混合动力汽车能量分配控制毕业论文.doc

混合动力汽车能量分配控制摘 要混合动力汽车是介于传统内燃机汽车与纯电动汽车之间，是典型的过渡型汽车。它秉承了两者的优点，但有两个动力源，也就注定它的控制更复杂。本论文以某型并联混合动力汽车为设计对象，采用模糊控制方法来设计控制器，以此来提高燃油经济性和减少污染排放。模糊控制器通过对引擎和电机的期望转矩进行分配，实现整个循环工况电池荷电状态SOC平衡，且使发动机工作于高效率区。为了验证能量分配控制策略的有效性，在ADVISOR平台上进行仿真，并与电力辅助控制策略下的混合动力汽车进行比较，表现在燃油性、发动机效率、荷电状态SOC值的变化范围以及污染排放物等方面的比较，分析结果表明模糊控制下的混合动力汽车在各方面都有很好的改善。再生制动是混合动力汽车控制系统中不可或缺的一部分，所以最后，又对混合动力汽车的再生制动控制进行介绍，并设计了再生制动控制策略。关键词：混合动力；模糊控制；电力辅助控制；转矩分配 AbstractHybrid electric vehicle is between the traditional internal combustion engine vehicles and pure electric vehicles, and is the typical transition of cars. It inherits the advantages of both, but there are two sources of power, and means that it is more complex. In this thesis, a certain type of parallel hybrid electric vehicle design object, the fuzzy control method to design the controller, in order to improve fuel economy and reduce pollution emissions.Fuzzy controller on the expectations of the engine and motor torque distribution, the entire driving cycle the battery state of charge SOC balance, and make the engine work in high efficiency area. In order to verify the effectiveness of control strategies of energy allocation in the ADVISOR simulation platform, and with the power assist control strategy of hybrid vehicles to compare the performance of fuel sexual, engine efficiency, state of charge SOC value range, and pollution emission, and other aspects of comparison, comparative analysis results show that fuzzy hybrid vehicles under the control of various aspects in a very good improvement.Hybrid electric vehicle regenerative braking is an integral part of the control system, therefore, in the final of the hybrid electric vehicle by the regenerative braking control are introduced, and regenerative braking control strategy designed.Keywords: hybrid electric vehicle, fuzzy control, power assist control, torque