（光学工程专业论文）并联式混合动力公交车控制策略的仿真研究.pdf

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 硕士学位论文质量要求。 答辩委员签名( 工作单位、职称) 主席：弓讥他铆堕嘻丧最 导师： 删锗j 蝴卜习面夕， 伽以蓼。勿阵 圈峻 像2 兰乞；舫炙 纰嘶 新 f：勿镰 口贝委 本学位论文作者完全了解 佥起：! ：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 授权金旦巴! ：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，可以采川影印、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川本授权1 5 ) 学位论文者签名： 签字醐：训年咐月l ，7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 孙及， 签字日期：劢f f 年口乒月 日 电话： 邮编： 并联式混合动力公交车控制策略的仿真研究 摘要 随着新型控制策略的应用，并联式混合动力公交车的整体性能得到了不断 的提高。控制策略的研究对提高混合动力公交车整体性能具有重要意义。控制 策略的设计决定了控制器的设计，对汽车的燃油经济性影响很大。制定切实可 行的控制策略是开发混合动力汽车的关键所在。本文以并联式混合动力公交车 为研究对象，对其控制策略进行仿真研究。 详细阐述了并联式混合动力公交车控制系统的工作原理，提出了混合动力 公交车多能源控制策略，为了验证所制定的控制策略是否合理，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了多能源控制策略后向仿真模型，对控制策略进行 离线仿真研究，仿真结果表明，制定的控制策略能够达到预期效果，同时为整 车控制策略研发提供了仿真平台。 为了进一步验证所制定的控制策略的正确性，基于d s p a c e 平台搭建硬 件在环仿真测试平台，根据s a ej 1 9 3 9 的c a n 通讯规范制定硬件在环仿真所 用到的c a n 通讯协议，参与整车控制器软硬件开发，通过搭建的测试平台进 行d s p a c e 硬件在环仿真试验，试验结果表明开发的整车控制器较准确地实现 了多能源控制目标，通过离线仿真和硬件在环仿真试验验证了制定的多能源控 制策略的正确性，为开发并联式混合动力公交车样车提供了依据。 最后对本课题的研究做了总结和展望。 关键词：并联式混合动力公交车；后向仿真；控制策略；d s p a c e t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo f p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u s a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fn e wc o n t r o ls t r a t e g yf o rp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u s ( p h e b ) i m p r o v e st h ep e r f o f i n a n c eo ft h ev e h i c l e r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yh a sg r e a t s i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v e m e n t o fv e h i c l e p e r f o r m a n c e t h ed e s i g n o fh y b r i d c o n t r o lu n i t ( h c u ) i sb a s e do nc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hh a sag r e a te f f e c to np h e b f u e le c o n o m y d e s i g n i n gt h er e a l i s t i ca n dp r a c t i c a lc o n t r o ls t r a t e g yi st h ek e yt o t h ed e v e l o p m e n to fp h e b t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yi sa c h i e v e d a n