（车辆工程专业论文）混合动力汽车能量管理策略及数据通信研究.pdf

导师： 瘢当 缸以赠砚印乏 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金魍王些太 兰l 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书) 学位论文者签名：四骄导师签名： 签字日期：一) 。年、f 月) ，日签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作姜譬：哆磊了甜讨纱 蜘龇：嘶龇穹云险咖 电话：，：；占；) 7 9 ，占 由b 编：，；口扫矿7 r 、 j 絮帅 、尹帅 能量管理策略及数据通信研究 摘要 混合动力汽车的能量管理策略和整车c a n 总线 力汽车提出了一种新的能量管理策略，为了验证 件在环仿真的方法验证所设计的控制策略，并利 硬件在环仿真过程中的主要通信方式。主要研究 首先就混合动力汽车的能量管理策略提出了一种新的方法，其中将发动机 和电动机看做两个相互不合作的博弈者，通过采用这种博弈管理策略来提高整 车的燃油经济性和动力性。 其次由于c a n 总线数据通信在混合动力汽车上得到越来越广泛的应用， 对c a n 总线的性能特点，技术规范以及帧结构作了相关的研究，同时对采用 的m s c a n l2 模块重点进行了分析，还设计了混合动力汽车的数据通信协议， 作为验证控制策略的硬件在环仿真的通信方式。 最后通过硬件在环仿真来验证整个能量管理策略的可行性，主要包括测试 平台方案的构建，通信信号的定义，模型的构建，仿真界面的设计以及仿真结 果的分析。 关键词：混合动力汽车能量管理策略c a n 通信硬件在环仿真 g e m e n ts t r a t e g ya n dd a t a t hh y b r i dc a r s a b s t r a c t t h es t u d ym a i n l yr e v o l v e sh y b r i dc a r s e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g ya n dt h ev e h i c l e c a nb u sd a t ac o m m u n i c a t i o nu n f o l d s ，t h ef i r s to fh y b r i dc a r sp r e s e n t san e w e n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g y , i no r d e rt ov 耐匆t h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o p o s e d s t r a t e g y , t h e h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o nm e t h o di sv e r i f i e db y d e s i g nc o n t r o ls t r a t e g y , u s i n gac a n b u sd a t ac o m m u n i c a t i o na st h eh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o np r o c e s s ，t h em a i nw a y t o c o m m u n i c a t e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s th y b r i dc a r se n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yp u t sf o r w a r dan e w m e t h o d ，w h i c hw i l l e n g i n ea n de l e c t r i cm o t o ra st w om u t u a lw i t h o u tc o o p e r a t i o n ，b ya d o p t i n gt h eg a m et h i s g a m em a n a g e m e n ts t r a t e g yt oi m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ef u e le c o n o m y a n d ，i no r d e rt ov e n f yt h ea l g o r i t h m ，u s i n ga d v i s o ro f f - l i n es i m u l a t i o np l a t f o r mt ov e r i f y t h ea l g o r i t h m s e c o n d l yb e c a u s eo fc a n b u sd a t ac o m m u n i c a t i o ni nh y b r i dc a r sg e tm o r ea n dm o r e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fc a n b u s ，t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s a n df r a m es t r u c t u r e s ，a n dt h er e l a t e dr e s e a r c hi nt h em s c a n 12m o d u l ea r ea n a l y z e d t h e k e ys t i l ld e s i g n e dah y b r i dc a r sd a t ac o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l ，a sv a l i d a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yo ft h eh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o nw a yt oc o m m u n i c a t e f i n a l l yt h eh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o nt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h et o t a le n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g y , i n c l u d i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft e s tp l a t f o r i l ls o l u t i o n s ，t h ed e f i n i t i o no f c o m m u n i c a t i o ns i g n a l s ，m o d e l s ，t h es i m u l a t i o ni n t e r f a c ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t s a n a l y s i s k e y w o r d s ：h y b r i dv e h i c l e ；e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y ；c a nc o m m u n i c a t i o n ； h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n 致谢 在本论文即将完成之际，谨此向我的导师尹安东副教授致以衷心的感谢和 崇高的敬意! 本论文的工作是在尹老师的悉心指导下完成的。尹老师以他敏锐 的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和对科学的献 身精神给我留下了刻骨铭心的印象，这些使我受益匪浅，并将成为我终身献身 科学和献身事业的动力。 在攻读硕士的这三年里，导师不仅为我创造了优越的科研和学习环境，使 我得以在车辆工程领域中自由翱翔，同时在思想上、人生态度和意志品质方面 给予了谆谆教诲，这些教益必将激励着我在今后的人生道路上奋勇向前。 真诚感谢教研室的江昊老师，他不仅在学术上给我指引，而且在生活上予 以帮助，从他身上我学到很多知识。感谢课题组老师在项目开发中的帮助和支 持，正是你们的努力才使得项目进展顺利。 由衷感谢我的室友同学，他们开创性的研究拓展了我的学术视野，无数次 的争论和探讨使我的研究工作有了长足的进展。 感谢张阳、张杰师兄，冯瑞、张辉、张建、王修满、尉进同学，学弟朱云 骁、李领领、张万兴，学妹谌文文，他们在实验中给予了我许多的帮助。感谢 你们与我并肩作战，感谢你们给予我的帮助与关怀。 衷心的感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件； 是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今 天。