distribution目 录第1章绪论11.1 概述11.1.1 混合动力汽车概念11.1.2 混合动力电动汽车的特点11.1.3 混合动力汽车分类21.2 混合动力汽车的关键问题与发展前景41.2.1 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术41.2.2 混合动力汽车的发展前景51.3本章小结5第2章混合动力汽车整车建模62.1 混合动力汽车仿真平台软件ADVISOR介绍62.2 汽车动力学模型72.3 发动机模型82.4 电动机模型92.5 蓄电池模型102.6 传动系模型112.6.1 离合器模型112.6.2 变速器模型132.6.3 驱动桥模型132.7 本章小结14第3章 并联式混合动力汽车能量管理策略的设计153.1 控制策略简单介绍153.1.1 电力辅助控制策略153.1.2 实时控制策略173.1.3 模糊控制策略173.2 模糊控制策略的设计183.2.1 设计思想183.2.2 模糊转矩控制器设计183.2.2.1 隶属度函数183.2.2.2 规则库193.3 整车性能仿真与实验验证213.3.1 仿真的参数及测试条件213.3.2 模糊控制器在ADVISOR中的实现223.3.3 仿真结果及分析233.3.4 模糊控制策略与电力辅助控制策略进行比较253.4 本章小结26第4章 再生制动时的能量控制策略274.1 再生制动影响因素274.2 混合动力汽车再生制动分配274.3 混合动力汽车再生制动控制策略284.4 本章小结31全文总结32参考文献33致 谢35混合动力汽车能量分配控制第1章 绪论1.1 概述1.1.1 混合动力汽车概念混合动力汽车英文缩写为 HEV（Hybrid Electric Vehicle)， 根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议，对混合动力汽车的定义1为：多于一种能量转换器来提供驱动动力的混合型电动汽车。另外，也可将 HEV 做以下简单定义，即将电力驱动和辅助动力单元 APU Auxiliary Power Unit 合用到一辆车上。它继承了电动汽车低排放的优点又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性增加了电动汽车的续驶里。要制造低能耗、低污染的新型混合动力汽车，就必须对内燃机和电机的相互配合工作进行相应合理的控制，因此，需要良好的能量分配策略。1.1.2 混合动力电动汽车的特点混合动力汽车具备多个动力源(主要是内燃机和电动机)，并根据情况将几个动力源，同时或单个使用以驱动机动车辆，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。混合动力电动汽车的优点是：（1）采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电。因此，续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平。（2）与纯内燃机相比，混合动力汽车采用了高功率的储能装置（飞轮、超级电容器或蓄电池等）向汽车提供瞬时能量。 因有储能装置，可以方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。在繁华市区，可关停内燃机，由电机单独驱动，实现“零”排放。因此，经济性和排放性明显改善。（3）与纯电动车相比，空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性。（4）混合动力汽车技术难度相对较小，成本相对较低。易于满足未来排放标准和节能，且目标市场接受度高。混合动力汽车的缺点：(1)由于有多个动力源而成本提高，如何实现多个动力源的配合工作成为混合动力车要解决的关键问题。(2)由于有多个动力源，增加了质量和所必需的装载空间，这就降低了混合动力汽车的有效负载能力。1.1.3 混合动力汽车分类混合动力汽车的分类方法很多，一般最常见的是根据动力传动系统布置形式以及按照混合度来进行分类。按照传动系统布置形式，可以分成串联式、并联式和混联式。近年来，随着混合动力技术的发展，除了串联式、并联式和混联式的结构以外，越来越多其他型式的混合驱动系统正在被开发出来。