ds h o w ni nt h ep a p e r t h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fp h e bi si n t r o d u c e d ac o n t r o l s t r a t e g yi sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp h e b i no r d e rt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h e b a c k w a r ds i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n m a t l a b s i m u l i n ki sd e v e l o p e dt om a k eas t u d yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g ym e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h e v e h i c l ec o n t r 0 1 t h eb a c k w a r dm o d e li sn e c e s s a r yf o rt h es i m u l a t i o no fi t sc o n t r o l s t r a t e g y t h eh a r d w a r ei n t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r mf o rc o n t r o l l e r so f p h e bi sd e v e l o p e dw i t ht h em u l t i p o w e r - s o u r c ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g yf o rc o n t r o l s y s t e m s b a s e do nc a n n e t w o r ka n dj19 3 9p r o t o c o l ，an e wp r a c t i c a lp r o t o c o li s p r o p o s e df o rt h ec o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fh a r d w a r ei n t h e l o o p s i m u l a t i o ni nt h ep a p e r s i m u l a t i o na n dt e s t sa r ec a r r i e do u to nt h ep l a t f o r mb a s e d o nd s p a c e s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a ta c c u r a c yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y c a nb a s i c a l l ym e e tr e q u i r e m e n t so ft h ep r o p o s e dc o n t r o lp u r p o s ea n di ti sf e a s i b l e t ou s eh a r d w a r ei n t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r mi nt h ed e v e l o p i n g p r o c e s so fp h e b f i n a l l yt h ep a p e rg i v e ss o m ea d v i c e sa n de x p e c t k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cb u s ( p h e b ) ； b a c k w a r ds i m u l a t i o n ；c o n t r o l s t r a t e g y ；d s p a c e 致谢 本论文是在尊敬的导师孙骏副教授的细心指导帮助下完成的。孙老师在我 研究生学习期间给予了关键性的、启发性的和鼓励性的指导，对我严格要 不断要求我进步，帮助我成长，我所取得的每一点成绩都是和导师的辛勤 分不开的。孙老师严谨求实的科学态度，渊博的专业知识，忘我的工作热 及对工作一丝不苟的态度，使我终身受益。