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混合动力电动汽车控制策略的仿真研究及优化 摘要 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 是当前解决能 源短缺和环境污染问题切实可行的技术之一。本文首先以s q r h e y 为研究对象， 根据s q r h e v 整车初步方案确定了其各部件的主要参数，建立发动机、电动机、 电池等各部件的数学模型和整车控制系统的数学模型：针对s q r h e v 的控制日 标和主要技术指标，在分析其运行工况的基础上提出了功率分配策略；对 a d v i s o r 软件进行二次开发，建立了s q r h e v 多能源系统逻辑门限值控制策略 和i c e 优化曲线控制策略，并进行了计算与仿真比较；以实现燃油消耗最少和 兼顾电池s o c 原则作为控制目标，建立了模糊逻辑控制策略模型一f i s ，仿真 结果表明，模糊控制策略表现出较好的鲁棒性；最后，采用f m i n c o n 优化软件 和自适应神经模糊推理系统( a n f i s ) 分别对逻辑门限控制策略中的设计变量 以及模糊逻辑控制中的隶属度函数进行了优化。 关键词：混合动力电动汽车控制策略模糊逻辑神经网络仿真优化 s i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n o i lc o n t r o l s t r a t e g yo f h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l eb e c o m e so n eo fa v a i l a b l ew a y st os o l v et h ep r o b l e m s o f e n e r g y s o u r c e s l a c ka n dp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t t h i s p a p e r t a k e st h e s q r h e va s t h e o b j e c t f i r s t l y ，t h ep a r a m e t e r so fe a c hc o m p o n e n ta r es e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ep r e p a r a t o r ys c h e m eo fs q r - h e v a n dt h em a t h e m a t i c sm o d e l so f e n g i n e ，m o t o ra n db a t t e r ye t e a r ee s t a b l i s h e d t h e n ，a i m i n ga t t h ec o n t r o lt a r g e t a n d t e c h n o l o g y i n d e xo f s q r h e v ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dt h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s t r a t e g yo nt h eb a s eo fr o a dc i r c s ；t h el o g i c s w i t c hc o n t r o la n di c e o p t i m i z a t i o nc u r v e c o n t r o ls t r a t e g ya r ep r e s e n t e db a s e do nt h ea d v i s o rs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft w oc o n t r o ls t r a t e g ya r ec o m p a r e dt h e n i ns u c c e s s i o n ，t h e f u z z yl o g i cc o n t r o lm o d e l f i si sf o u n d e da 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 g t h e m i n i m u mf u e l c o n s u m p t i o na n d t h e b a t t e r ys o c ；t h e r e s u l t sr e v e a lt h a t f u z z y c o n t r o ls t r a t e g yh a st h ef a v o r a b l er u d e n e s s a tl a s t ，t h ed e s i g nv a r i a b l e so fl o g i c s w i t c hc o n t r o l s t r a t e g y a n d m e m b e r s h