（车辆工程专业论文）isg轻度混合动力电动汽车控制策略的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 传统内燃机汽车的使用给人类带来了严重的环境污染和石油资源危机问题，为了解 决这些问题，同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车优点的混合动力电动汽车应运而 生，并成为有效方法之一。混合动力电动汽车是发动机、电机和蓄电池协调工作的整体， 其中，本文使用了集成一体化起动发电机( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r - i s g ) 技术，它 是当前国际公认的、未来汽车的先进技术之一，非常适合今天及未来提高汽车经济效率 及改善排放等方面的要求。 本文是以夏利7 1 0 0 轿车为原型进行的混合动力电动汽车控制策略的仿真研究。首 先对混合动力电动汽车的结构形式和混合程度分类进行介绍，确定了本文以并联式、i s g 轻度混合动力电动汽车为设计方案。其次针对确定的方案，在简要分析了i s g 轻度混合 动力电动汽车结构和功能的基础上，对各个部件进行选型及参数确定。再次，对并联式 混合动力电动汽车的工作模式进行分析，制定了汽车在起动、巡航、加速或爬坡、怠速 及减速制动时的控制策略，在综合分析了各部件特性之后，制定了适用于本系统的基于 逻辑门限值的瞬时优化控制策略，并确定了燃油消耗效率的评估方法。最后，使用 m a t l a b s i m u l i a k 仿真工具建立了整个系统的燃油消耗评估模型，并利用建立的模型 对该款混合动力车在中国典型城市公交循环工况下的燃油经济性进行仿真分析和比较。 仿真结果表明，采用了合理的控制策略和有效的控制算法的i s g 轻度混合动力电动 汽车的燃油消耗指标优于传统汽车，验证了i s g 混合动力电动汽车动力匹配的合理性及 高效性，并验证了控制策略制定的有效性，为i s g 轻度混合动力电动汽车的进一步优化 设计提供了参考和依据。 关键词：混合动力电动汽车；i ；控制策略；仿真； i s g 轻度混合动力电动汽车控制策略的研究 s t u d y o nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi s gs y s t e m s f o rm i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t c o n v e n t i o n a la u t o m o b i l eh a sc a u s e ds e r i o u se n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dc r i s i so f p e t m l e n m i n o r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，h y b r i de l e c t r i cv e b j d e ( h e w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e s o ft h ec o n v e n t i o n a la u t o m o b i l ea n de 1e c l f f i cv e h i l ea r i s e sa n db e c o m e so n eo ft h em o s t f e a s i b l ew a y st os o l v ep o l l u t i o na n df u e lp r o b l e m s h e vi saw h o l eb o d ya s s o l lw i t he n g i n e , g e n e r a t o f f m o t o ra n db a t t e r y a so n eo f t h ew o r l d f a m o u sa d v a n c e dt e e h n o l o g i e sf o rf u t u r ec a r , i n t e g r a t e ds t a r t 副g e f a t o r ( i s g ) w eu s e ds a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so fh i g he f f i c i e n c ya n d l o we x h a u s t b a s e do nt h ex i a l i7 1 0 0 ，t h ep a p e rs t u d yo nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f h e vw i t hs i m u l i n k f i r s t , i ti n t r o d u c e st h eh e vc l a s so l lt h es t r u c t u r ef o r m a ta n dh y b r i dd e g r e e a sac o n c l u s i o n , i t c h o o s e st od e s i g np a r a l l e l i n t e g r a t e ds t a r t c r g a n c r a t o rm i l dh e vo s g - m h v ) a c c o r d i n gt o t h ec o n c l u s i o n , b a s e do na n a l y s i sa b o u tt h es n 仙m ea n df u n e t i o i l so fi s g - m h v 。