除按照动力系统各部件的布置方式来分类外，按照“混合度”来对混合动力汽车系统进行分类的方法也被广泛采用。虽然到目前为止，尚没有统一明确的关于“混合度”2的定义，但通常混合度可表示为： （1.1）其中，为混合度，为电机功率 ，为发动机功率。根据混合度来分类，混合动力汽车可以分为弱混、中混和强混。一般而言，弱混可实现怠速停机、快速启动发动机、再生制动和电机助力功能，而强混除了上述功能以外还可以实现纯电动行驶功能。按照动力系统各部件的布置方式来分类，串联式、并联式、混联式。简单介绍如下： 1串联式混合动力汽车串联式混合动力汽车的驱动系统和纯电动汽车相类似，它主要是由发动机、发电机、蓄电池、电动机和控制器等部件以串联方式连接组成。由发动机带动发电机所产生的电能和蓄电池等储能装置输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶。因发动机与驱动桥无直接的机械连接，只有电动机与其驱动桥有机械连接，所以电力驱动是唯一的驱动模式。串联式混合动力汽车的结构形式较为简单，典型结构如图1.1所示：驱动桥发动机发电机控制器电动机储能装置i机械连接电气连接图1.1 串联式驱动系统原理简图2并联式混合动力汽车并联式结构混合动力汽车，其原理驱动系统原理简图如图1.2所示。发动机与电动机并联，可以同时或单独驱动车轮。由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，所以系统效率较高，燃油消耗也较少。但发动机与驱动桥之间的机械连接，使得发动机不都是在最佳工况点附近运行，其要受到汽车具体行驶工况的影响。并联式HEV也可以在比较复杂的工况下使用，应用范围比较广，但是对内燃机工作状态的优化和对能量系统的管理，则提出了更高的要求。驱动桥发动机动力复合分配装置电动机/发电机储能装置i机械连接电气连接图1.2 并联式驱动系统原理简图3混联式混合动力汽车发动机发电机动力复合分配装置电动机储能装置i驱动桥机械连接电气连接行星齿轮控制器图1.3 混联式驱动系统原理简图混联式驱动系统原理简图如图1.3所示，其驱动系统是利用发动机与电动机驱动汽车。目前的混联式结构，一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。将发动机的动力分成两份，一部分机械能通过机械传动输送给驱动桥，而另一部分通过发电机发电输送给电动机或对蓄电池充电。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。混联式混合动力系统，充分发挥了串联式和并联式的优点。但混联式结构复杂、控制繁杂困难、成本高。1.2 混合动力汽车的关键问题与发展前景1.2.1 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术简单描述，如下方面3,4,5：（1）因混合动力有多种动力源，如何实现两种动力的最优分配控制是关键问题也是症结所在。即，发动机工作在最佳工况区域、油耗和排污最低、电动机发挥其最大优点、延长蓄电池的使用寿命。（2）能量存储装置。对蓄电池的研究主要围绕快速充电能力、较高的比能量和比功率、提高充放电效率、降低电池的重量和成本及延长使用寿命等关键问题。（3）混合动力单元技术。要提高混合动力单元燃料经济性，降低排放，目前的研究主要中于：一是燃烧系统的优化；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统；三是代用燃料的研究。（4）电力驱动系统。电力驱动系统是由电机、高压电路等组成的。电机必须要具有良好的可控性和容错能力，以及具有低噪声、高效率的特点。1.2.2 混合动力汽车的发展前景混合动力电动汽车，具备了良好的动力性能，良好的燃油经济性，清洁环保，经济实用。HEV 既继承了纯电动汽车作为“绿色汽车”的节能低排放优点，又弥补了电动汽车续驶里程短的缺点，并且生产成本较纯电动汽车低，因而成为最近几年来汽车行业研究的一个热点。虽然它有传统汽车和电动车不可比拟的优点，但是其油电模式，仍然不可避免的消耗石油资源。从长远来看，油电混合电动汽车仍然不能彻底解决能源紧张的问题。只是鉴于电池技术的不成熟和石油的匮乏，混合动力汽车就成了未来主流汽车的一种过渡形态。尽管如此，混合动力汽车在未来510 年内仍有广阔的发展前景。