i p f u n c t i o n so ff u z z y l o g i c c o n t r o la r e o p t i m i z e db y t h ef m i n c o no p t i m i z a t i o ns o f t w a r ea n da d a p t i v en e u r a l f u z z y t e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y k e y w 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 n e u r a ln e t w o r ks i m u l a t i o n f u z z yl o g i c o p t i m i z a t i o n 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 上学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 捕谆妇最詹。7 触吮 委员 导师 夏磐气 翎盼火粕乏 一斗a 七4 撼缸臻泰。蟊舌 可 _ ) 锣 以以 4 州p *谂鬣 插图清单 图卜l s f l e v 结构图 图卜2单轴p h e v 结构 图卜3混联式h e v 结构图 图1 - 4p r i u s 混合动力系统示意图 图2 一l s q r h e v 耦合方式 图2 2 s q r h e v 动力总成系统 图2 - 3p h e v 后向仿真方法一 图2 - 4p h e v 前向仿真法 图2 5 s q r h e v 混合动力轿车的s i m u l i n k 模型 图3 1启动工况下s q r h e v 能量分配图 图3 2 加速工况下s q r h e v 能量分配图 图3 3巡航工况下s q r h e v 能量分配图一 图3 4 减速、制动工况下s q r h e v 能量分配图 图3 5控制策略的状态转移图- 图3 6多能源动力系统控制策略图- - 图3 7加速工况控制策略模型 图3 8电动辅助控制策略图- 图3 9i c e 优化曲线控制策略图 图3 1 0a d l v s o r 的仿真数据流程图- 图3 1 l 逻辑门限值控制策略下发动机工作点 图3 1 2i c e 优化曲线控制策略下发动机工作点 图3 1 3 逻辑门限值控制策略下s o c 变化过程 图3 1 4i c e 优化曲线策略下s o c 变化过程 图4 一l发动机工作区间定义- 图4 2服务质量与小费映射关系图 图4 - 3模糊控制嚣组成 圈4 4模糊逻辑控制策略 图4 5 论域制定原则 图4 - 6三种常用的隶属函数一 图4 7输入变量t t 和输出变量t 。的隶属函数 图4 8输入变量电池s o c 的隶属函数 图4 9模糊化输入 图4 一1 0 两输入变量进行模糊合成一 图4 1 1 最小蕴涵计算方法 - 5 5 6 6 】0 1 l 1 2 1 2 1 7 2 0 2 1 2 2 2 2 2 3 2 5 2 7 2 8 2 8 3 0 3 l 3 l 3 2 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 6 3 7 3 8 3 8 4 0 4 0 4 l 图4 12 图4 一1 3 图4 一1 4 图4 1 5 图4 一1 6 图4 一l7 图4 一1 8 图4 一1 9 图4 - 2 0 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 图5 9 图5 1 0 图5 一l l 多条规则输出合成 输入一输出关系曲线图 铅酸电池的物理模型 四种工况下电池s o c 变化情况比较 发动机输出转速 发动机输出转矩 电动机输出转速 电动机输出转矩 模糊逻辑控制策略下发动机工作点 遗传算法流程图 a d v i s o r 优化设计流程图 典型a n f i s 系统结构图 基于a n f i s 的s q r h e v 控制系统- 隶属函数为7 条时均方根误差的变化曲线 隶属函数为5 条时均方根误差的变化蓝线 训练误差、校验误差变化曲线 输入变量t 。训练前后的隶属函数 输入变量s o c 训练前后的隶属函数- u d d s 循环下发动机输出转矩 u d d s 循环下电动机输出转矩- 4 1 4 2 4 3 4 5 4 6 4 6 4 6 4 6 4 7 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 5 5 6 5 6 5 6 5 7 5 7 表1 一l 表卜2 表2 1 表2 2 表2 3 表3 - 1 表3 2 表3 3 表4 一l 表4 2 表4 3 表4 4 表5 一l 表5 - 2 表格清单 国外典型h e v 的结构型式和主要参数 中国主要电动汽车项目 s q r h e v 发动机参数选择- s q r h e v 电动机性能参数- s q r - h e v 电池性能参数 s q r h e v 整车工作模式 i c e 优化曲线控制策略设计变量 两种控制策略下燃油经济性与s o c 变化情况 模糊逻辑控制规则表 四种典型工况 模糊逻辑策略下s