在此，我向导师表示衷心的敬 感激。 此外，尹安东副教授、江吴老师在实验阶段给予了极大的指导和帮助，对 我向他们表示诚挚的谢意。 在硕士研究生学习期间，汽车教研室各位老师不断给予我成长的机会和无 关怀。在此向各位老师表示衷心的感谢。 感谢全体0 6 班同学对我研究工作的帮助、关心和鼓励。 感谢家人对我精神上和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 作者：王修满 2 0 11 年0 3 月 目录 第一章绪论1 1 1h e v 发展简介1 1 - 2 国内外p h e v 控制策略概况4 1 3 硬件在环仿真技术5 1 4 课题来源与研究目的和意义7 1 5 主要研究内容7 第二章并联式混合动力公交车控制策略设计8 2 1 并联式混合动力公交车总体设计方案8 2 1 1 并联式混合动力系统能量流动模式9 2 1 2 并联式混合动力系统工作原理1 0 2 2 并联式混合动力公交车多能源控制目标1 1 2 3 混合动力公交车多能源控制策略设计l l 2 3 1 并联混合动力公交车控制策略的总体规则1 1 2 3 2 并联混合动力公交车多能源控制策略1 2 2 4 本章总结1 3 第三章并联式混合动力公交车仿真模型及仿真结果分析1 4 3 1m a t l a b 软件简介1 4 3 2 搭建整车仿真模型1 5 3 2 1 混合动力汽车行驶需求功率1 5 3 2 2 混合动力汽车整车仿真模块1 5 3 3s o c 计算仿真模块1 7 3 4 整车控制策略仿真模块1 7 3 5 循环工况下的仿真结果分析2 0 3 5 1 城市循环工况2 0 3 5 2 仿真结果分析2 l 3 6 本章总结2 3 第四章硬件在环仿真系统的设计2 4 4 1 基于d s p a c e 平台的系统设计2 4 4 2 仿真系统通讯协议设计2 6 4 2 1 通讯模块基本特性2 6 4 2 2m s c a n l 2 控制器应用设计2 8 4 2 2 1m s c a n l2 硬件接口设计2 8 4 2 2 2m s c a n l2 驱动软件设计3 0 4 2 3c a n 总线协议设计3 3 4 2 3 1 基于s a ej 1 9 3 9 的c a n 通讯规范3 3 4 2 3 2 混合动力汽车c a n 通讯协议的制定3 4 4 3 通讯监控工具3 8 4 4 本章总结4 0 第五章整车控制器硬件在环仿真4 1 5 1 硬件在环仿真测试平台介绍4 1 5 2 定义仿真信号4 4 5 3d s p a c e 接口4 4 5 4 硬件在环仿真结果分析4 7 5 5 本章总结4 9 第六章工作总结与展望5 0 6 1 工作总结5 0 6 2 工作展望5 0 插图清单 图卜1 单轴式p h e v 系统图3 图卜2 双轴式p h e v 系统图3 图卜3 分路式p h e v 系统图3 图卜4p h e v 整车控制器v 型开发流程图6 图2 1 并联式混合动力公交车整体布置图8 图2 2m a x w e l1b m o d 0 1 6 5 模块的串联9 图2 - 3 系统工作原理图1 0 图2 4 并联式混合动力公交车控制策略框图1 3 图3 1 整车多能源控制策略后向仿真模型1 5 图3 2 整车仿真模块1 6 图3 3 需求功率p m 计算模块1 6 图3 4s o c 计算模块1 7 图3 - 5 控制策略流程图1 8 图3 6 整车控制策略仿真模块1 9 图3 - 7 某发动机万有特性曲线2 0 图3 - 8 城市五工况循环2 1 图3 9 信号发生器产生的速度曲线2 1 图3 1 0 循环工况下发动机转速一扭矩工作点分布图2 2 图3 1 1p m - p o e 功率差值曲线2 2 图3 1 2 超级电容s o c 值变化2 2 图4 1 硬件在环仿真系统结构图2 4 图4 2 基于d s p a c e 平台的系统设计2 5 图4 3d s p a c e 平台实物图2 5 图4 4p h e b 整车控制器实物图2 6 图4 5m s c a n 模块的内部结构图2 7 图4 6 报文接收缓冲区的用户模型2 7 图4 7 报文发送缓冲区的用户模型2 8 图4 8c a n 网络结构图2 8 图4 9c t m l 0 5 0 引脚封装2 9 图4 一1 0c t m l 0 5 0 接口电路3 0 图4 一1 1c a n 网络接口电路3 0 图4 1 2m s c a n 初始化流程3 l 图4 - 1 3m s c a n 发送流程3 2 图4 - 1 4m s c a n 接收流程3 3 图4 1 5z l g c a n t e s t 通讯信息3 9 图5 1 硬件在环仿真测试平台4 1 图5 - 2 算法流程图4 2 图5 - 3c o d e w a r r i o r 5 0i d e 算法编程窗口4 3 图5 - 4 虚拟仪表控制界面4 3 图5 5d s 4 3 0 2 模块接口连接图4 5 图5 - 6d s 2 0 0 2 模块的接口连接图4 6 图5 7d s 4 0 0 2 模块的接口连接图4 6 7 8 8 8 9 4 4 4 4 4 l 2 8 6 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6o一坞约弘踮盯勰必矩们 第一章绪论 1 1h e v 发展简介 在美国、日本、德国等汽车工业发达国家，h e v 早己步入实用阶段。