案的最好 和最差属性值规范化后不全相同。 还有规范化效益型和成本型属性另一种所谓的对比系数法( 3 1 0 ) 式和 ( 3 1 1 ) 式： = v 2 ( 一m ，i n y ，) m 。a 。x y 一蜘| ，f 吖，一 ( 3 - 1o ) z 口2 ( m a x y , j y y m a x l 蜘一 ，i m ，6 疋( 3 1 1 ) 其实这两个式子分别与( 3 3 ) 式和( 3 4 ) 式相同，只是形式上不同而已。这 里还可以给出了规范化效益型和成本型属性的另一种方法( 3 1 2 ) 式： 瓜_ 瓜_ _ z 。= y ，1 j ，；，f m ，互；z f = 一1 y ；，f m ，疋 ( 3 1 2 ) v i = lv = i 其优缺点基本上同f 3 8 ) 式。 3 1 2 实时控制目标函数的规范化 实时控制目标函数各属性分别为：燃油经济性、n o x 排放、c o 排放、 h c 排放和p m 排放。四种排放物为成本型属性，单位为g s ( 克秒) 。燃油 经济性根据选择单位的不同，属性的性质也不同：当选用英制时单位m p g ( 英 里加仑) 时，燃油经济性为效益型属性；当选用公制单位g k w h ( 克千瓦时) 时，燃油经济性为成本型属性。仿真数据是根据部件静态数据的插值计算而 来，各属性的计算是非线性的。对于所建立的目标函数，控制策略要选取使 目标函数值最小的操作点，即使车辆的行驶成本最小，所以选用公式( 3 3 ) 对目标函数各个属性进行规范化。 3 2 实时控制策略目标函数不同行驶模式的实现 拟制定三种车辆行驶模式：燃油经济性模式、低排放模式和正常行驶模 式，司机可以根据行驶路况的不同选取不同的行驶模式。实时控制策略将各 个分目标函数组合为总的统一目标函数的过程中，引入加权因子以平衡单个 指标，即各个分目标间的相对重要性，此种方法关键是加权因子的选择。加 权因子是由设计者选定的，各项指标加权因子应能客观地反映该项最优设计 所追求的总目标，使总目标的综合效果达到最优。为了在控制策略上反映司 机的主观驾驶意愿，采用主观法实现混合动力电动汽车不同驱动方式的控制 武汉理1 二大学硕士学位论文 模式。 3 2 1 主观法 t l s a a t y 提出的层次分析法能将定性问题定量化，它对于解决大系统的 多层次、多目标问题较为有效，具有高度逻辑性、灵活性及简洁性的特点。 其基本原理是将待评价的各因素两两比较其相对重要性，然后进行排序。由 于人判断的片面性，两两比较的结果不一定具有客观一致性，因此通常需要一 致性检验。利用最优传递矩阵，对层次分析法进行改进，使之自然满足一致性 的需要，直接求出权重，这种改进的层次分析法简记为i a h p 法【3 ”。 通常的a h p 法中，由标度法构造的判断矩阵a = ( 日。) 具有以下特点： ( 1 ) a ， o ( 2 ) 口。= 1 a 。( 3 ) 口。= 1 。显然，a 是互反矩阵，b = l g a 是反对称矩阵， 1 n 构造矩阵爿= 1 0 q ，其中白= = 1 ( k b j k ) 。矩阵a + 是a 的拟优传递阵，并且 k = l 它是一致的。所以，由a + 就可直接求出权重值( a + 的特征值) ，不必进行一致性 检验。 在多目标决策问题中，在进行方案综合与优化之前，要确定各属性( 目标) 的相对重要性一一权重。通常的做法是由数名专家“背靠背”地对指标进行 两两比较，并且给出各自的权重，由于人判断的片面性，两两比较的结果不一 定具有客观一致性，因此，简单地将各专家给出的权重值求算术平均作为各指 标的权重是不合适的。