t h e p a r a m e t e r sd e s i g n i n gm e t h o do f t h ep o w e r t r a i nc o m p o n e n t sa f cp r e s e n t e d a r e ra n a l y z i n gt h e w o r k i n gm o d e so fi s g - m h v ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yd u r i n gs t a r t , o r u i s e , a c c e l e r a t eo rc l i m b ， i d i ea n db r a k ej sd e f i n e d a c c o r d i n gt ot h eo b j e c tc o n s i d e r i n gt h em i n i l mf u e lc o n s u m p t i o n a n dt h eb a t t e r ys o c t h ep a p e rd e s i g n s 龃i n s t a n t a n e o u so p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o nt h el o z i c o lg a t e w a ya n de n s u r e st h ef u e lc o n s u m p t i o ne v a l u a t e dm e t h o d a tt h ee n d , af u e l c o n s u m p t i o ne v a l u a t e dm o d u l ei sb u i l tw i t hm a t l a b s i m u l i n k a c c o r d i n gt h ec h i n e s et y p e e i t yb u sc i r c l e , t h ef u e le c o n o m yp e r f o r m a n c ei sa n a l y s e da n dc o m p a r e du s i n g t h em o d u l e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lv e h i d eo fs i m i l a rd y n a m i cp e r f o r m a n c e , t h ef u e le c o n o m y p e r f o r m a n c eo ft h ei s g - m h vi n e r e a s e du s i n gr e a s o n a b l ec o n t r o ls t r a t e g y a n de f f e c t i v e a r i t h m e r i c i ti sp r o v e dt h a tt h ep o w e r t r a i nd e s i g na n dt h ec o n t r o ls t r a t e g ya t ee f f e c t i v e i ta l s o p r o v i d e sa b a s ef o ri s g m h vf l l r t h e l o p t i m i z e dd e s i g n k e yw o r d s ：h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ；i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) ； c o n t r o ls t r a t e g y ；s i m u l a t i o n ： 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：茎趋丝日期：丑： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 苍谚坦 导师签名- 闽主 至交 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的目的及意义 随着汽车保有量的增加和汽车产业的快速增长，汽车工业已经成为我国经济发展的 重要支柱型产业之一，带动了国民经济的增长，也推动了我国早日进入汽车社会。