9 0 年 代开始，美国政府加强了与企业间的技术合作，由能源部领头、运输部及国防 部联合各大汽车公司及相关部门来展开h e v 研发工作，当前福特己开始生产混 合动力e s c a p eh y b r i d ，克莱斯勒汽车公司推出了混合动力道奇公羊，提高了约 2 0 的燃油经济性，通用汽车公司从2 0 0 4 年以来陆续推出了雪佛兰s i l e r a d o 、 g m c s i e r r a 、e q u i n o x 和m a l i b u ，据数据从2 0 0 0 年起统计，美国h e v 销售市场增 长超过了5 7 0 ，每年平均增长率达到了8 8 6 。欧洲在h e v 的研发推广方面也 取得了不错的成绩：沃尔沃汽车公司推出了f l 6 卡车改装版的h e v ，时速最高 可达9 0 k m h 1 3 】，最近德国将实施新的节能排放标准，对h e v 寄托了更多的希 望。国外混合动力公交车研制的样车和投入示范运营的主要车型如表1 1 所示 【2 - 3 1 。 表1 1 国外混合动力公交车主要车型表 车型国家结构型式状态 最高车速( k m h ) h i n oh y b r i dc r u i s i n g 日本并联产品1 3 5 h i n oh y b r i dr o u t eb u s 日本并联产品 8 0 t o y o t ac o a s t e rh e v 日本串联 产品8 0 o r i o n v i h e v b u s 美国串联产品1 0 0 i s et h u n d e rv o l tt b4 0 h 美国串联产品 1 2 2 e 1d o r a d on a t i o n a l 美国串联样车 8 0 i v e c o12 ma l t r o b u sh y b r i d 意大利串联 产品6 2 a v s 3 0 美国 串联 样车 8 8 ( 最低) a v s 3 5 美国串联样车 8 8 ( 最低) n o v a b u s u n f i x e dn a m e 美国样车 9 0 o l y m b u s ( d e s i g n l i n e ) 澳大利亚样车 8 0 v a nh o o la 3 0 b h 比利时串联 演示车 6 0 d e no u d s t e nx 9 7 荷兰串联样车8 0 混合动力公交车作为市内交通的重要组成部分，由于市区道路密度都比较 高，公交车时走时停，面临着频繁的起步和加速，造成公交车耗油量大和排放 水平差，对城市环境产生很大的污染，所以采用混合动力是很有必要的。混合 动力公交车的燃油经济性和排放特性能够得以显著改善，对国家的能源安全和 城市空气污染状况的改良有重要的意义，因此混合动力公交车已经成为世界各 国争相研究，推广的热点。我国政府也十分重视混合动力公交车的发展，先后 开展了“十城千辆 等混合动力公交车的发展规划。在国家和企业的积极参与 下，国内对h e v 的研究较为深入，东风电动车辆股份有限公司于2 0 0 3 年1 1 月在 武汉市推出e q 6 1 l0 h e v 混合动力大巴的示范运营取得了良好的社会效应，东风 电动车辆股份有限公司拥有完全自主知识产权。其整车水平国内领先，与国际 先进技术相当，某些关键技术处于国际领先水平【4 j 。国内目前正在开展混合动 力整车研发的相关单位如表1 2 所示【2 刁】。 表1 2 国内混合动力整车研发相关单位 北京工业大学混合动力大巴 北京 北京理工大学 混合动力大巴 北京交通大学混合动力垃圾清扫车 同济大学混合动力轿车 上海 上汽混合动力大巴 比亚迪混合动力轿车 武汉武汉理工大学混合动力大巴 二汽 混合动力大巴轿车 合肥安凯混合动力大巴 厦门金龙混合动力大巴 郑州 宇通 混合动力大巴 广州华南理工大学混合动力大巴 深圳五洲龙混合动力大巴 湘潭湘电混合动力大巴 长春一汽 混合动力大巴轿车 天津清源混合动力大中巴 哈尔滨中强混联混合动力大巴 芜湖奇瑞 混合动力轿车 重庆长安混合动力轿车 国内首个电动汽车产业基地于2 0 0 2 年8 月在武汉落成，国内商业燃料电池 公共汽车示范项目于2 0 0 3 年3 月在上海和北京推出。