在分析专家们的意见时，不仅要研究意见的集中性，而 且还要研究他们认识的一致性。应用i a h p 法可以更好地解决多目标决策中 的指标权重确定问题。 设某个多目标决策问题有m 个指标，组成集合g = g “，g 。) ，专家集 s = s ，s ， ( m ，r 1 ) 。由s 中各专家对g 中的各指标权重进行综合评估， 评估采用两两比较的方法，专家集s 中任意一个专家瓯对g 。和g ，互相比较， 构造“比较矩阵”d 眯= 群 。 其中：d ! ) 2 ，指标g 产指标g 重要 1 ，指标q 与指标g 同等重要 0 t 指标g l 没有指标g 重要 且有= 1 ，即目标g ，与自身比较，其重要性相同。 然后利用重要程度排序指数1 构造判断矩阵a ：【d 扩 其中 ( 3 1 3 ) 武汉理工大学硕十学位论文 f 啡一弘 r j “；= 1 ，l = o ( 3 1 4 ) 【( 弓。一r j 。) 1 ， 0 ，使l i x x l i s ，有f ( x ) f ( x + ) ，x + 日，其中f i x * ) 是局部最 小值，x + 是群体中具有局部最小值的个体，若有“x ) f i x * ) ，x + h ，那么f i x * ) 是局部最大值，x + 是群体中局部最大值的个体；v x h ，有f ( x ) “x + ) ，x + h ， 其中f i x * ) 是全局最小值，x + 是群体中具有全局最小值的个体，若有玎x ) f ( x + ) ，x + h ，那么f i x + ) 是全局最大值，x 是群体中全局最大值的个体。遗传算 法的收敛性分析有助于遗传算法的性能评价，如收敛速度、全局收敛等问题。 目前，较多的收敛性分析和研究都是针对具体问题进行的。 武汉理上火学硕士学位论文 4 2 6 欺骗问题 遗传算法依据个体的选择、杂交、变异找到最优解。如果一个问题的个 体编码满足建筑块条件，那么用遗传算法求解效率较高，否则用遗传算法求解 效率较低。低阶的建筑块错误地引导搜索过程，使遗传算法不能发现高阶建 筑块，最终导致算法发散，找不到最优解。这一现象称为欺骗问题。欺骗问题 实际就是要预测给定问题用遗传算法求解的难易程度。目前遗传算法的欺骗 问题研究主要集中在3 个方面：设计欺骗函数；理解欺骗函数对遗传算法的 影响；修改遗传算法以解决欺骗函数的影响。 4 2 7 遗传算法的局部改进与混合方法 由于遗传算法涉及精度、可靠性、计算时间、探索与开发等诸多问题， 通过改进遗传算法本身在某种程度上可以提高遗传算法求解问题的性能，但 仅仅这样改进是不够的。使用混合方法，即用两种或多种不同算法组成的方 法，来提高全局优化和改进局部优化；传统的方法与遗传算法相结合可用于 解决计算精度、可靠性和计算时间之间的矛盾。 4 3 遗传算法的特点和优点 ( 1 ) 遗传算法的处理对象不是参数本身，而是对参数进行编码的个体， 此编码操作可以使遗传算法直接对结构对象进行操作。所谓结构对象泛指集 合，序列，矩阵，树，图，链表等各种一维或二维甚至三维结构形成的对象， 这一特点使得遗传算法具有广泛的应用领域【3 5 。 ( 2 ) 许多传统的算法都是单点搜索算法，对于多峰分布的搜索空间，常 常会陷入某个局部的单峰优解，而遗传算法采用的是同时处理群体中多个个 体的方法，既同时对搜索空间中的多个解进行评估，更形象的说，遗传算法 是并行的爬多个峰。这一特点是遗传算法有较好的全局搜索性能和良好的全 局收敛性能。减小了陷入局部最优解的风险，同时使遗传算法本身也十分易 于并行化。 ( 3 ) 在标准的遗传算法中，基本上不用搜索空间的知识和其它辅助信 息，而仅用适应度函数来评价个体，并在此基础上进行遗传操作，尤其是适 应度函数基本无限制，既不要求函数连续，也不要求函数可微，既可以是数 学表达式所表达的显函数，又可以是映射矩阵甚至是神经网络等隐函数，而 且其定义域可以任意设定。这一特点使的遗传算法的应用范围极为广泛。 武汉理工大学硕士学位论文 f 4 1 遗传算法采用概率的变迁规则来指导它的搜索方向，而不采用确定 性规则，因此可以搜索离散的有躁声的多峰值的复杂空间。遗传算法采用概 率规则来引导其搜索过程朝着搜索空间的更优化解区域移动，实际是有明确 搜索方向。 f 5 ) 遗传算法在解空间内进行充分的搜索，但不是盲目的穷举和完全随 机搜索，适应度函数的评估，为选择提供了依据，因此其搜索时耗和效率往 往优于其它算法。 ( 6 ) 遗传算法具有并行计算的特点，因而可以通过大规模并行计算来提 高计算速度，适合大规模复杂问题的优化。 上述这些特点使得遗传算法和其它搜索算法相比有很多优越性，使用简 单，鲁棒性强，良好的全局搜索性，易于并行化，易于和别的技术相融合等， 从而应用范围非常的广泛。 4 4 基于遗传算法的实时控制策略优化 实时控制策略目标函数的优化计算有其特殊性，对于车辆的每个转矩转 速需求，都有与其对应的实时控制目标函数，即根据路况实时确定待优化计 算的目标函数，确定最优工作点。遗传算法程序采用浮点编码方法，交叉概 率0 9 5 ，变异概率0 0 8 ，按比例选择的方法构造选择算子，采用精英保留策略 将每代的最优个体保存到下一代。由于是最小化问题，适配值与目标函数的 映射关系为公式( 4 1 ) ，其中，五个属性规范化后的范围：0 1 ，所以取c = 5 。 不同的转矩和转速需求下目标函数求得最优解所用遗传代数不同，选用2 0 代的遗传计算基本上满足所有目标函数的需求，并且保证了计算速度。 图4 1 4 4 为不同转矩转速需求下目标函数的遗传算法求解情况，其目 标函数分别对应图3 1 3 4 表示的目标函数。图4 卜4 4 的横轴为遗传代数， 纵轴为遗传计算的适配值。遗传计算采用公式( 4 1 ) 构建目标函数与适配 值的映射关系，由于c = 5 ，所以纵轴的适配值为个小于5 的正数。通过 遗传计算过程图形可以看出，遗传计算在第1 0 代左右基本上求得最大值， 因此选用2 0 代的遗传计算代数是合理的，既保证了计算速度，又保证了求 得每个适配值函数的最大值。 武汉理工大学硕士学位论文 转矩需求：3 45 9 n m ，转遮需求：1 0 4 5 0 r a d $ 睁9 4r p r n 】 图4 1转矩需求为3 4 5 9 n m ，转速需求为1 0 4 5 0 r a d s 时目标函数求解 图4 2转矩需求为4 6 6 1 n m ，转速需求为1 3 0 5 8 r a d s 时目标函数求解 武汉理工大学硕士学位论文 转矩需求：63 2 n m ，转速需求- 11 1 孵r a “s c l 0 加口m ) 图4 3 转矩需求为6 3 2 n m ，转速需求为1 1 1 9 5 r a d s 时目标函数求解 图4 4 转矩需求为2 5 5 6 n m ，转速需求为1 6 0 4 1 r a d s 时目标函数求解 4 5 遗传实时控制策略效果 4 5 1 试验工况 l 、欧洲城市交通路况 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) o” 。h 鼎“ 。 ( b ) 图4 5 欧洲城市交通路况 图4 5 ( a ) c y c e c e 为欧洲经济委员