与此 同时，也给我们带了能源安全、环境保护、气候变化等可持续发展方面的挑战。 发达国家的汽车集团也渐渐意识到他们国内市场逐渐饱和以及中国市场发展空间 的广阔，纷纷加大了对中国市场的投资力度。在技术力量和市场管理等很多方面，我们 和国外的汽车生产厂家还存在很大的差距，我们面临着技术竞争力的困境。为了振兴民 族工业，我们要大力开展对新能源、新动力的探索，而电动汽车成为重要选择之一，得 到了人们的广泛关注。电动汽车包括纯电动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力电 动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池汽车f c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) 。 其中，纯电动汽车使用蓄电池作为汽车的动力源，在发展中受到有限行驶里程和较长充 电时间的制约，使其普及应用遇到很多困难；燃料电池汽车是使用燃料电池作为汽车的 动力源，燃料电池是将燃料的化学能直接转换为电能的“发电装置”，燃料电池能量的 转换不受卡诺循环规律的限制，热效率要比内燃机高的多，在室温条件下的转换效率最 高可达8 4 【1 】，在运行过程中不需要复杂的机械传动装置，不需要润滑剂，没有震动与噪 声，燃料氢气有广泛的来源和可再生等重大优势，已成为各大汽车集团竞争的焦点，但 受到基础设施配备的限制，其产业化的进程还需要较长的时间；混合动力电动汽车是新 老技术过渡的产物，它兼具了纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，既有纯电动汽车的 高效率和低排放性能，又具有传统内燃机汽车行驶里程长、快速补充燃料便利的特点， 因此成为当前解决节能、环保等可持续发展问题切实可行的方案，是汽车动力系统过渡 和转型战略的关键环节，受到了各个国家的高度重视。 混合动力电动汽车采用了发动机驱动系统，同时采用了电机驱动系统，发动机与电 机共同组成混合动力系统来驱动车辆行驶，使得车辆降低燃料消耗量、改善废气中有害 气体的排放f l 】。在并联式混合动力电动汽车动力总成配置中，通常将发动机和电机通过 机械传动装置耦合在一起，在不同工况条件下处于不同的工作模式，从而使发动机和电 机扬长避短、各尽所能。内燃机、电动发电机、储能装置、传动装置、电力电子及微 电子控制器等组成了并联混合动力电动汽车的多能源动力总成，上述各部件的参数匹配 及系统控制策略对于混合动力电动汽车的性能起着至关重要的决定性作用。在对混合动 力电动汽车的设计过程中，要求设计者对h e v 的整体匹配进行研究，包括驱动系统的布 i s g 轻度混合动力电动汽车控制策略的研究 置形式、各种部件参数的选择、扭矩在电机和发动机之间的分配关系、控制策略的确定 等等，使各部件达到合理的匹配。因此，在开发设计阶段，我们需要通过计算机仿真技 术寻求适宜的匹配和控制策略，达到降低开发成本、缩短开发周期的目的，这也是本论 文所研究的目的和意义所在f 2 】。 1 2 国内外混合动力电动汽车的发展概况 1 2 1 国外混合动力的发展 在国外，发达国家较早的受到石油资源和环境污染的巨大压力，率先对电动汽车进 行了研究，随着混合动力技术的日趋成熟，混合动力电动汽车已经开始进入商业化推广 应用阶段。截至2 0 0 5 年，全球共销售混合动力轿车超过5 4 万辆，同时加大了对混合动 力客车、商用车以及城市专用车的研究，特别是混合动力公交客车的研究和示范运行。 2 0 世纪9 0 年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽 车，日本丰田汽车公司率先取得突破，1 9 9 7 年1 0 月，全球首辆商业性混合动力型汽车 “p r i u s ”研制成功，并于同年1 2 月份投放本国市场，2 0 0 0 年初投放北美市场，良好的 性能和得当的销售政策使产品出现了供不应求的局面，截止到2 0 0 5 年已累计销售总量 达3 5 万辆，占混合动力汽车总销售量的6 5 。 在日本，除了丰田公司以外，本田和日产等大公司也不甘落后，分别研制出了属于 自己品牌的混合动力汽车，其中本田公司投产的i n s i g h t 混合动力汽车被美国环保总署 评为2 0 0 1 年度美国十大节能汽车第一名，第二名则为日本丰田汽车公司的p r i u s 混合 动力汽车。 在美国，汽车集团公司起初注重燃料汽车的开发研制，而忽略了对混合动力电动汽 车的研究，在意识到混合动力电动汽车具有广阔的市场前景以后，由政府发起了全美所 有相关科研机构对电动汽车的研究。在此情形下，美国能源部与三大汽车公司( 克莱斯 勒公司、福特公司和通用汽车公司) 合作实施了新型汽车合作计划一p n g v ( p a r t n e r s h i p f o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) ，开发了包括轿车、面包车、货车在内的多种 形式的混合动力汽车，如克莱斯勒e s x 3 、福特p 2 0 0 0 、通用g e n 2 等。 在欧洲，各大汽车厂商也纷纷推出了各自的混合动力汽车。