目前国内研究和发展电动 汽车超过百家，如一汽红旗的h q 3 在2 0 0 6 年投产；东风集团的混合动力客车于 2 0 0 5 年7 月完成测试和验收；奇瑞集团成立了国家节能汽车工程技术研究中心； 吉利上海华普汽车集团和同济大学签订了合作协议，预计将在3 年内完成混合 动力汽车的商业化生产；上汽集团和通用汽车签署了一项协议，共同开发混合 动力汽车和公共交通巴士；中兴在汽车混合动力技术、转子发动机技术和美国 的梅耶尔丽邓普顿集团签订了合作意向书。2 0 10 年9 月，国务院审议并原则通 过国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，新能源汽车成为七 2 个中国的战略性新兴产业之一。随着中国成为全球最大的汽车销售市场，中国 汽车业也进入发展新阶段【5 】，未来五年，中国汽车业将从过去的做大规模转向 做强实力，一方面提倡发展包括新能源汽车在内的节能汽车；另一方面，提倡 通过兼并重组、淘汰落后产能来解决结构性产能过剩问题。由科技部牵头的电 动汽车科技发展“十二五”专项规划已制订完毕，小型化和汽车电气化是中国 汽车未来发展的两大方向 5 - 6 】。 与传统内燃机汽车相比，h e v 具有高性能、低能耗和低污染等特点，目前 常见的h e v 根据动力系统的连接方式可分为三类【4 】：串联式、并联式和混联式， 其中并联式结构是在传统内燃机系统中加上一套电驱动系统，主要包括内燃机、 电机及变速器等。根据电机和离合器的布置位置、电机、离合器及变速器的使 用数量，并联式按结构又可分细为单轴式、双轴式和分路式p h e v 动力系统， 其结构如图1 1 至图1 3 所示。 图卜1 单轴式p h e v 系统图 如图1 1 1 所示，发动机通过离合器，再由主传动轴连接变速器，电动机转 矩由齿轮与内燃机的转矩在变速器前耦合，传递到驱动轮上的功率等于发动机 与电机的功率之和。 图卜2 双轴式p h e v 系统图 如图卜2 所示，双轴并联式系统拥有两个变速器，分别与发动机和电机相 连。电机和发动机通过各自的变速器后经齿轮系进行耦合传递到驱动轮，同时 可以调整二者间的转速比例。 图卜3 分路式p h e v 系统图 如图卜3 所示，分路式p h e v 系统的发动机和电机各自拥有一套动力系统， 发动机和电机可以各自驱动前轮或后轮，通过转速来耦合，有的分路并联式系 统中的电机可以直接驱动前轮或后轮。 总之，p h e v 结构形式比较灵活，适用范围广，特别适用于一些比较复杂的 王 王 行驶工况。不同结构形式的p h e v 有不同的能量流动方式，同时不同结构形式p h e v 的控制难度和成本也不一样。通常情况要获得更好的控制效果，整个系统成本 也会相应的增加。 1 2国内夕 p h e v 控制策略概况 采用不同的控制策略是为了达到最优的设计目标，其主要目标为：最佳的 燃油经济性、最低的排放、最低的系统成本和最佳的驱动性能【6 。9 】。目前，国内 外常用的p h e v 控制策略有电气辅助控制策略、s o c 扭矩平衡控制策略、实时 最优控制策略、模糊逻辑控制策略和逻辑门限值控制策略等。但是是从工程应 用的角度来看，目前在实车上应用的仍以逻辑门限值控制策略为主 9 - 1 0 】，该策 略既简单又易于实现。 ( 1 ) 电气辅助控制策略：它是一种恒定发动机工作区域的控制策略【1 1 】，汽车行 驶时发动机提供主要动力源，电机根据行驶工况可以助力或在制动减速时 回收制动能量，电机对发动机的扭矩起到调节的作用，保证超级电容或电 池的s o c 值在控制策略设定的逻辑门限值范围内变化。它的主要优点是控 制起来简单，只要将优化区域限制在相应的区域即可，但是控制精度相对 偏低一点，无法实时的考虑超级电容或电池电量的充电“力度”问题，从 而降低超级电容或电池的整体性能和使用寿命。另外将超级电容或电池的 s o c 值作为控制目标，使发动机受限于s o c 值而不能确保总是处于最佳 工作区，也没有很好的考虑排放问题，因此还需要与其它策略配合使用更 好。本田的i n s i g h t 和雪铁龙的x s a r a 均采用了这种控制策略【”】。 ( 2 ) s o c 扭矩平衡控制策略：根据超级电容或电池的s o c 值和需求的扭矩之间 产生一个修正的扭矩。2 1 ，使超级电容或电池的s o c 状态维持在限高值和 限低值的中间，并且让发动机围绕着高效区工作。该策略的控制思路与电 气辅助控制策略的思路差不多，区别的地方是为了满足超级电容或电池充 电的需求，在发动机实际需要提供多少扭矩的基础上再多提供一些，而 s o c 扭矩策略是由s o c 的当前值和扭矩比来修正发动机的。 ( 3 ) 实时最优控制策略：发动机燃油消耗和排放同时作为考虑因素，将所需扭 矩合理地分配给发动机和电机【l 引，对发动机的燃油经济性及各种排放物进 行折中考虑，确定实时最优化且最小化的目标函数【6 】，该目标函数如公式 ( 1 1 ) 所示： 一书禽二一越 式中m ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 为权重系数。