o r h e v 性能仿真结果一 不同控制策略下s q r h e v 燃油经济性仿真 s q r h e v 逻辑门限值控制设计变量优化结果 优化前后性能仿真比较( u d d s 工况下) 2 4 1 4 15 1 5 2 4 2 9 3 l 3 9 4 4 4 7 4 8 5 2 5 7 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注和致谢的地方外，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 盒起王些盍堂或其他教育机构的学位戒 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r 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蓉者球 签字日期：驯啤如纡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王、业去堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒壁王些盘堂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，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) 学位论文作者签名 象袭隶 签字日期：净舜夕月艿日 学位论文作者毕业去向 工作单位 通讯地址 导师签名 客漳 签字e t 期：d r 年f 月哼日 电话 邮编 致谢 光阴似箭，三年的研究生学习即将结束。在论文完成之际，首先向我尊敬 的导师钱立军教授致以崇高的敬意和表示衷心的感谢。在研究生学习和学 位论文撰写期间，导师给予了我悉心指导，倾注了大量心血：不仅在学业上， 在生活中钱老师也给了我无微不至的关怀和无私的帮助。导师渊博深厚的专业 知识、细致严谨的治学态度和废寝忘食的工作作风激励着我不断进取，成为我 今后工作学习中的宝贵财富。恩师如父，我再次向钱老师表示最衷心的感谢和 深深的祝福! 感谢课题组张炳力副教授、张翔博士后和吴伟岸研究生给予作者的帮助 同时感谢奇瑞汽车有限公司有关领导和专家的大力支持! 感谢李旗号教授给予作者的大力支持和帮助! 感谢教研室王其东教授、陈无畏教授、张代胜副教授等许多老师的指点和 帮助。 感谢我的同学邹海斌、徐杨、毛啸滇、刘立强、顾勤林、于景飞、王远等 在我的论文完成期间所给予的帮助。 最后感谢我的父母和女友，他们默默的支持和鼓舞是我动力的源泉，也是 我今后人生的巨大财富! 作者：袭著永 2 0 0 5 年5 月 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 能源短缺和环境污染是目前汽车工业发展遇到的两大挑战。有关资料显示， 城市大气中c o 的8 2 、n o 。的4 8 、h c 的5 8 和微粒的8 均来自汽车排放的废 气：按照国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。 从2 0 0 0 年起，我国已开始全面实施新的排放法规，同时，一系列鼓励用户购买 使用低排放车辆的经济政策己开始出台，如：对提前达到欧i i 排放标准的车辆 减免3 0 的消费税。随着时间的推移，国家排放法规将会越来越严格。另一方 面，我国的石油资源相对较少，从1 9 9 4 年开始，我国就已经是石油进口国，因 此节能就提上了日程：同时，实施燃油税后，提高汽车的燃油经济性成为用户 的最大需求。因此，为解决能源短缺和环境污染这两大问题，开发新一代的清 洁节能型汽车成为必然趋势”“。 目前，由于电池技术没有取得突破性进展，电动汽车具有续行里程短、成 本高和电池循环使用寿命低等缺点，因而其发展受到限制。近年来燃料电池汽 车发展十分迅速，但在成本和氢能源的制备等方面仍存在需要解决的问题。与 电动汽车相比，混合动力电动汽车( h e v ) 具有以下优点： 1 发动机的负荷有所减轻，因而排放和噪声减少； 2 电池数量减少，因而整车质量减轻： 3 辅助动力单元( a p u ) 的选用使汽车的续行里程和动力性能可以达到内燃机 汽车的水平； 4 由于电动机的辅助，发动机处于良好的状态下工作，加上制动能量的回收 等，有助于提高燃油经济性。 混合动力电动汽车保持了电动汽车超低排放的优点，又发挥了传统内燃机 汽车高比能量的长处，因此成为二十一世纪汽车工业发展的重要方向。 1 2国内外发展概述 自2 0 世纪9 0 年代以来，世界各大汽车公司通过先进的开发手段，已相继 推出了采用不同布置形式和控制策略的h e v 产品。 1 2 1 国外发展现状“”1 ( 1 ) 日本 日本丰田公司开发的p r i u s 和本田公司开发的i n s i g h t 两种混合动力车已 小批量投入市场。丰田p r i u s 轿车中的丰田混合动力系统( t o y o t ah y b r i d s y s t e m ，t h s ) 被认为是目前最成功的混合动力系统之一，它采用行星齿轮机构 实现多个部件转速的复合，使各个部件间的转矩保持一定的比例关系。这种行 星机构有两个自由度，通过离合器和制动器的作用，可以实现单自由度、固定 传动比的传动。