法国b e 集团先后推出 了贝灵格型( b e r l i n g e ) 和萨拉型混合动力汽车，在性价比上能与一般汽车相抗衡，代 表了国际实用的先进水平。法国雷诺公司研制的v e r t 和h y 埘e 两款混合动力汽车已进 行了运行试验。德国西门子和b o s c h 等著名的零部件公司也积极地参与并联合大的汽车 公司进行混合动力电动汽车的研制 2 1 。 大连理工大学硕士学位论文 i 2 2 国内混合动力的发展 在国内，我们开展对混合动力电动汽车的研究起步并不算晚，我国从“八五”期间 开始就有计划地开展了电动汽车关键技术的攻关和整车的研制，在此基础上也进行了混 合动力电动汽车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 原理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的阶段。 2 0 0 0 年以来，在国家科技部部署下，成立了国家8 6 3 电动汽车重大专项小组，选择 新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机 构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合攻关。以东风汽车公司、中科院所属的相 关科研院所以及清华大学、吉林大学等高校为主要成员单位对混合动力电动汽车展开了 研制，目前已取得阶段性成果，我国自主开发的混合动力汽车节油率可达3 0 以上，已 投入试验示范运营，初步具备产业化条件。 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h q 3 将于2 0 0 6 年 投产；东风电动车辆股份有限公司自主研发的2 0 辆混合动力公交客车己于2 0 0 5 年7 月 完成最终产品定型，样车试验并通过验收；长安集团具有完全自主知识产权的羚羊混合 电动车已产出样车，其装备混合动力技术的长安c v 9 即将下线；奇瑞集团成立了国家节 能环保汽车工程技术研究中心，将在2 0 0 6 年下半年重点推出第一自主品牌真正意义上 的b s g 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；深圳五洲龙汽车有限公司也表示，中国规模 最大、投放车辆最多的混合动力示范运营线路即将在深圳市龙岗区开通。2 0 0 6 年，丰田 旗下的“p r i u s ”混合动力车在中国市场上市，揭开了混合动力新能源车逐鹿中国市 场的序幕。广州本田紧跟丰田步伐，预计2 0 0 6 年中下旬推出国产雅阁混合动力车。 “十五”期间，我国实施了国家电动汽车重大科技专项，经过攻关，我国初步建立 了新兴电动汽车产业的技术基础，初步形成了以燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动 汽车3 种车型为目标，以多能源动力总成、驱动电机、动力蓄电池系统为3 大共性关键 技术的研发体系。 “十一五”期间，本着对前期研究成果的继承、增强电动汽车自主车型开发的目的， 我国的各汽车生产厂家、高等院校和研究机构仍然努力的实现关键技术突破、完善研发 平台并开展前沿技术的研究，相信我们有能力、也有把握增强自身竞争力，把握住汽车 工业持续发展的战略机遇【3 】。 i s g 轻度混合动力电动汽车控制策略的研究 1 3 混合动力电动汽车控制策略的发展情况 混合动力电动汽车之所以具有优良的经济性能和良好的排放性能，得益于组成混合 动力电动汽车的各部件的通力协作。在混合电动汽车中，控制策略就是实现整车能量管 理与动力系统控制的算法，它是整车的控制中枢，它与发动机e c u 、电机e c u 、电池 e c u 、变速器控制器以及各种传感器、执行器进行通讯，经过控制决策发出控制指令， 从而合理的进行能量流的分配，使汽车运行在一定的模式下，达到提高整车效率、改善 排放的目的，它是混合动力电动汽车设计成败的最终决定性因素。 由于混合动力系统包括发动机、电机、功率转换器、蓄电池、离合器、变速器等， 是一个集成了电气、机械、化学和热力学系统的非线性动态系统，使这些部件有效地协 调工作，决定了被控系统的复杂性。同时，汽车行驶工况的不确定性也增加了控制策略 设计的复杂性，车辆行驶中，外界环境和驾驶员操作在不断地变化，即便是同一条线路， 每次行驶的工况都可能不同。此外，不同的驾驶习惯和风格，也给驾驶意图的判断和整 车控制策略的设计增加了难度。总之，控制策略是一个涉及复杂问题决策和非线性时变 系统控制的复杂问题，由于关系到混合动力电动汽车的各个子系统，控制策略的设计具 有很大难度一j 。 控制策略包含两方面内容，一方面，控制策略协调整车各部件以一定的方式配合， 以满足驾驶员对汽车行驶工况的基本要求，不能出现在设计范围内需求无法得以实现的 情况；另一方面，多部件的系统组成和混合动力多种驱动方式并存的特点又对控制提出 了“优化”的要求。对既定的工况要求，一般会有多于一种的满足方式，这就需要考虑 多种工作模式下的控制方向、结果及影响，达到最佳或较佳的效果。混合动力单元中， 发动机是主要的优化对象，我们希望将其控制在从某种角度考虑的工作优化区域，但兼 顾工况要求和优化目标往往是一件很难的事情，甚至是相互矛盾的，对于一个给定的优 化区，工况的不稳定和电池、电机等部件的特性可能是控制对象不得不偏离优化区域， 通过综合考虑偏离的影响和结果重新确定优化区域，此为控制策略的难点和关键。 