现代汽车控制系统的实时性要求都较高， 实时最优控制虽然控制效果实现了最优，但整个优化计算过程复杂费时， 4 大量的运算和精确的能量回收预测模型的实现也比较困难。目前对h e v 实 时最优控制策略的研究主要集中在：多目标优化和功率分配优化方面【6 j 。 模糊逻辑控制策略：同时对发动机、电机、超级电容或电池进行优化控制， 综合考虑各个主要部件的效率，如果要提高h e v 的燃油经济性，就应该让 发动机工作在高效区。但是发动机工作点是非线性的，须通过模糊逻辑优 化发动机扭矩和超级电容或电池s o c 值达到其最优工作点，提高燃油经济 性，改善排放状况，延长超级电容或电池使用寿命。模糊逻辑控制策略实 时性和精确度均可兼顾，在现代汽车控制系统中应用较广泛，但是对于 h e v 动力系统，电机工作点也是非线性的，可以采用发动机用模糊逻辑控 制和电机用电力辅助控制想结合的方法【l 卜1 3 】。 逻辑门限值控制策略：主要根据工程经验，依据静态参数组来限定发动机 的工作区域，通过预先设定的规则判断来确定混合动力系统的工作模式， 由部件的稳态效率图来确定如何进行发动机和电动机之间的动力分配，该 策略算法简单，容易实现1 1 4 。1 引，且具有很好的鲁棒性。 1 3 硬件在环仿真技术 d s p a c e 是德国19 8 8 年成立的一家国际性高科技公司，公司目前主要产品 方向：为控制工程项目的开发和测试提供软硬平台。d s p a c e 提供了快速控制 原型( r c p ) 和硬件在环仿真( h i l s ) 应用的统一平台。d s p a c e 实时仿真系 统是由d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及测试 的工作平台，实现了和m a t l a b s i m u l i n k 的完全无缝连接【”】。 硬件在环仿真技术是随着控制技术和计算机技术的发展而逐渐发展起来的 一门新的技术，是传统的工程试验技术方法的一项重大突破，混合动力汽车整 车控制器硬件在环仿真系统的开发，为混合动力汽车整车控制器系统的设计和 开发提供了便利的条件。硬件在环仿真是通过电脑与硬件电路相连接进行仿真， 电脑向电路发送仿真数据，电路再将仿真得到的结果上传给电脑，然后由软件 或人工对数据进行分析，从而判断硬件的运行情况。硬件在环仿真根据c a n 总 线通讯和w i n d o w s 多窗口的图形化用户界面来实时观察仿真结果，d s p a c e 硬 件在环实时系统具有组合性强、对产品型实时控制器的支持性强、快速性好和 灵活性强等其它仿真系统所不具备的优点，主要用于各种汽车控制器的开发、 发动机及工业控制等领域。在p h e v 整车控制器的研发过程中，多能源控制策 略的制定和优化是关键，硬件在环仿真技术的应用可以快速建立系统模型，对 各部件参数进行优化匹配，该系统可以较好的解决：完成实际中无法进行或费 用昂贵的测试、极限测试和失效测试、重复或自动进行模拟危险情况而不产生 实际危险的测试等( 19 。2 1 1 。 p h e v 融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，是解决排污和能源问题最具 现实意义的途径之一，但是p h e v 需要发动机、电机和超级电容等部件协同工 作来提高燃油经济性，降低污染物的排放。混合动力汽车采用多重能源结构和 复杂的电气系统，传统的机械式控制系统已经远远不能满足混合动力汽车对于 动力性、经济性、安全性和排放特性的需求，同时p h e v 根据行驶工况按照制 定的多能源控制策略经常性地切换工作模式，这对整车控制器h c u 软硬件的 开发提出了更高的要求。为了实现控制器软硬件、电控系统和整车零部件的并 行开发( 即集产品的设计、实现、测试和生产准备于一体) ，德国d s p a c e 公司 开发的d s p a c e 实时仿真系统能够较好地解决以上问题。本文中p h e v 整车控 制器的开发便采用d s p a c e 实时仿真系统的v 型开发流程进行硬件在环仿真调 试，其流程图如1 4 所示，先从上层到底层，再由底层返回上层的一个v 字形 过程【1 9 - 2 2 1 。 图卜4p h e v 整车控制器v 型开发流程图 p h e v 整车控制器v 型开发流程分为五个环节，具体每一个环节的任务如 下： ( 1 ) 离线功能仿真：首先进行p h e v 整车控制器的需求分析，对被控对象进行 系统辨识和建模，根据被控对象模型确定控制策略，然后进行被控对象和 控制策略的离线联合仿真，确定所设计的控制策略是否合理。