1.3本章小结本章首先介绍了混合动力汽车的概念并简单介绍了其特点，然后较详细分析了混合动力汽车的分类。指出了混合动力汽车所要解决的关键问题，最终，展望了其未来发展前景。第2章 混合动力汽车整车建模任何车辆控制系统的构成都包括三大组成部分，即控制算法、传感器技术和执行机构的开发。作为控制系统的关键，寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制算法，则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合，且主要以计算机建模与仿真分析以及实时控制试验为研究于段。本文正是基于MATLABSIMULINK环境下开发的电动汽车仿真软件ADVISOR，分别建立了汽车动力学模型、发动机模型、电动机模型、蓄电池模型和传动系模型。2.1 混合动力汽车仿真平台软件ADVISOR介绍ADVISOR是由美国国家再生能源实验室于1994年为配合PNGV项目而开发的基于MATLABSIMULINK平台上运行的混合动力汽车仿真软件，其界面如图2.1。下面对ADVISOR的功能，做简要介绍：（1）估计汽车的燃油经济性，比较汽车在各种循环工况下的燃油消耗与排放（2）考查汽车包括传统汽车混合动力汽车和电动汽车驱动链之间如何工作（3）评价混合动力汽车的控制策略，并进行控制参数优化匹配图2.1 ADVISOR软件界面ADVISOR不仅能够对混合动力串联和并联进行仿真，当然也能对传统汽车进行仿真，还能够对先进的燃料电池汽车进行仿真。更为强大的是，它提供一个开放的开发环境，可以非常方便用户增加自己所需模块，并利用其自带成熟模块来实现组装功能增强的车型。2.2 汽车动力学模型汽车动力学模型建立在车轮力平衡基础之上,同时必须在仿真计算的各个时间段内给出功率的平衡式,由汽车动力学方程和功率平衡方程构成。 (2.1)或 (2.2)设加速度为a(m/)： (2.3)加速度对时间积分，可得到模型的输出变量车速 (2.4)式中: 为驱动力；为滚动阻力；为坡道阻力；为迎风阻力；为加速阻力；发动机扭矩；为电动机扭矩；传动系传动比；为主减速器传动比；为传动系效率；r为滚动半径；m为整车质量；f为滚动阻力系数； 为坡度角；为风阻系数；A为迎风面积；v为车速；为惯性质量换算系数。对于并联混合动力汽车而言,电动机与发动机的功率之和与车辆行驶阻力功率的平衡式为: (2.5)式中:为发动机功率； 为电动机功率。2.3 发动机模型发动机是混合动力汽车的主要动力源,建立发动机的模型主要是对发动机各个工况下的动力性、经济性和污染物排放等性能指标进行预测。发动机模型主要包括动力学计算模型，油耗和排放计算模型。1)发动机动力学模型 (2.6)式中，为发动机产生扭矩；为节气门开度；(rad/s)为发动机转速考虑惯性损失，则： (2.7)式中，为发动机产生扭矩，为发动机的转动惯量。2)发动机油耗和排放计算模型发动机油耗和排放计算模型的输入为发动机状态。，发动机转速，发动机产生的转矩。发动机模型的油耗计算公式： (2.8)排放计算公式： (2.9)其中，为发动机单位时间的燃油消耗量(g/s)；为单位时间的污染物的排放量。由于发动机冷起动时的油耗和排放要高于发动机热机工作的油耗，为了更准确得计算油耗和排放，需要引入温度校正，定义油耗和排放修正系数为： (2.10) (2.11)其中，、分别为发动机冷机的油耗排放校正值和热机油耗排放值，为发动机冷却液温度关系系数，为发动机冷却液温度。2.4 电动机模型该模型采用顺逆序相结合计算方法，并结合电机的转矩特性和效率特性的试验结果,采用线性求解方法建立仿真模型，建模过程中主要考虑了电机性能限制与电机内的热交换。在顺序计算模型中，根据电机模型的目标功率计算出可得到输出转矩和转速，工作过程中输入能量与输出能量的差值为电机产生的热能；逆序计算模型中，转化电机目标转矩和转速为目标功率，通过一系列的性能限制，计算满足车辆运行性能要求的电机运行性能。它共包含六个子系统：转速估计子系统，转动惯量子系统，扭矩限制子系统，扭矩功率比例子系统，扭矩输出子系统，电热力学子系统。1、转速估计子系统电机的转速由汽车的行驶状态决定:1)当汽车加速时，电机转速为目标转速： (2.12)2)汽车减速或匀速时，电机转速为当前转速： (2.13)2、转动惯量子系统电机工作时，须提供额外的惯性转矩： (2.14)式（2.14）中，其中，转子的转动惯量；为电机与车轮的转速比；为整车质量；为电机转速。