本田i n s i g h t 混合动力车采用转矩复合的方式，发动机作为主 要动力，电动机作为辅助动力，动力分配比为9 ：l 。该车采用手动五档变速器 创造了3 l 汽油行驶l0 5 k m 的记录( 日本l o 1 5 工况测试) 。 ( 2 ) 美国 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签属了h e v 开发合同，启动下一代汽 车合作伙伴( p n g v ) 项目。主要目标是：探索制造方面的新技术，缩短设计周 期、降低成本；将新措施应用于常规汽车上，改进现有汽车；开发新型汽车， 10 年内使小轿车的燃油经济性达到3 l k m 。通用汽车公司在1 9 9 8 年1 月研究 出了e v l 型4 座混合动力电动汽车。福特公司开发出p 2 0 0 0 型5 座并联式h e v 。 克莱斯勒公司于1 9 9 8 年1 月开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力车。表卜1 是国外典型混合动力车的参数。 表1 1国外典型h e v 的结构型式和主要参数 混合 车型发动机电动机蓄电池变速器 方式 丰田四缸汽油机n i m h 3 3 k w 永磁电机驱动和能 p r i u s混联1 5 l 4 3 k w2 8 8 vc v t 量回收：另一电机发电 1 0 2 n m 本田三缸汽油机n i m h 1 0 k w 起动机发电机 i n s i g h t 并联1 0 l ，5 0 k w1 4 4 v5 挡手动 一体化电机 9 0 n m 福特四缸汽油机n i m h 3 5 k w 起动机发电机 p r o d i g y 并联1 2 l ，5 5 k w 2 8 8 v5 挡自动 一体化电机 1 5 3 n m 克莱三缸汽油机l j i o n 15 k w 起动机发电机 斯勒并联1 4 7 l ，5 5 k w 1 5 0 v6 挡自动 一体化电机 e s x 31 6 5 n m 2 5 k w 电动机驱动后轴和n i m h 通用 三缸汽油机 能量回收；1 0 k w 电机驱3 5 0 v 混联1 3 l 4 4 k w4 挡自动 p r e c e p t 动前轴、给蓄电池充电和 1 7 0 n m 回收能最 日产 四缸汽油机1 7 k w 交流同步电机驱动 l i i o n 混联i 8 l ，7 4 k w和能量回收：另一电机起额定容c v t t i n o 1 4 1 n m动发动机和给电池充电量：3 6 a h 2 ( 3 ) 欧洲 在欧洲，各大汽车厂商也先后推出了自己的混合动力车，其中突出的是法 国的b e r l i n g e 混合动力车，其性价比能与燃油汽车相抗衡，代表了国际先进水 平a 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 m 的运行试验，并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车，取名为n e x t ，样 车已经向公众展出。这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机：两台7 k w 电动机装在两个后轮上。当时速在4 0 k m h 以下时，由电动机驱动：达到4 0 k m h 以上时由汽油发动机驱动，同时可为电瓶充电，最大时速达1 4 2 k m h ：若再加 速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达1 6 9 k m h 。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 m h 。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。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。 1 2 2 国内概况 在传统汽车领域，中国落后于发达国家二三十年；而在电动汽车领域，中 国与国外技术水平和产业化程度差距相对较小。中国电动汽车的研发已有了一 定的基础，一些企业在9 0 年代中期已推出了电动汽车样车，但是目前还没有规 模化生产的电动汽车产品出现。 2 0 0 1 年9 月，科技部在“十五”期间的国家“8 6 3 ”计划中，特别设立了 电动汽车重大专项。“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项自公开招标以来，各分类项 目已由一汽集团、东风集团、上汽集团、清华大学和同济大学等承担。东风汽 车公司1 9 9 6 年就推出电动汽车样车，目前东风电动车辆股份有限公司同时承担 2 个“8 6 3 ”项目整车项目，已有4 台电动客车作为武汉市5 0 9 路和5 1 0 路公汽 投入使用。到2 0 0 5 年，计划年产2 0 0 0 辆混合动力轿车和5 0 0 辆混合动力城市 公交车。清华大学成立的北京清华新能源汽车工程中心，承担了国家8 6 3 项目 一一“燃料电池城市客车整车技术的研究开发”和北京市科委有关电动汽车的 研究课题。目前已经研制出1 2 辆1 6 座中巴环保燃料电池轻型客车样车投入运 行，其中有3 辆在清华大学校内使用了两年。