通常采用 m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建仿真模型，同时可以对所搭建的模型进行动态离 线仿真，及时发现问题，解决问题，避免到试验阶段才发现所设计的方案 存在问题。 ( 2 ) 快速控制原型：利用计算机辅助软件自动地将控制方案框图转换为代码， 然后自动下载到实时硬件仿真平台，可以很快实现控制系统的原型。 ( 3 ) 目标代码生成：d s p a c e 的r t i 实时接口将搭建的s i m u l i n k 模型自动生成 代码，然后下载到实时硬件系统中。一般几分钟时间便可以完成模型的修 改到下次对原型的测试，方便快捷。 ( 4 ) 硬件在环仿真：d s p a c e 实时硬件系统拥有大量i o 接口模块库，通过使 用模块与s i m u l i n k 搭建的控制策略相结合，使用者不用再花大量的时间去 写接口代码，控制策略便可以在实时硬件系统中进行调试。 ( 5 ) 台架及装车实验：在最终新产品推出前，对控制器的一些参数进行修正完 6 善，主要根据开发产品具体的运行环境来定。 利用硬件在环仿真计算可以加快整车控制器的软硬件开发速度，同时开发 出来的整车控制器的可靠性也较好。由于硬件在环仿真平台可以模拟某些特殊 的行驶工况，可以对混合动力汽车的整车控制器做尽可能全面的测试，在实车 试验中也是难以模拟的。另外可以缩短样车开发周期，降低开发费用，很多高 校和企业科研单位都进行了混合动力整车控制器h c u 的硬件在环仿真系统的 研究，这样可以模拟各种行驶工况来验证控制策略的正确性，同时还具有良好 的可扩展性，适用于其它车型。 1 4 课题来源与研究目的和意义 ( 1 ) 来源：合肥工业大学与某公司合作的“混合动力公交车研发 项目。 ( 2 ) 目的：分析比较各种并联式混合动力公交车控制策略的优缺点，确定整车 多能源控制策略，然后利用m a t l a b s i m u l i n k 软件，搭建并联式混合动 力公交车的整车多能源控制策略仿真模型并进行仿真研究，为开发并联式 混合动力城市公交车样车做准备。 ( 3 ) 意义：由于并联式混合动力系统由多个部件组成，并联式混合动力系统的 控制策略成为混合动力汽车的核心技术。利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建 立的整车多能源控制策略仿真模型，计算简便，成本低廉，大大提高了整 车控制器的开发效率，可以缩短样车的开发周期。 1 5 主要研究内容 ( 1 ) 比较分析国内外常用的并联式混合动力公交车的多能源控制策略的优缺 点，确定本课题研究的整车多能源控制策略。 ( 2 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建整车多能源控制策略后向仿真模型，进 行离线仿真研究，验证制定的控制策略是否合理。 ( 3 ) 为了进一步验证制定的多能源控制策略的正确性，基于d s p a c e 平台搭 建硬件在环仿真系统，根据s a ej 1 9 3 9 的c a n 通讯规范制定硬件在环仿 真系统c a n 通讯协议，参与整车控制器( m c 9 s 1 2 x d t 5 1 2 ) 软硬件开发。 ( 4 ) 通过搭建的d s p a c e 硬件在环仿真测试平台，进行d s p a c e 硬件在环仿真 试验，通过离线仿真和硬件在环验证试验来确定制定的多能源控制策略的 正确性。 第二章并联式混合动力公交车控制策略设计 并联式混合动力系统拥有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系 统。这两个系统结合的纽带就是混合动力汽车的整车控制系统，实现整车控制 系统各项控制功能的算法称为控制策略。控制策略设计水平的高低直接关系到 p h e b 的整车性能【2 3 。2 4 1 。本章针对并联式混合动力公交车，为整车控制系统设 计了一个易于实现的多能源控制策略( 如图2 - 4 所示) ，在不同的行驶工况下，根 据制定的多能源控制策略，两个系统既可以同时协调工作，又可以各自单独工 作。p h e b 控制策略的最终目标是通过协调控制控制混合动力驱动系统在满足车 辆行驶动力性能的前提下，提高整车燃油经济性，让发动机尽可能的运行在高 效区，同时保持超级电容荷电状态在一定范围内变化。 2 1 并联式混合动力公交车总体设计方案 本设计方案中，传动系统包括发动机、电机、变速器、耦合器、主减速器。 电机配合发动机提供的转速，提高传动扭矩，使发动机处于高效区，因此选择 耦合器置于变速器后端，并联式混合动力公交车整体的布置方案如图2 1 所示。 发动机- 一i _ 变速器 扭 专 1i 矩 耦 厶 f 超级电容ii 电机 口 器 ii 图2 1 并联式混合动力公交车整体布置图 其中本设计采用的m a x w e l1b m o d 0 1 6 5 一p 0 4 8 超级电容( 如图2 - 2 所示) ，其 中每个超级电容模块参数如表2 - 1 所示，采用1 0 个超级电容模块串联。 