谢谢你们，我的父亲母亲! 最后，感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。衷心地感谢为评阅本论文而 付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和教授们! 作者：田新新 2 0 11 年4 月10 日 2 2混合动力汽车能量管理策略简介6 2 2 1混合动力汽车能量管理策略6 2 2 2混合动力汽车动态系统8 2 2 3混合动力汽车能量管理系统的设计9 2 3基于博弈论的混合动力汽车能量管理策略的描述1 0 2 3 1混合动力汽车能量管理的数学表达式1 0 2 3 2混合动力汽车博弈论数学模型的建立l l 2 3 3混合动力汽车的收益函数的建立13 2 4仿真与试验分析1 4 2 4 1混合动力汽车技术参数1 4 2 4 2建模及仿真分析l5 2 5 本章小结1 8 第三章混合动力汽车整车数据通信研究1 9 3 1混合动力汽车整车控制系统结构1 9 3 2混合动力汽车c a n 通信总线1 9 3 2 1c a n 总线性能特点1 9 3 2 2c a n 总线的分层结构2 0 3 2 3c a n 总线的j 19 3 9 协议2 l 3 3混合动力汽车c a n 通信模块2 3 3 3 1m s c a n l2 特性2 4 3 3 2外部引脚2 4 3 3 3报文存储结构2 5 3 3 4标识符验收滤波2 6 3 3 5m s c a n l 2 模块寄存器2 7 3 4混合动力汽车c a n 通信网络设计2 9 l l 2 3 5 5 5 5 一 一 一 一究 一 一 一 3 5混合动力汽车c a n 通信协议3 l 3 6混合动力汽车c a n 通信数据采集系统3 3 3 6 1参数指标3 3 3 6 2接口的定义3 4 3 7 本章小结3 4 第四章混合动力汽车整车控制器硬件在环仿真3 6 4 1 整车控制器的开发3 6 4 2整车控制器的硬件在环仿真试验3 7 4 2 1d s p a c e 简介3 7 4 2 2硬件在环实时仿真测试平台方案的设计3 9 4 2 3硬件在环仿真信号的定义3 9 4 2 4硬件在环仿真模块接口的搭建4 0 4 2 5硬件在环仿真控制界面的设计4 2 4 2 6硬件在环仿真试验结果4 4 4 4试验结果分析4 5 4 5 本章小结4 6 第五章全文总结及工作展望4 8 5 1论文工作总结4 8 5 2论文创新点4 8 5 3进一步工作展望4 8 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 2 插图清单 图2 一l 电辅助式控制策略“7 图2 2 电辅助式控制策略”7 图2 3 混合动力汽车模型结构图8 图2 4 动力控制系统的等级结构1 0 图2 5 发动机万有特性图1 3 图2 6 能量管理策略的s t a t e f l o w 状态流程图1 5 图2 7 能量管理策略的s i m u l i n k 模型1 6 图2 8 仿真参数的设置1 6 图2 9 仿真参数的设置- 1 7 图2 1 0 超级电容s o c 随时间变化曲线1 7 图2 1 1 速度随时间变化曲线1 7 图3 1 混合动力汽车整车控制系统结构图”1 9 图3 2c a n 总线的分层级结构2 1 图3 3m s c a n 模块框图2 4 图3 4c a n 系统“2 5 图3 5m s c a n l 2 报文缓冲区组织图2 5 图3 6m s c a n l 2 报文验收过程示意图2 6 图3 7c a n 节点网络拓扑结构图2 9 图3 8c a n 2 3 2 接口”2 9 图3 9c a n 电平3 0 图3 10c a n 总线传输速率和传输长度的关系图3 l 图3 1 1u s b c a n 数据采集界面3 3 图4 1 整车控制器的v 型开发模式”3 6 图4 2d s p a c e 硬件3 8 图4 3 硬件在环仿真结构图3 9 图4 4d s 2 0 0 2 模块的接口连接4 1 图4 5d s 2 0 0 2 模块的接口连接4 1 图4 6d s 4 3 0 2 模块的接口连接4 2 图4 7 仿真系统控制界面4 3 图4 8 虚拟仪表控制界面4 3 图4 9c a n 总线数据通信报文4 4 图4 1 0 车速随时间变化曲线4 4 图4 1 1 超级电容电压随时间变化曲线4 5 4 5 4 6 4 6 9 9 l3 1 4 1 4 l4 1 4 15 表3 1c a n 2 0 的标准和扩展格式及j 19 3 9 协议所定义的格式2 2 表3 2j 1 9 3 9 协议报文单元的具体格式2 2 表3 3 控制寄存器0 2 7 表3 4 控制寄存器1 2 