该车的结构参数为：质子交换膜 燃料电池( 氢氧型) 的额定功率1 8 k w ，驱动电机额定功率3 5 k w ，最大功率9 0 k w ， 配置无级调速传动系统，最高车速8 0 k m h ，最大爬坡度1 5 ，0 至4 0 k m h 的加速时间不大于1 5 s ，一次加氢气行驶里程大于1 6 5 k m 。长安公司生产的i s g 混合动力轿车油耗降低3 0 以上，排放达到欧i 标准，样车最大时速可达到 1 6 0 k m ，加速性能与同档次汽车相当，续驶里程大于5 0 0 k m ，最大爬坡度可达到 2 5 9 6 ，汽车的其它性能指标均达到设计要求。国内主要电动汽车项目见表1 2 ”4 。 表1 2中国主要电动汽车项目 电动汽车类型产品名称 主要研制单位 夏利纯电动轿车天津一汽 神龙富康东风汽车公司 奇瑞纯电动轿车q r上海交通大学 国家电动汽车试验中心和 纯电动轿车奇瑞纯电动轿车z c t 0 5 0 a 安徽兆成电动车辆公司 u 2 0 0 i 电动轿车香港大学 爱迪生e v l 0 0 型爱迪生汽车技术研究所 比亚迪电动汽车比亚迪汽车公司 红旗牌混合动力轿车长春一汽 e q 7 2 0 0 h e v东风汽车公司 混合动力轿车奇瑞混合动力轿车奇瑞汽车公司 i s g 混合动力轿车长安汽车公司 爱迪生混合动力轿车爱迪生汽车技术研究所 春晖一号上海汽车公司 燃料电池轿车超越一号上海汽车公司 凤凰燃料电池轿车上海汽车公司 纯电动豪华旅游车北京理工大学 纯电动客车 纯电动低地板公交车北京理工大学 解放牌混合动力城市客车 长春一汽 混合动力客车 e q 6 1 i o o h e v 混合动力公交车东风汽车公司 燃料电池客车燃料电池城市客车清华大学 1 3混合动力电动汽车分类及特点 就其定义而言，混合动力电动汽车”1 ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆 的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组 成部件、布置方式和控制策略的不同。形成了多种分类形式“：根据动力传递 方式不同分串联式、并联式和混联式；根据发动机和电动机功率比的大小分为 里程延长型、动力辅助型和双模式型；根据发动机运行模式不同，分为发动机 开一关模式和发动机连续运行模式；根据蓄电池的荷电状态s o c ( s t a t e o f c h a r g e ) 不同，分为荷电消耗型和荷电维持型。下面从动力传递方式方面介绍典 型的混合动力传动系布置形式。 1 3 1 串联式h e v 如图卜1 ，串联式混合动力电动汽车( 简称s h e v ) 主要由发动机、发电机 和驱动电机三大部件组成。从总体上看，s h e v 结构比较简单，发动机和车轮之 间没有机械连接，容易控制，这样发动机可以在某一固定点附近工作，使发动 机工作在高效率区或低燃油区。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负 荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬 坡的工况时，发动机一电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低 速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机一发电机组向电池 组充电。由于能量是由发动机的机械能转化为电能，再通过电动机转化为机械 能，这样能量损失较多，导致整车效率下降，这是其固有的弱点。 图卜1s h e v 结构图 图1 2 单轴p h e v 结构 1 3 2 并联式h e v 并联式混合动力电动汽车( 简称p h e v ) 主要由发动机和电动发电机两大 部件组成。其特点是p h e v 可以有发动机和电动机共同驱动或单独驱动。由于没 有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近 传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。 根据发动机和电动机组合方式不同，p h e v 可分为：转速合成式、转矩合成 式和牵引力合成式三种动力组合方式。其中i n s i g h t 采用的是单轴转矩合成方 式( 结构如图l 一2 ) 。i n s i g h t 型动力系统与一般的混合动力系统不同，以汽油 机为主动力，电动机为辅助动力，动力分配之比为9 ：l ，此系统被称为i m a 系 统( 集成电机辅助系统) ，在起动和加速时，辅助电机工作，弥补汽油机起动和 加速差的缺点，发挥了低速大扭矩的优点，在诫速和制动时电机作为发电机工 作，为了节省燃料和降低排放，发动机在停车时关闭，在加速踏板踩下时重新 起动。 1 3 3 混联式h e m 混联式混合动力电动汽车( 如图卜3 ) 发挥了串联式和并联式的优点，在 功率流的控制上有更大的灵活性，可以实现油耗和排放的最佳控制。混联式结 构通常在并联式结构基础上增加一套发电机，这样发动机功率既可以与电动机 功率复合后驱动车轮，又可以转换成电能，储存在蓄电池中。与并联式相比 混联式结构更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。 