表2 1 超级电容模块参数 i货号单体容量( f )单体工作电压( v )内阻( m q ) b m o d 016 5 一p 0 4 81 6 54 8 65 2 图2 - 2m a x w e l lb m o d 0 1 6 5 模块的串联 2 1 1 并联式混合动力系统能量流动模式 在不同的行驶状况下，并联式混合动力公交车各动力总成的能量流动方式 不同，对能量流动形式的研究对制定切实可行的控制策略具有重要意义【1 0 】【18 1 。 根据车辆行驶工况和超级电容的荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ，超级电容的 剩余电量占电容容量的比值) 来确定行驶模式，达到满足车辆行驶需求功率的 前提下提高发动机的燃油经济性，且使超级电容在规定范围内工作。并联式混 合动力公交车的能量流动有如下几条路线： ( 1 ) 超级电容一电动机一耦合器一驱动轮； ( 2 ) 发动机一耦合器一驱动轮； ( 3 ) 发动机一发电机一超级电容； ( 4 ) 驱动轮一耦合器一电动机一超级电容。 以上能量流动路线反映了该并联式混合动力公交车的四种工作模式，分别 是混合驱动模式、传统模式、充电模式和再生制动模式。 ( 1 ) 混合驱动模式：在启动、加速和爬坡时，避免发动机工作在低效区，电机 助力和发动机联合提供车辆行驶需求功率。 ( 2 ) 传统模式：如果发动机工作在相对高效区，电动机不参与工作。 ( 3 ) 充电模式：汽车行驶过程中，超级电容组s o c 值低于预先设定的最低逻辑 门限值，发动机最佳输出功率超过此时车辆的需求功率，电机利用发动机 富余的功率发电给超级电容组充电，使超级电容组s o c 值达到预先设定的 最高逻辑门限值。 ( 4 ) 再生制动模式：汽车制动减速时，发电机将驱动轮的动能转化为电能，回 收再生制动能量给超级电容组充电，直到超级电容组s o c 值达到预先设定 的最高逻辑门限值。 9 的能量流动 略。 变速箱、 _ ) 】口遵、制动，离台器踏板、档位 图2 3 系统工作原理图 整车控制器( v c u ) 通过采集加速踏板、制动踏板、档位信号和离合 器踏板等信息来判断驾驶员意图，计算出目标牵引转矩，同时以发动机油 耗最小为原则，实时参考电机外特性、发动机外特性和储能系统的边界条 件，对电机和发动机进行转矩分配，再将电动机和发动机的转矩进行耦合 传递到驱动轮，按照驾驶员的意图驱动车辆行驶。随着车辆行驶工况的不 断变化，电动机的工作状态也随之变化，具体分为以下几种【2 4 2 5 】： ( 1 ) 电动机再生制动状态：车辆制动减速时，电动机利用驱动轮的动能，将车 辆制动时产生的制动能量转化为电能存储到储能系统。 ( 2 ) 电机助力状态：当超级电容系统存储电能达到一定容量时，根据驾驶员意 图，电机为整车起步或加速提供助力，减少发动机的功率输出以减少油 耗。 ( 3 ) 发动机轻载发电状态：当发动机负载较轻时，电机发电，增加发动机载荷， 改善发动机排放，一定程度上减少油耗。 ( 4 ) 电机不工作。 1 0 ( 4 ) 并联式混合动力公交车多能源控制目标 各种h e v 存在结构上的差异，因而需要采用不同的控制策略来解决不同元 功率流的流向问题，不同的控制目标要采用不同的控制策略，在h e v 总成 实现的控制目标主要有6 】【1 4 】： 拥有良好的燃油经济性； 保持优良的驱动性能，同时尽量降低系统成本。 鉴于p h e b 混合动力系统的结构特点，在制定整车多能源控制策略时，应 合考虑的问题如下： 保持内燃机工作在高效区。在低转速和小负荷时，提高发动机转速和转矩； 在高转速和较大负荷时，降低内燃机转速和负荷。 避免内燃机频繁启动和关闭，尽可能降低内燃机启动阶段的污染物排放 量。 保持合适的超级电容组的荷电状态。超级电容组的s o c 值变化应保持在一 定范围内变化，以便在汽车加速时能提供足够的功率，在汽车制动或下坡 时能回收制动能量。 保持安全的超级电容组电压。在超级电容组充放电时，超级电容的电压会 发生很大变化，应避免超级电容组电压过低或过高。 2 3 混合动力公交车多能源控制策略设计 2 3 1 并联混合动力公交车控制策略的总体规则 本方案中动力系统以内燃机为主要动力源，电机为辅助动力源。内燃机动 力输出动态响应慢，电机瞬间动力驱动响应快，能量回收效率高，利用电机工作 特点来优化内燃机工况，尽可能的让内燃机运行在高效区，同时限制内燃机功率 瞬时变化的速度和幅度( 内燃机功率的迅速变化将极大地损害内燃机的效率和 排放性能) ，另外保持超级电容组的荷电状态s o c 在一定范围内变化。并联式 混合动力公交车控制策略的总体规则如下 2 6 - 2 9 】： ( 1 ) 起步和怠速停车 当车辆