8 表3 5 整车控制器发给电机控制器报文信息”3 1 表3 6 超级电容管理系统发给整车控制器的报文信息3 2 表3 7 电机控制器发给整车控制器的报文信息3 2 表3 8 发动机控制器发给整车控制器的报文信息一3 2 表3 9u s b c a n 2 a 接口卡的c a n - b u s 信号分配3 4 表4 1 虚拟整车平台信号的定义4 0 表4 2d s 2 0 0 2 板卡信息4 0 表4 3d s 4 0 0 2 板卡信息4 1 第一章绪论 1 1课题研究背景和意义 随着人口的不断增加以及全球生态环境系统的逐渐恶化，能源危机这个问 题被渐渐凸显出来，石油作为一种不可再生的资源，如何最高效的去使用它已 经成为考验着人们的一个重要课题，因此混合动力汽车得到了全球各个研究机 构越来越深入的研究。在以前的传统汽车上，依靠发动机这个唯一的能量源来 提供整车行驶的需求扭矩。在这个过程中，发动机很多的时候工作在燃油经济 行较低的区域，但是在混合动力汽车上，有发动机和电动机这两重的能源结构， 它们可以同时工作为整车行驶提供所需求的扭矩，并且在混合动力汽车的混合 工作模式中，发动机可以维持在燃油经济性较高的效率区间内工作，减少了燃 油的消耗量、大大降低了尾气的排放量【lj 。在混合动力汽车的纯电动模式下， 可以使用电动机单独驱动车辆，真正的实现零排放。混合动力汽车还可以在汽 车制动减速时，回收制动所产生的能量。但是混合动力汽车在降低尾气排放和 提高了汽车燃油经济性的同时，也增加了整车装备质量，就必须要对混合动力 汽车的能源结构以及能量的流动进行有效的管理。 为了能够以最佳的方法来对混合动力汽车的能量流动进行管理，人们对其 进行了大量的研究并提出了大量的算法，以便使超级电容的荷电状态维持在一 个相对稳定的区间范围内，同时降低燃油的消耗量。在本文中，我们提出了一 种新的基于博弈理论结构的方法，即当混合动力汽车在运行时，把混合动力汽 车的两个能量源发动机和电动机看做是一种非合作的博弈，对各自输出的能量 进行优化分配和高效的管理。本文还建立了一个并联式混合动力汽车模型作为 研究对象。 对于复杂的控制问题而言，在执行的时候通常需要使用到数学公式这种工 具。以前的能量管理策略常采用模糊逻辑、动态的混合系统策略和其它的基于 规则库的方法，而本文的能量管理方法就是基于博弈理论。在这种情况下，游 戏的参与者就是独立的能量源，例如电动机和发动机，并且参与者的状态就是 就是其交替工作的状态。参与者的目的就是为了最大化其性能指标，而性能指 标就是动力汽车的收益函数。在本文的最后也给出了仿真结果来验证提出的这 种方法。 运用计算机仿真手段来对混合动力汽车的能量管理策略进行研究，可以显 著提高混合动力汽车的燃油经济性和排放特性，已经成为现代汽车设计和研究 的重要手段。同时，混合动力汽车电控系统的广泛使用，使电路变得更加复杂，作 为汽车控制核心的整车控制器，越来越多的采用c a n 数据通信总线和车上其 它控制单元之间进行数据通信，用以实现整车控制器的能量管理功能，因此对 混合动力汽车的c a n 总线数据通信技术进行研究就显得尤为重要。本文在对 混合动力汽车的c a n 总线数据通信技术进行分析的基础上，开发出基于c a n 总线的现场调试界面，实现c a n 总线数据的导入和导出，满足整车控制系统 的现场调试需求，以便更好的对所设计的能量管理策略进行管理和优化2 1 。 1 2混合动力汽车国内外研究现状和发展趋势 混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的 污染，提高纯电动汽车的行驶里程。混合动力汽车结合了电力驱动和内燃机驱 动的优点，制动时将能量回收给超级电容充电、运行平稳、噪音低，同时弥补 了电动汽车的行驶里程短的缺点。目前，混合动力汽车的技术已经日趋完善， 正在有越来越多的汽车生产厂家的混合动力汽车投放市场。随着生产批量的逐 渐加大，成本将逐渐降低，将与传统燃油汽车相竞争。 从国家的方针政策方面来看，在2 0 0 9 年的年初，由国家财政部和国家科技 部联合发出的新能源汽车示范推广的补助暂行办法正式发布，使得我国的 新能源汽车的补贴标准再次引起行业内外的高度关注。新能源汽车补贴的暂行 实施方案作为我国振兴汽车行业的首先发布的行使准则，一出台就被视作我国 汽车行业调整规划的的信号，在另外一方面也给我国未来几年新能源汽车的发 展铺垫了基础。在2 0 0 9 年的3 月份国家公布了汽车产业调整振兴规划，其 中明确提出要将纯电动汽车和混合动力汽车作为国家新能源汽车发展战略的重 点，并指出到2 0 15 年我国要形成纯电动汽车和混合动力汽车达到五十万两的产 量。而在2 0 0 9 年六月份国家工信部发布新能源汽车生产企业及产品准入管理 规则就已经指出我国绝大多数汽车公司的新能源汽车研究已经处于发展阶段 和成熟阶段，而混合动力汽车则成为了新能源汽车研究的重点研究对象。 