随着混合动力电动汽车技术的不断发展，关键零部件技术得到了重视以外，混合动 力电动汽车的控制策略的研究也得到了各国政府、各大汽车公司及科研研究院所的重 视，各种混合动力电动汽车都有各自独特的控制策略，综合各种控制策略思想的发展， 主要有以下几种典型的控制策略： 大连理工大学硕士学位论文 1 基于规则的逻辑门限控制策略( b a s e do i lt h er e g u l a rl o $ c mg a t e w a yc o n t r o l s 仃a t e g y 5 + 7 1 这类控制策略的主要思想是：根据发动机的静态效率曲线图，通过控制选定的几个 变量，如整车功率需求，加速信号，电池等等，并根据预先设定的规则，判断并选择混合 动力系统的工作模式，使车辆运行在高效区，提高汽车的燃油经济性。 1 ) 电力辅助控制策略来源于数学中的平均值和方差的概念，它将整车的功率需求分 为平均功率需求n 和动态功率需求p 。两部分。传统汽车在一般工况下所需的平均功率需 求一般不到发动机峰值功率的2 0 9 6 ，这就意味着大部分情况下发动机是在低效区工作，如 果由运行在高效区的发动机单独提供，而爬坡或加速时所需的额外动态功率由电机提 供，可以大大地提高整车燃油经济性。发动机作为汽车的主驱动源，电力驱动系统作为 辅助驱动源，电动机对发动机的输出转矩起“削峰填谷”的作用，同时将电池的s o c ( s t a t e o fc h a r g e ) 值保证在一定范围内。 电力辅助策略的关键是确定发动机的优化工作区域，以经济性能和荷电状态值为控 制目标。控制荷电状态值在一定范围内变化的同时，选择发动机工作在高燃油经济性区 域内，此区域接近发动机的高负荷率区，优化区域的确定应综合考虑电机的工作能力和 电池的充放电能力，使控制结果能满足工况的能量需求。这种控制策略的控制效果比较 粗糙，性能也不能达到“最优化”，另外还有一个缺点是没有考虑汽车的排放性能，缺 乏体现混合动力汽车的环保特性。 2 ) 最大电池控制策略的目标是电池尽量维持在最高允许值处，发动机尽可能运行， 尽可能少地使用电动驱动系统。这是由于车辆在城市工况下频繁地加速，将会导致电池 快速放电使电池下降很快，对电池的寿命影响很大。 3 ) 发动机开关控制策略也叫恒温器控制策略，最早应用于串联式混合动力汽车。当 汽车高速运行于公路上，不需要频繁加减速时，大大减少了使用电动驱动系统的概率，且 此时车辆功率需求常常低于发动机满载时，发动机还有一部分的富余功率，致使电池很 容易达到上限。为避免发动机低效工作，此时应关掉发动机，由电机单独驱动汽车：当电 池达到设定的下限时，发动机启动，由电机单独驱动，富余的功率则用来给电池充电。 基于规则的逻辑门限控制策略算法简单，容易实现，且具有很好的鲁棒性，但从理论上讲， 静态的控制策略不是最优的，它不考虑工况的动态变化，而且一般只考虑燃油经济性而 不考虑排放另外，当低于设定门限值时就要进行充电，没有考虑电池充放电的能量损失。 i s g 轻度混合动力电动汽车控制镱略的研究 2 瞬时优化控制策略( i n s t a n t a n e o u so p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y ) i ” 规则的逻辑门限控制策略是基于工程师的经验及静态的能耗图来制定的，由于它不 考虑工况的动态变化，因此它不是最优的。为了克服这些缺点，人们又提出了一种新的控 制策略：瞬时优化控制策略，也叫实时控制策略。目前提出来的瞬时控制策略主要有“等 效燃油消耗最少法”【8 】和“功率损失最小法”【i l 】两种，虽然这两种方法的出发点不同， 但其原理是一样的，等效燃油消耗最小法的主要思想是：在某一瞬时工况，将电机消耗的 电量折算成发动机提供相等能量所消耗的燃油和产生的排放，再加上制动回收的能量与 发动机实际的燃油消耗和排放组成总的整车燃油消耗与排放模型，计算此模型的最小值， 并选在此工况下最小值所对应的点作为当前发动机的工作点。 瞬时优化控制策略可以综合考虑燃油消耗和排放，它通过一组权值来描述各自的重 要性，用户可以根据自己的要求来设定这组权值，从而在燃油消耗和排放之间获得折中， 如果把权值设成0 就可以忽略排放。瞬时优化控制策略具有实时选择发动机、电机工作 状态最优点的功能，综合考虑了经济性能和排放性能，但这种控制策略需要大量的浮点 运算，计算量大，实现起来困难，成本比较高。此外，在计算过程中，需要对未来的行驶工 况中由制动产生的回收能量进行预估，这就需要建立一个比较精确的预测模型，既要对 典型工况进行统计分析，又要实时判断行程工况，实现起来比较困难。 其中比较有代表性的一种瞬时优化控制策略是自适应( a d a p t i v e ) 控制策略，它是 由美国能源部( d o e ) 的可再生能源实验室( n r e l ) 研究和发展的。 3 全局管理控制策略( 、) l ，1 1 0 l em a n a g e m e n tc o n t r o ls t r a t e g y ) f 1 2 _ 1 4 】 全局管理控制策略的主要思想是：在某一工况下，计算满足工况需求的发动机电机 任意扭矩组合所对应的能量消耗，求其最小值对应的发动机、电机扭矩作为优化输出。 