图卜3 混联式h e v 结构图 丰田推出的p r i u s 是典型的速度复合式混联电动汽车( 如图卜4 所示) 。 它采用行星差速机构实现多个部件速度的复合，而各个部件间的转矩保持一定 的比例关系。行星机构有两个自由度，通过不同离台器合制动器的作用，可以 实现单自由度、固定传动比的传动。 倒卜4p r i u s 混台动力系统示意图 在此机构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太 阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置 将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将另一小部分转矩传给发电机，发 电机发出的电能根据指令给电池充电或用于电动机以增加驱动力。这种机构可 以有非常灵活的控制策略，因此可实现对混合动力能量流的最优控制。 究竞选择什么样的结构形式，主要考虑下列主要因素；从整车总布置来看， 串联式电动汽车三大部件间没有机械连接，布置的自由度大，但各总成质量、 尺寸较大，一般适用于大型车上；并联式保持了机械式传动系统，结构复杂， 使布置受到一定的限制。从成本造价方面看，s h e v 三大动力总成功率较大，成 本高；p h e v 只有两大动力总成，质量轻，电动发电机有双重功能，可以在普 通内燃机汽车底盘上改造，成本比较低；而混联式结构需要复杂的控制系统， 制造成本比较高。从效率上看，s h e v 效率低，但具有低排放的优点：p h e v 和混 联式结构的传动效率高。因此，串联式结构主要适用于大型客车或货车，而并 联式结构适用于小型轿车，更能适应城市道路和高速公路行驶，混联式结构能 6 适应各种道路工况，性能更接近于内燃机汽车。 1 4 混合动力电动汽车控制策略 控制策略是混合动力轿车的核心，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能 量需求，动态分配发动机与电机系统的输出功率，使发动机尽量工作在最优工 作区，从而达到减低能耗，改善排放的目的。下面介绍一下串联混合动力车和 并联混合动力车的典型控制策略。 1 4 1 s h e v 控制策略 由于串联型混合动力汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此多 能源系统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、传动系统、发动机和发电 机的总体效率。串联型混合动力汽车的多能源系统控制策略基本有以下两种模 式。 ( 1 ) 恒温器控制模式 当蓄电池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，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。 ( 2 ) 发动机跟踪器控制模式 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。但发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，而且发动机 的功率快速而动态地变化，这些都损害了发动机的效率和排放性能( 尤其在低负 荷区) 。解决的办法是采用自动无级变速器c v t ，通过调节c v t 速比，控制发动 机沿最小油耗曲线运行，这样同时减少了h c 和c o 的排放量。 1 4 2p h e v 控制策略” 并联式混合动力汽车多能源系统一般的控制策略通常是根据电池的s o c 状 态、发动机的节气门位置、车速和驱动轮的平均功率等参数，按照一定的规则 使发动机和电动机输出相应的转矩( 或功率) 。以满足驱动轮驱动力矩、低燃油 消耗和低排放的要求。 ( 1 ) i c e 恒工作点策略或优化曲线策略 i c e 恒定工作点策略采用发动机作为主要动力源，电机和电池通过提供附 加转矩的形式进行功率调峰，使系统获得足够的瞬时功率。发动机工作点处于 最优的工作范围，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电机提供i c e 优化 曲线策略从静态条件下的发动机万有特性出发，经过动态校正后，跟踪由驱动 条件决定的发动机最优工作曲线，避免内燃机工作于不经济的状态，从而实现 对发动机及整车的控制。 ( 2 ) 采用优化技术的控制策略 k i a 汽车公司的c h u n h ok i r a 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、发动机节气门开度) 。这 种控制策略的实质就是将发动机和电机控制在最佳效率区工作，从而达到最佳 的燃油经济性。这种方法可以用于汽车的实时控制，但没有考虑汽车驾驶循环 工况的影响及发动机排放问题。法国学者s e b a s t i e l 3d z l p r a t 和g i n o p a g a n e l l i 等人研究了带机械有级式变速器的并联型混合动力汽车在动力混合 工况时的能量分配优化问题，建立了以电机转矩和变速器档位为优化变量在给 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。 ( 3 ) 全局优化模式 由优化理论可知，瞬时最小值之和并不等于和的最小值，因此瞬时优化模 式并不能导致全局最优的控制策略。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。通常的做法是把应用全局优化算法得到的控制策略作 为参考，再与其它的控制策略，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。 ( 4 ) 智能优化方法 有关文献表明，综合运用模糊逻辑控制、自适应控制、神经网络等现代控 制方法对传动系参数进行处理，同时结合神经网络、遗传算法进行寻优，能取 得良好的控制效果。模糊逻辑控制策略( f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y ，f l c s ) 通过对输入参数进行模糊化处理，对输出参数进行反模糊化处理，避免了常规 方法中复杂的查表和插值计算，能够提高响应速度和控制精度。自适应控制策 略( s e l f - h d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y ，s a c s ) 也称实时控制策略，它主要按 燃油消耗、排放为目标函数，对每一时刻发动机和电动机之间的能量分配进行 优化。 1 5 本课题研究内容 8 本课题来源于国家8 6 3 电动汽车项目- - s q r h e v 混合动力轿车。整车 控制策略是混合动力轿车的核心技术，建立各部件和整车系统数学模型， 合理选择动力耦合方案和控制策略，并对控制策略进行优化是混合动力轿 车设计的重点。因此，本文主要工作是： 1 根据整车初步技术方案和性能指标，确定混合动力汽车的动力耦合 方式和各部件主要参数。本课题将根据整车总体布置，综合考虑整 车的成本与实施的可行性，结合前期研究，建立动力耦合方案的模 型和整车数学模型： 2 对a d v i s o r 软件进行二次开发，确定整车的控制策略，建立逻辑门 限值控制策略、i c e 优化曲线策略和模糊逻辑控制策略的数学模型， 并进行仿真分析与比较； 3 根据整车的性能指标如燃油经济性、排放等，对建立的控制策略模 型进行参数优化，确定整车的最优控制策略。本文主要以提高 s o r h e v 燃油经济性为目标函数，分别对逻辑门限值控制策略和模糊 控制策略进行参数优化，并进行仿真结果比较，为获得最优的控制 策略和开发性能优越的混合动力轿车打下基础。 9 第二章 s q r t t e v 动力耦合方案选择与系统建模 2 1 s o r h e v 整车初步方案 从整车技术的先进性与扩展性、方案实施的可行性、产业化后的成本与前 景以及不同耦合方案的特点上考虑，奇瑞h e v 采用并联式、轻度混合动力结构。 并联式混合动力传动系统又分为转速合成式、转矩合成式和牵引力合成式p h e v ， 转速合成式p h e v 一般有两套结构机械变速器，内燃机和电动机各自与一套变速 结构相联，然后通过齿轮进行复合。在此种结构中，可以通过调节变速机构调 节内燃机、电动机之问的转速关系，使发动机的工况调节变得更灵活。此种结 构主要采用行星差动系统来实现。转矩合成式p h e v 是由两动力总成通过扭矩合 成装置( 啮合齿轮传动、链传动、传动带、c v t 传动等) 直接驱动车辆，因此它们 的输出特性总和应能满足车辆的牵引需求，否则，应在传动系中适当的位置布 置变速箱。牵引力合成式p h e v 的发动机和电动机之间无任何机械连接，它们通 过各自的传动轴分别驱动车辆的前轮和后轮。该动力传动系的显著优点是：汽车 的驱动力由两个驱动轴承担，因此作用于每一驱动轴上的驱动力不会超出其轮 胎地面附着极限。该种结构的混合动力汽车的燃料经济性和动力性均超过了传 统汽车，但由于电机驱动系统与内燃机驱动系统分离，结构不紧凑，给动力传 动系的具体布置带来困难，这种结构在军用混合动力车辆上应用比较广泛。 综合考虑三种并联h e v 的传动系布置方式，我们采用转矩合成式h e v 。其 基本设计原则图2 - 1 所示，发动机通过主传动轴与变速器相联，电动机的转矩 通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者之 和。关系式如下： i t = 叮。+ p t 。) 玎，1 、 i h = 犯= p “ 式中，t 。、t 。、t 分别为发动机、电动机和传动系输入转矩；n 。、n m 、1 3 分别为发动机转速、电动机转速和传动系输入转速；q 为传动效率：p 为传动 比。 匝亚，蝉一口 图2 - 1s q r - h e v 耦合方式 在此结构种结构中，发动机、电动机和变速器输入轴之间的转速成一定的 比例关系，在汽车中，随着路线和车速的变化，这时转速会随着变化。输出转 矩的变化，可以通过式中的转矩关系，在发动机转矩保持恒定的条件下，通过 调节电动机的转矩而获得。当传动比p 取1 时，发动机和电动机转速相等，此 0 结构就与本田l n s i g h t 动力结构相同，其主要特点是以内燃机为主要动力，电 动机作为辅助动力源，提供能量回收和助力作用。