从长远方向来看，预计2 0 1 1 年及未来几年中国混合动力车进入快速发展 期。近期和中期，我国应重点发展b s g ( 低度混合动力) 轿车、i s g ( 中度混 合动力) 轿车，串联混合动力公交车、并联混合动力公交车。目标用户是：家 庭用车、出租车和城市公交车。如果相关政策到位，预计2 0 15 年我国将有6 8 个轿车企业( 含合资企业) 、1 0 余个混合动力轿车产品投入批量生产，将有4 5 个客车生产企业的8 10 个混合动力公交客车产品投入批量生产。年产量将达到 l5 万2 0 万辆( 其中公交客车产量2 万3 万辆) ，占汽车总产量的1 5 2 ；年 节约燃油1 5 万吨2 5 万吨p j 。 对于混合动力汽车( h e v ) 的研究，欧、美、日等国家很早就开始了这方 面的研究，开发出了不少混合动力汽车产品，得到了较高的评价。美国对混合 动力汽车进行了大量研究，通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司都拥有各自 的混合动力汽车产品，如通用汽车公司的h x 3 、福特汽车公司的e c o s t a r 、克莱 斯勒汽车公司的p a t r i o t ；在日本，混合动力汽车基本上都是由汽车制造厂商开 2 发出来的，其所采用发动机大多是小排量的汽油发动机，丰田汽车公司于l9 9 6 年底推出的p r i u s 混合动力汽车，被视为亚洲汽车未来的支柱；日产公司推出 的装有1 0 l 发动机和5 5 k w 电机的混合动力轿车，其尾气排放只有原来的1 0 左右；在欧洲人们也很早就开发了混合动力汽车产品。 在国内对混合动力汽车进行研究的主要厂商包括，一汽汽车、奇瑞汽车、 长安汽车、东风汽车：其中在我国国内，一汽轿车、上海汽车、东风汽车公司、 长安汽车公司、吉利汽车公司、奇瑞汽车公司等相关的企业早就进入了混合动 力汽车研发的阶段；一汽汽车集团自主研发的混合动力汽车已通过国家电动车 重大项目专家组的验收，已经在某些城市进行了混合动力汽车的示范运营阶段， 同时一汽汽车集团还与丰田汽车公司合资生产p r i u s 混合动力汽车；上海汽车 公司还与大众汽车公司共同研发混合动力汽车已经进入小批量的投产阶段；奇 瑞汽车公司专门就混合动力汽车的研发建立了国家级的研究中心，并与英国纽 卡斯尔大学共同研发混合动力汽车；长安汽车公司以及研发出具有自主知识产 权的电动汽车，并与2 0 0 5 年推出混合动力版；同时吉利汽车公司也和同济大学 签署协议，共同合作来就混合动力汽车的研发和商业化的发展的目标而努力。 1 3本文的研究目标和内容 1 3 1 设计目标 就某款混合动力公交车，遵照j 1 9 3 9 协议，定义了混合动力系统中c a n 通 信的报文格式，基于d s p a c e 仿真平台，搭建了用于硬件在环仿真的混合动力 系统c a n 通信网络。同时，对于整车控制器中的多能源管理策略进行了研究。 1 3 2研究内容 本文的研究工作主要围绕混合动力汽车的能量管理策略和整车c a n 总线 数据通信展开，首先提出一种新的能量管理策略，为了验证提出的策略的可靠 性，采用硬件在环仿真的方法验证所设计的控制策略，利用c a n 总线数据通 信来作为硬件在环仿真过程中的主要通信方式。主要研究内容如下： ( 1 ) 就混合动力汽车的能量管理策略提出了一种新的方法，其中将发动机 和电动机看做两个相互不合作的博弈者，通过采用这种博弈管理策略来提高整 车的燃油经济性和动力性，最后将所设计的能量管理策略调入a d v i s o r 中来进 行离线仿真分析。 ( 2 ) 由于c a n 总线数据通信在混合动力汽车上得到越来越广泛的应用， 对c a n 总线的性能特点，技术规范以及帧结构作了相关的研究，同时对采用 的m s c a n l2 模块重点进行了分析，还设计了混合动力汽车的数据通信协议， 作为验证控制策略的硬件在环仿真试验的主要通信方式。 ( 3 ) 通过硬件在环仿真来验证整个能量管理策略的可行性，主要包括测试 4 计以及仿真结 第二章基于博弈论的混合动力汽车能量管理策略研究 近年来人们对混合动力汽车的能量管理策略进行了大量的研究。对混合动 力汽车的能量管理提出了大量的算法，以便以最佳的方式来提高能源的使用效 率，更有效的对超级电容的充放电进行管理并减少燃料的消耗，同时维持超级 电容的荷电状态在一个稳定的区间范围内【4 】。本文采用了一种新的基于博弈论 的框架结构方法，其中将混合动力汽车运转看作是发动机和电动机之间的非合 作博弈。 2 1 博弈论简介 2 1 1博弈论及其数学描述 在博弈论中，充分考虑个体的可能行为和其实际行为，并分析研究它们各 自的优化策略。