按照此方法对所有工况点进行计算，将计算结果保存并制取与汽车行驶工况相对应的最 优发动机、电机扭矩m a p 图，并将电机、发动机m a p 存储于汽车控制器中，进行实 时查询及调用。此策略是考虑到了保持电池电量平衡的问题，解决方法是通过当前s o c 值与目标s o c 值的差值对电机m a p 进行修正。可以通过一个非线性的惩罚函数来解决 这一问题，在s o c 目标值附近的，补偿系数比较小，在s o c 值上、下限值附近，补偿 系数比较大，这样就可以增大充、放电力度，使s o c 值迅速回到目标值附近。 全局管理控制策略具有良好的燃油经济性能，电池电量也能保持在合理的范围内。 在智取电机最优m a p 图时，可以采用离线方法，减少了实时控制的计算量，因此降低 大连理工大学硕士学位论文 了控制器对硬件的要求，有利于降低成本。但全局管理控制策略在实际实时控制中的应 用还有待进一步研究，在目前研究的各种全局管理控制策略中，汽车的行程必须是已知 的，但通常汽车的行程是无法预先知道的，这就限制了其应用化。目前全局管理控制策 略主要用于：( a ) 在标准行驶循环下，参考全局管理控制策略，对实时控制策略的效果进 行评估【1 2 - 1 3 ；( b ) 从全局管理控制策略中派生出实用的实时控制策略【1 4 1 。 4 智能控制策略( i n t e l l i g e n t c o n t r o ls t r a t e g y ) 1 1 5 - 1 8 1 智能控制的基本出发点是模仿人的智能，根据复杂被控动态过程的定性信息和定量 信息，进行定性定量综合集成推理决策，以实现对难以建模的复杂非线性不确定系统的 有效控制。由于混合动力汽车的能量消耗模型正是这么一个系统，因此它非常适合于智 能控制。目前提出的基于智能控制的并联混合动力汽车控制策略主要有3 种：模糊逻辑 控制策略，神经网络控制策略，遗传算法控制策略。 1 ) 模糊逻辑是经典数理逻辑与模糊数学相结合的产物。在模仿人的推理和决策方面 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。模糊逻辑控制的核心是模糊控制器模糊控制器由4 部分组成： 规则库，推理机制，模糊化接口和反模糊化接口。模糊控制器将其关心的各传感器传来 的精确信号转换成模糊量，根据专家制定的推理机制，应用基于控制知识与专家工程经 验的规则库中的相关规则，得出模糊结论，并将其转换成精确量，作为控制指令，协调车 辆各部件的能量流动，使整车的燃油经济性和排放达到最佳。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：如果车速较高且较低而加 速踏板踩下较小的角度，则发动机单独驱动，并给电池充电这样无法用精确参数表达的 控制规则。它不仅可以优化发动机，同时还可以优化其他组件，如电机，电池，变速器等， 实现各组件间的折中，以达到整车的燃油消耗和排放的最优。当然，模糊逻辑控制策略也 有其局限性：在模糊推理过程中会增加模糊性：在整个控制过程中，各变量的论域等级是 固定的，控制规律也是固定的，系统的动态特性较差，无法满足不同驾驶员意图和不同的 路面环境下汽车的自动控制：对于复杂系统的模糊规则的建立还没有确定的方法可以遵 循，隶属度函数的确立也需要反复进行确定：缺乏简单有效的方法对模糊逻辑系统进行 稳定性的研究。 2 ) 神经网络是以对信息的分布式存储和并行处理为基础，在许多方面更接近人对信 息的处理方法，有很强的逼近非线性函数的能力，它具有自组织，自学习的功能，但它采 i s g 轻度混合动力电动汽车控制策略的研究 用的是典型的黑箱式学习模式，因此当学习完成后，神经网络所获得的输入输出关系无 法以容易被人接受的方式表达出来。 3 ) 遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索 算法。它能够同时搜索空间的许多点，且能充分搜索，因而能够快速全局收敛。遗传算法 的优化问题是对优化参数的集合进行编码，而不是对参数本身，其遗传操作均在字符串 上进行。只需要评价用的适应函数，而不需要其它形式信息，这些都使得遗传算法对问题 适应能力强。 1 4 混合动力电动汽车的仿真研究 对于混合动力电动汽车而言，制定控制策略的优劣直接关系到整车性能的好坏，应 经过反复的推敲和验证，而计算机仿真技术通过建立组件模型、更改相关参数，对控制 策略进行制定、优化和验证，大大缩短了控制策略的研发周期，通过综合评定系统性能、 实现设计者构想，从而得到满足更高技术要求的解决方案。 国外旱在上个世纪七十年代，美国、日本、英国和法国等国家就针对电动汽车进行 仿真研究，开发出了几辆原型车，用于收集相关试验数据，荠在此基础上研制出了多种 电动汽车仿真软件，如下表1 1 和表1 2 介绍了近十年来主要电动汽车仿真软件的基本 情况和主要功用 1 9 】，其中除香港大学研制的e v s i m 外，其他都是美国的大学、研究机 构和公司研制的软件。目前国内已经有少数大学和研究机构在进行电动汽车的仿真研 究，但尚未成熟。 