因此，s q r h e v 采用轻度混 合方式，其动力总成包括内燃机、电动发电机、储能装置、传动装置、电力电 子和微电子控制器等，其动力总成结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2s q r - h e v 动力总成系统 2 2混合动力电动汽车仿真建模方法“。 h e v 系统设计的关键是系统结构的选择、整车能量管理策略的开发和系统 参数的确定。由于混合动力车系统比较复杂，其中既有连续环节又有离散环节 因此，其静态、准静态和动态的分析都建立在仿真的基础上。依照仿真过程中 信息流动的方向，仿真方法可分为前向仿真法、后向仿真法和混合仿真法。 2 2 1 后向仿真建模法 后向仿真方法是在假设车辆能满足道路循环的请求行驶轨迹( 包括汽车行 驶速度、道路坡度和汽车动态质量) 的前提下，计算汽车中各个部件性能的仿 真方法。这种模型不要求驾驶员的特性参数，它直接根据请求的速度轨迹来计 算加速车辆所需要的力。该力直接向后传递给部件用于计算所需要的扭矩，通 常会考虑机械效率，这种计算方法逐个部件地沿着传动系统向后执行，与车辆 的实际驱动功率流的方向相反。最后计算出满足行驶轨迹要求的燃料和电能消 耗量。 因为汽车传动系统的部件已经测试出不同扭矩和速度情况下的效率特性和 其它特性，这意昧着一个直接的计算能决定部件的各种效率。所以用后向方法 进行仿真，计算速度很快。后向仿真方法的缺点是，它假设轨迹被满足。但是 当速度轨迹的加速度超出传动系统的能力时，汽车实际的加速度必然小于轨迹 请求的加速度，而后向仿真方法不能正确反映出这种真实情况。并且这种假设 也不适合计算汽车的最佳性能。后向仿真方法中使用的各种特性通常是在稳态 时测试出来的，它们在计算能量消耗中不包括动态效果。 2 2 2 前向仿真建模法 前向仿真方法的车辆仿真程序包括了驾驶员模型它考虑请求速度和现在 速度，来生成节气门和制动命令( 通常使用p i 控制器) 。节气门命令被转换成 发动机( 和或电动机) 的扭矩和能源利用率，其中发动机产生的扭矩送到变速 箱模型，然后根据效率和传动比计算转换扭矩，该扭矩再按照车辆中实际功率 流的方向向前传送，直到计算出轮胎的驱动力。 前向仿真方法适合用于开发硬件在回路系统，其控制仿真效果特别理想。 因为前向仿真方法能处理实际传动系统中的测量数据，例如控制信号和真实扭 矩( 不是请求扭矩) 。车辆控制器能在仿真过程中有效地开发和测试。动态模型 也很自然她被包括在前向仿真方法的车辆模型中。其主要弱点是计算量大，速 度通常要比采用后向仿真方法的软件要慢，传动系统的功率计算依赖于车辆状 态。其优点是其部件模型之间的联系更加接近于车辆的实际情况，这种算法比 后向仿真方法的计算结果更准确。下面是并联型车的后向仿真与前向仿真，如 图2 3 和图2 4 所示。 圈2 3p h e v 后向仿真方法图2 - 4p h e v 前向仿真法 2 2 3 混合仿真建模法 典型仿真软件a d v i s o r 采用混合仿真方法，其仿真过程是：一般先用后 向仿真方法，按照与实际功率流相反的方向，根据道路循环的要求，从汽车车 轮模块到发动机模块与蓄电池模块，考虑了各个部件的机械效率和功率限制， 计算出当前部件对上一级部件的请求速度和扭矩值，逐级传递，直到发动机模 块与蓄电池模块计算出它们所能提供的实际功率为止。在完成后向路径的计算 后，再应用前向仿真方法，从发动机模块与蓄电池模块到汽车车轮模块，按照 实际功率流动的方向，计算出当前部件能提供给下一级部件的可用速度和扭矩 值，逐级传递，直到汽车车轮模块，最后计算出汽车的实际速度。a d v i s o r 混合仿真方法建立在两个假设的基础上： 1 任何传动系统的部件不能从它上级的邻近部件处请求到比它实际使用 更多的扭矩和功率。 2 任何部件在前向路径的计算过程中的效率与在后向路径中的相同。 在设计初期可以用后向仿真法进行车辆性能如动力性、燃油经济性的预测， 前向仿真法则用于系统的详细设计和动态模拟。为克服两者各自的缺陷，兼顾 结果的准确性和仿真效率，以适应混合动力系统的复杂性，s q r h e v 采用混合 仿真方法，以美国可再生能源实验室在m a t l a b 和s i m u l i n k 软件环境下开发的 电动汽车仿真软件a d v i s o r 为基础进行二次开发，分别建立车辆模型、发动机 模型、电动机模型、电池模型和动力装置控制数学模型，通过分析各部件总成， 修改相应各总成参数，最后在s i m u l i n k 中仿真运行。 2 3s q r - h e v 系统建模 2 3 1 车辆模型( 行驶动力学模型) 行驶动力学模型( 公式2 2 和2 3 ) 是内燃机汽车、电动汽车和混合动 力车的通用模型，是最基本的模型。当道路循环一定的情况下，动力学模型将 汽车的实际速度转化为汽车的驱动力，通过车轮将驱动力转化为转矩，将车速 转化为车轮的角速度，并计算汽车加速度。根据有关汽车理论，动力学数学模 型为： f l = 耐+ 号c d y 2 十m g s i n 口( 2 2 ) f = f ，一f 。= m a ( 2 3 ) 其中：f 。一滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和；f 。一驱动力；m 一车辆总质量： c 。一风阻系数；f 一滚动阻力系数；p 一空气密度；a 一迎风面积：v 一车速；a 一汽车加速度；g 一重力加速度：0 一坡度角。