各方都具有各自不同的目标或利益，只有在充分考虑对手的各 种可能的行动方案之后，为自己选择利益最大化的合理方案，这种具有明显的 竞争行为且具有对抗性质的行为称为博弈行为。其数学表达式如下所示： 设定n 是一个参与者的集合。对于每一个参与者f n 都有一个给定的策略 集合罗i 。定义博弈函数为： l ：兀f 专r ( 2 1 ) 拒 也就是说，如果我们知道了参与者的策略集合，那么就可以有一个实数值 与之对应。我们可以把上面的方程拆成两个方程来进一步将其简化。个方程 是描述策略规定结果的方式： 石：兀f 专r ( 2 2 ) 把 另外一个方程描写参与者对于结果集合的偏好。对于每一个参与者f n 都 有一个偏好函数。也就是： 1 ，：f r ( 2 3 ) 这里r 是博弈的结果集合。 2 1 2斯塔克尔伯格均衡理论 在博弈理论中，斯塔克尔伯格竞争是一个非常典型的双寡头模型，在其标 准的模型中，整个市场只有两个相互竞争的厂商，各自都必须要顾忌对方的产 量。并且两个参与者的行为方式是有着相互顺序的。如果参与竞争的两个厂商 都有各自的市场份额且对其它厂商而言存在进入壁垒。首先定义这两个参与者 为f i r s t 和s e c o n d ，彼此之间进行着数量上的竞争。f i r s t 先做出产量的选择， s e c o n d 在对f i r s t 的操作进行判断的基础上再做出下一步的操作。 在典型的斯塔克尔伯格竞争均衡的过程之中，还存在着另外的约束。f i r s t 知道s e c o n d 会留意自己的的选择，还知道s e c o n d 不能再将来采取非斯塔克尔 伯格的s e c o n d 。但是，如果s e c o n d 采取斯塔克尔伯格f i r s t 的行动，并且f i r s t 知道这一点，那么f i r s t 的最优决策就是采取斯塔克尔伯格的s e c o n d 行动。 在斯塔克尔伯格博弈中，一方的参与者县做出决策，既可能享有先动的优 势，也可能承受先动的劣势，这个取决于具体的博弈行为。 2 2 混合动力汽车能量管理策略简介 2 2 1混合动力汽车能量管理策略 传统汽车上，依靠发动机这个唯一的能量源来提供整车行驶的需求扭矩。 在这个过程中，发动机很多的时候工作在燃油经济行较低的区域，但是在混合 动力汽车上，有发动机和电动机这两重的能源结构，它们可以同时工作为整车 行驶提供所需求的扭矩，并且在混合动力汽车的工作模式中，发动机可以维持 在燃油经济性最高的效率区间内工作，减少了燃油的消耗量、大大降低了尾气 的排放量。在混合动力汽车的纯电动模式下，可以使用电动机单独驱动车辆， 真正的实现零排放。混合动力汽车还可以在汽车制动减速时，回收制动所产生 的能量。 但是混合动力汽车在降低尾气排放和增加了汽车燃油经济性的同时，也增 加了整车装备质量，就必须要对混合动力汽车的能源结构以及能量的流动进行 有效的管理。近年来人们对混合动力电动汽车的能源管理进行了大量的研究。 对混合动力汽车的能量流动提出了大量的算法，以便以最佳方式利用能源的存 储能力、减少燃料消耗，同时使超级电容的s o c 值保持在稳定的范围内。 模糊逻辑控制策略的鲁棒性最强、实时性非常好，并且可以很好的满足车 辆控制这种复杂的系统，实用性强，在未来可以作为混合动力汽车优先采用能 量管理策略。但是模糊逻辑策略主要是根据混合动力汽车的各个部件的输入和 输出建立自己合适的隶属度函数，缺乏像神经网络那样自学习和自适应的能力， 比较适合于那些既定的表达和既得的定性知识。就全局优化控制策略来说，理 论上式是最适合混合动力汽车的能量管理策略的，但是由于在实际的道路工况 下，行驶路况无法预计，就某些特定的工况下取得的最优并不能适用于其他的 工况下，但全局优化控制策略需要大量的计算【5 】。 在混合动力汽车上，能量管理策略通常是根据超级电容的s o c 、驾驶员的 油门踏板开度、车速和驱动车轮的需求转矩等参数，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，以满足驱动轮驱动转矩的要求。目前国内外 混合动力汽车的能量管理策略主要是电辅助式控制策略、自适应控制策略等 ( 1 ) 电辅助式控制策略 电辅助式控制策略是一种基于线性的控制策略，它以发动机最大转矩线和 最小转矩线作为两条控制基准线。这种基线控制策略以发动机作为主动力源， 以电机作为辅助动力源，并维持超级电容里的电量在一个稳定的范围内。目标 6 机和超级电容效率的影 某一下限阀值时，电机 式下工作。 ( a ) s o c 下限值 图2 - l 电辅助式控制策略 2 ) 如果整车需求扭矩较高，发动机单独工作时不足以提供整车所需求的扭 矩，此时电机工作提供额外的需求扭矩。 3 ) 当发动机在给定的转速下，按需要的发动机转矩运行效率低下，且s o c 高于下限值，则关闭发动机，用电机产生需要的转矩。 