表l1电动汽车仿真软件的基本情况表 t a b 1 1b a s i cc i t e so f e vs i m u l a t i o n 软件名称开发单位系统平台开发软件年代 s d p l e v 3 0 ( as i m p l e e l e c t r i cv e h i c l e i d a h o 国家工程实验室 ) sq b a s i c1 9 9 5 si m u l a t i o np r o g r a m ) a p p l e c a r s i m 2 5 4a e r ov i r o n m e n t 公司1 9 9 5 m a c h i n t o s h h v e c ( ah y b r i dv e h i c l el a w r e n c el i v e m o r e 1 9 9 5 e v a l u a t i o nc o d e ) 国家实验室 c s mh e v c o l o r a d o 矿业学校 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k 1 9 9 6 v - e l p h ( v e r s a t i l e t e x a sa & m 大学w i n d o w sm t l a b s i m u l i n k1 9 9 7 e l e c t r i c a l l y p e a k i n g h y b r i d ) 8 大连理工大学硕士学位论文 驵a r v e l a r g o n n e 国家实验室 i 删p cp l 1 a d v i s o r2 0 0 2 可再生能源实验室 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 2 p s a t 5 1 a r g o n n e 国家实验室 w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 m s i m o p a l - r t 技术公司 w i n d o w s姒t l a b s i m u l i n k2 0 0 3 e v s i m香港大学w i n d o w sm a t l a b s i m u l i n k2 0 0 2 表1 2 电动汽车仿真软件的功能分析表 t a b 1 2f u n c n o na n a l y s eo f e vs i m u l a t i o n 开放性和g u i 仿真 软件名称仿真车型功能特色 通用性界面效果 s i 肝l e v 3 0 ( a 在源代码 交互式 s i m p l ee l e c t r i cc v ，斟，s i t e v ，眦可以定义部件模型参数， 中修改控 菜单好v e h i c l ev 。轿车、客车和选择道路循环，以图表的 制方法很 界面s i m u l a t i o n 货车形式报告仿真结果 困难。 p r o g r a m ) c a r s i m 2 5 4 同s i 好l e v 相似 h v b c ( ah y b r i d 设计了燃料电池、飞轮、结构固 菜单 v e h i c l e e v s h e l ，氢燃料和压缩天然气等定，柔性 e v a l u a t i o nc o d e ) 上面软件不具有的模型。 差。 界面 具有上面软件不具有的 易于改变 c s mh e v唧 模型结友好差 参数分析功能。 构。 易于改变 v e l p h 易于改变车辆的配置；可 部件、燃 ( v e r s a t i l e e y ，s c 、r ， 视化的模型；模型之间采料和控制 e l e c t r i c a l l y 阳e v 用标准的数据流通讯。方法的类 p e a k i n gh y b r i d ) 型。 具有精确的电池模型和 m a r v e l c v ，e v ，h e v 优化设计功能。 c v ，e v ，s h e v ，p h e 易于改变 v ，f c v ：模型较完善，功能多，采 a v i s o r2 0 0 2模型和控友好好 轿车、客车和货用后向仿真方法。 制方法。 垄 c v ，e v ，s h e v ，p h e模型较完善，功能多，采易于改变 p s a t 5 1 v ，f c v ：轿车、客用前向仿真算法，具有实 模型和控友好好 车货车时仿真和快速原型功能。制方法 - 9 i s g 轻度混合动力电动汽车控制策略的研究 具有实时仿真和快速原 对软、硬 h e vs i mh e v 型功能，虚拟现实的模型 件具有开 - i 放和可扩 好 设计方式。 展结构。 综合了软，硬件的可视化交互式 e v s i m 环境，智能的虚拟现实系菜单 统。界面 h e y 表示混合动力汽车：s h e v 表示串联混合动力汽车； p h e v 表示并联混合动力汽车；p c v 表示燃料电池汽车； 由现有的国外研究机构所研制开发的电动汽车仿真软件不难得出结论f 2 0 】： 1 ) 就仿真方式而言，目前的电动汽车仿真主要是通过对组成电动汽车的各相关部件 ( 包括电池、电机、变速器、差速器、发动机以及整车等) 逐一建立起数学模型，并按一 定的布置结构将其进行组合，各部件间通过存在相互联系的数据流及信号流联通。仿真 过程中则按指定的循环工况，依时序反复迭代计算每一时间步的各部件工作状态参数， 从而最终实现对整车动力性能、经济性能及排放性能的预测。 2 ) 就开发方式而言，主要集中在基于c 及c + + 的一次开发和基于m a t l a b s i m u l i n k 的二次开发两种方式上。从近些年的发展趋势来看，基于i d a t l a b s i m u l i n k 的二次开发 以及m a t l a b s i m u l i n k 与v c ( v i s u a lc + + ) ，b c b ( b o r l a n dc + + b u i i d e r ) 混合编程的 开发方式已逐渐成为电动汽车仿真软件开发的发展方向。m a t l a b s i m u l i n k 强大的建模 与运算能力加之v c 的可视化集成编程环境，为开发出具有优良的用户交互界面、高效 快速的执行特性、良好的可重用性、可维护性及可扩充性的电动汽车仿真软件提供了有 效的途径。 3 ) 就仿真结构而言，除p s a t 外，其他仿真软件几乎均采用了后向仿真结构( 其中 a d v i s o r 采用了双向仿真结构，但前向仿真部分极少，主要仍以后向仿真为主) ，即仿真 起始于车轮，经传动系至控制器，由控制器计算后再将达到需求车速所需的转矩、功率 及转速指令传至各动力源。此种仿真结构，虽然仿真结果也能达到与实测数据相近似的 程度，对电动汽车开发和研究起到参考作用，但毕竟其信号流与能量流的传播方式和路 径与实际情况相差甚远，尤其在电动汽车仿真研究后期，迸行硬件在环的半实物仿真时， 此种仿真方式将不利于在实车系统环境下对控制策略的调试与优化。因而，若是针对电 动汽车实车开发进行的仿真，应考虑采用前向仿真结构。 大连理工大学硕士学位论文 相比较于国外而言，国内电动汽车仿真软件的研究开发工作起步较晚，早期主要是 通过对国外相关软件的二次开发来实现对自主部件或控制策略模型的建模研究【2 1 】，目前 国内一些具有相应实力和资源的高校开始以课题为依托，在有效集中相关学科人才的基 础上，尝试进行此方面的研究工作。 香港大学电动汽车国际研究中心基于m a t l a b 开发了电动汽车仿真软件e v s i m ，其高 级的可视化操作界面为部件及控制器的设计、分析与优化提供了方便的软件环境；北京 理工大学电动车辆工程技术中心为配合其研究的直流驱动系统豪华电动大客车 b f c 6 1 1 0 一e v 的研发工作，开发了一款电动汽车仿真软件e v s i 虬，该软件采用了v i s u a l c + + 与m a t l a b 混合编程的方法，可对电动汽车动力性能、等速行驶经济性能、加速行驶 经济性能以及循环工况经济性能等多种整车性能进行计算田】。 国内研究人员在掌握a d v i s o r 的基础上，开发了一款基于前向模拟仿真的软件 c h e v 2 0 0 2 ，该软件由m a t l a b 语言编写而成，在结构上则采用了开环的前向仿真，以驾 驶员的加速制动踏板信号作为仿真输入，车轮车速作为最终输出，达到与实际操作相 吻合的效果，同时实现了以动画及各种测量仪表的形式重现仿真过程的虚拟现实功能， 该仿真平台结合实际台架试验一起可靠运行，基本完成了目前国内自主开发h e v 仿真平 台的初步尝试【2 3 】。 1 5 课题来源及本文的主要研究内容 1 课题来源 本课题是自选课题，针对目前广泛关注的混合动力电动汽车进行研究，作为混合动 力电动汽车的控制“灵魂”，控制策略的研究贯穿整个课题的始终。 2 本课题的主要研究内容 1 ) 对轻度混合动力电动汽车多能源动力总成进行系统分析，研究并联式混合动力 汽车中发动机、电机、电池等组件的特性，并建立组件动态模型。 2 ) 分析轻度混合动力电动汽车的运行模式，研究动力总成控制系统的控制策略和 控制逻辑，主要对逻辑门限控制策略、瞬时优化控制策略以及全局管理控制策略进行了 深入研究，并将基于逻辑门限值的瞬时优化控制策略应用到实际的混合动力汽车上。 3 ) 研究分析系统仿真方法，基于动态数学模型和控制系统的控制策略，应用 m a t l a b s i m u l i n k 进行系统仿真分析。 4 ) 利用建立的仿真模型对轻度混合动力电动汽车控制策略方法进行研究，分析采 用不同控制策略、不同试验条件下的运行情况及控制参数的变化对整车综合性能的影 l s g 轻度混合动力电动汽车控制策略的研究 响。通过比较仿真结果，验证控制系统的有效性，优化控制策略，使整车获得理想的匹 配方案，指导动力总成控制单元的实际开发。 大连理工大学硕士学位论文 2 混合动力电动汽车的分类及结构参数的确定 混合动力电动汽车驱动系统无论是在能量输出还是在机械能的传递、调节和输出方 面的方案多种多样，驱动系统的设计有很大的自由度。混合动力电动汽车的分类方式有 很多，根据h e v 中各部件的结构形式不同，动力系统可分为串联式、并联式和混联式 三种；根据行驶前后蓄电池组的荷电状态变化情况不同，可分为电量维持型和电量消耗 型两种；根据混合动力系统中，电机输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是 常说的混合程度不同，还可以分为轻度混合型( 同助力型) 、功率混合型( 同双模式型) 和能量混合型( 同里程延长型) 三种。根据本课题的研究重点，