4 ) 当超级电容s o c 值低于某一下限阀值时，发动机在提供整车的需求扭 矩的基础上，额外提供部分扭矩，用来给超级电容充电。 最大转矩线 电转矩 开笆墅2 最小转矩线 ：鬈誊? 曼墨飘 囊州撙蚋善粤转矩 ，需要的转速予发动讥转运 ( b ) s o c 1 4 5k w 额定转速 2 0 0 0 2 5 0 0r m i n 峰值功率 6 0k w 重量 l o o k g 2 4 2 建模及仿真分析 根据我们的分析和设计，可以通过s t a t e f l o w 来建立一个h e v 控制系统f 状态流程图，如图2 - 6 所示。将设计好的控制模块建嵌入到在s i m u l i n k 上的混 合动力汽车上，用来进行离线仿真。式2 2 0 和2 。2 l 描述的收益函数用来作为 状态之间转换的标准。其中也包含了一些尚未定义的定值常量，使用这种执行 的策略，增加常量a 和x 的值会通过参数的分析来确定。 s t a t e f i o , 】i , h y b r i d l2 5 7 5l c e e m l ( 古争 h y b r i d15 0 t 5 0i ce f e m 、l ( 2 ) 奇孕 r h y b r idl7 5 2 5i c e i e m 3 ) r e c h a r g ei c e ( 6 ) c eo n l y 4 ) e m o n l y 5 ) r e c h a r g eb r e a k i n g ( 7 ) 图2 6 能量管理策略的s t a t e f l o w 状态流程图 通过在s i m u l i n k 下建立能量管理策略仿真模型如图2 7 所示： 为了验证所设计的能量控制策略，采用a d v i s o r 仿真平台对所设计的模块 进行仿真分析，仿真参数如图2 8 所示。 图2 8 仿真参数的设置 1 6 窿旌】一一”c 韵m 一一一一_ ，一_ i氯盛 支辟霸簟在巷勋 舻旺况i m _ u o o s二 c y cu d d s 定赶工毖l l u u 俘开零界点 响涨 ：一r 翻张i 1 厂i 逮度 高度 一督奄燃簟芷 ：稍d 霄 毛 ， ； 芒蜘 乞 。 趔 栩妊羹件l 一畦刳嚏 6 p h ， ml j多重循环 簋 ，弋。 一 卫 期 o 02 0 0 q 椒”蛹 樾 避囊嘲嫩i h 研完j 童 廛5 1k n 2 l 2 谴廑0 5 聃 2 建重 m 舰 - _ _ 馈蠢 0麓 l 设量 州冀 t i 箭 l f 麓0 乏 略诧他 5 o 图9 仿真参数的设置 5 0 图1 0 超级电容s o c 随时间变化曲线 0 a - - j ( s o c ) 图1l速度随时问变化曲线1 7c口 a 蓐 b a 嗨 & - c u 口谚协 一i ) 雠煅 从图2 10 和2 1 1 中可以直观的看出，在整个循环工况下，实际车速对期 望车速的更随情况和超级电容s o c 值的变化情况。实际车速和期望车速差值最 大为o 5 8 m s ；发动机的实时效率绝大部分在0 2 以上，最大可达0 3 4 6 ；整个 循环燃油消耗为0 7 2 4 l 。整个循环结束后，超级电容的s o c 值降为o 5 7 ，较 初始值略有下降。经计算，实际车速与期望车速差值的标准差为o 0 0 5 发动机 的效率平均值为0 2 6 。 2 5本章小结 ( 1 ) 将博弈理论的方法应用在混合动力汽车上，提出了一种新的能量管理 策略，利用发动机和电机之间的博弈来提高整车的燃油经济性和动力性。 ( 2 ) 在s i m u l i n k 中搭建了控制系统的仿真模型，并利用s t a t e f l o w 来建立 了能量管理策略的状态流程图。 ( 3 ) 利用a d v i s o r 对设计的控制策略进行仿真分析，仿真结果表明所设计 的能量管理策略能够很好的满足整车的动力需求，提高了混合动力汽车的燃油 经济性。 究 时在混合动力汽 车控制器等之间 间的数据通信的 可靠性、极大的 总线为整车控制 3 1混合动力汽车整车控制系统结构 整车控制系统的网络拓扑结构如图3 1 所示。采用c a n 总线控制方式， 各控制模块组成了网络中的各个节点。整车控制器负责汽车运行工况的判断和 系统中各控制模块间的协调及通信故障的判断。 整车控制器主要分负责将c a n 网络中的信号进行综合处理再发送到各个 单元上去执行。电机驱动控制器通过c a n 总线将电机有用的信息传输到整车 控制器进行处理，同时接收整车控制器发送来的控制信号。超级电容管理系统 主要实现对超级电容电压及电流的采集、计算超级电容剩余电量，判断超级电 容充放电状态和超级电容故障状态等【7 j 。车载其它设施单元包括超级电容的充 电器以及对车内温度的采集并通过c a n 网络发送到整车控制器，再进行显示， 同时接受来自中央处理单元的相关控制指令，控制灯光、门窗及空调的开关。 电机控制器 发动机控制器超级电容管理系统c a n 诊断模块 整车控制嚣 i 车门控制器 雨刮器仪表盘照明及空调 行李箱控制座椅控制器 图3 1 混合动力汽车整车控制系统结构图 高速c a r l 低速c a n 3 2混合动力汽车c a n 通信总线 3 2 1c a n 总线性能特点 c a n 总线为多主机串口通信总线，一般通信介质为同轴电缆、双绞线或光 1 9 导纤维，最高通信速率可以达到l m b p s ，最远通信距离可以达到1 0 k m 。【1 1 c a n 总线协议最大的特点就是废除了传统的站地址编码方式，而是采用了通信码， 使网络内的节点数目在理论上不受限制。又因为c a n 总线具有较强的纠错能 力，支持差分收发，并且传输距离较远，适合于高干扰环境。因此，c a n 数据 通信总线在许多的分布式控制领域都发挥着越来越重要的作用。目前c a n 数 据已经逐渐发展成为最有前景的数据通信总线之一。 c a n 数据通信总线的性能和可靠性逐渐得到认同，并被广泛的应用于工业 的自动化控制领域、大型船舶加工制造领域、医疗器械加工制造领域、工业控 制设备加工制造领域。c a n 数据通信网络总线如今成为自动化控制领域发的的 热点之一，被称作是自动化控制领域的计算机局域网。c a n 数据通信总线的出 现给传统的分布式控制系统的各个通讯单元节点之间的信息交互、通信提供了 很好的通信平台【8 】。c a n 数据通信总线的特点如下所示： ( 1 ) 彻底改变了传统的依照站地址来编码的方式，取而代之的是依据各个 通信数据模块来进行通信的编码，可以支持多个节点同时发送数据； ( 2 ) 在c a n 总线数据通信的过程中，如果多个网络通信节点同时向总线 网络发送数据的时候，优先级较高的单元节点优先发送报文，优先权较低的单 元节点则暂停发送数据直到优先权高的节点完成报文的发送，通过这样的方式 可以有效避免总线的冲突： ( 3 ) 整条报文采取短帧的结构方式，每一帧可以发送8 个字节的数据，使 得传输所使用的时间短，受到干扰的概率相对较低，重新发送报文所需的时间 短： ( 4 ) 每条帧都具有自己的c r c 校验场和其它检错方式，保证了整个数据 在传输过程中的可靠，适宜于在扰动性比较大的环境下工作； ( 5 ) 如果某一个节点发生严重的错误故障，可以自动关闭与总线的联系， 确保总线上其它的单元节点数据报文的发送不受影响； ( 6 ) 可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。 3 2 2c a n 总线的分层结构 c a n 总线的i s o o s i 参考模型的层结构如图3 2 所示。 2 0 图3 - 2 c a n 总线的分层级结构 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 用来定义信号是如何进行传输，涉及到位定时、 位编码解码、同步的解释。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 主要包含以下两个子层： 1 ) 介质访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 总线协议的核 心。它把接收到的报文提供给l l c 子层，并且接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文的分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层也受到一个名 为“故障界定”( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的管理体系实体监管。这种故障界定为自检 测机制，以区别永久故障和短暂干扰。 2 ) 逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 主要涉及报文滤波、过载 通知和恢复管理p j 。 3 2 3c a n 总线的j 1 9 3 9 协议 j 19 3 9 是一种支持闭环控制的在多个e c u 之间高速通信的网络协议。主要 运用于载货车和客车上。它是以c a n 2 0 为网络核心。表3 1 介绍了c a n 2 0 的标准和扩展格式，及j 1 9 3 9 协议所定义的格式。表3 2 则给出了j 1 9 3 9 年的 一个协议报文单元的具体格式。可以看出，儿9 3 9 标识符包括：p r i o r t y ( 优先权 位) ；r ( 保留位) ；d p ( 数据页位) ；p d uf o r m a a t ( 协议数据单元) ；p d u s p e c i f i c ( 扩展单元) 和s o u r c ea d d r e s s ( 源地址) 。而报文单元还包括6 4 位 的数