3、扭矩限制子系统电机工作特性受到最大工作转矩的限制： (2.15)其中，为电机的目标转矩；为电动机在当前工作状态下的最大工作转矩。2.5 蓄电池模型蓄电池作为混合动力汽车的电力能源储存装置,为混合动力汽车的驱动提供动力支持，同时,在减速/制动过程中回收能量,从而实现减少能量消耗的目的。蓄电池的建模方法经历了原始的铅酸电池模型、内阻模型和电阻电容(RC)模型。目前,较为广泛采用的建模方法是内阻模型(RINT)法,内阻模型(RINT)法就是将电池等效为一个电压源和一个电阻(电池的内阻)串联而成的开环电路模型。电池内阻模型的结构如图2.2所示， 模型的输入为需求功率（W），输出为实际功率和蓄电池的SOC值。当0，功率需求为正，电池放电；当0，功率需求为负，电池充电。 图2.2 蓄电池模型的等效电路图等效内阻和蓄电池开路电压都是SOC和温度的函数，在MATLAB中，利用Interpolation内插值功能二维查表确定和的值： (2.11) (2.12)等效电路基本方程： (2.13) (2.14)其中，I(A)是蓄电池充放电电流， 是总线电压，是蓄电池实际输出电功率。2.6 传动系模型传动系统模型包括离合器模型、变速器模型(主减速器、差速器)和驱动桥模型。为车辆产生运动提供所需的推力和牵引力，改变传动比，使动力总成提供的扭矩适应车辆牵引力的瞬间需求。2.6.1 离合器模型膜片弹簧离合器接合过程中通过摩擦实现动力传递与中断，离合器动力传动系统简化模型6如图2.3所示。图2.3 离合器传动系统数学模型简图系统动力学方程如下： (2.15) (2.16)其中，为发动机输出扭矩（）；为离合器实际传递扭矩（）；为作用在离合器上的阻力矩（）；为发动机转速（）；为离合器从动盘转速（）；为发动机曲轴、飞轮以及离合器主动片的当量转动惯量（）；J为变速箱、差动器、轮胎以及整车在离合器从动轴上的当量转动惯（）；为变速器传动比；为主传动比。离合器模型在ADVISOR仿真软件上的实现如图2.4所示，该子系统在汽车中的作用：离合器模块通常传送从变速器到发动机FC的转速和转矩要求；同时也传送实际的转矩和转速，即从发动机FC到变速器gearbox。图2.4 离合器在ADVISOR中的SIMULINK模块实现2.6.2 变速器模型变速器是汽车中从动力源到车轮的重要传动部件，将动力系统传过来的转速和转矩通过变速齿轮的减速增矩传递到驱动桥，改变动力输出的转矩和转速变化范围，从而满足汽车不同的行驶条件和工况要求。变速器对传统汽车和并联混合汽车是非常关键的，而一般对串联混合汽车并不重要。在ADVISOR中的变速器模块通常和后驱(fd)、发动机(fc)、扭转偶合器(tc)或电机(mc)模型交换物理量信息（如扭矩，转速和功率）。影响变速器扭矩和转速包括：1、通过齿轮比减速增扭2、齿轮旋转造成扭矩损失3、加速转动惯量造成扭矩损失变速器模型在ADVISOR仿真软件上的实现如图2.5所示：图2.5 变速器在ADVISOR中的SIMULINK模块实现2.6.3 驱动桥模型驱动桥处在动力传动系的末端，其作用是将转矩和转速最终传递到驱动轮。由于模型的输入输出关系比较简单，公式不再罗列。2.7 本章小结本章首先简单介绍了混合动力汽车仿真软件ADVISOR界面及功能，然后较详细阐述了并联混合动力汽车动力几个主要部件的数学模型。由于混合动力系统自身及其各部件之间的协调工作复杂，建立系统的精确数学模型非常困难，因此本章采用了实验建模为主、理论建模为辅的建模方法。 第3章 并联式混合动力汽车能量管理策略的设计能量管理策略是混合动力汽车技术的核心部分，混合动力汽车之所以能实现油耗低和排放少，基本依赖于能量管理策略。能量管理策略的主要控制目标是提高汽车的燃油经济性，同时兼顾发动机排放、蓄电池寿命、驾驶性能及整车成本等多方面的要求，并针对混合动力汽车各部件的特性和汽车的运行工况，使发动机、电机、蓄电池和传动系统实现最佳匹配。并联式混合动力汽车的控制策略主要从以下几个方面考虑的，尽可能在汽车怠速和低速时关闭发动机，从而充分利用电机的低速大扭矩的特性。在巡航时候，首先使发动机工作在最佳的高效率区域内，如果需要额外的峰值功率例如当汽车行驶在坡路或加速工况时候，需要利用电机较宽的恒高效功率区来提供峰值功率。不同的控制策略的针对性不同，比如有的是为了单独要求发动机最佳性能的电助力式控制策略，有的为了保护电池组的寿命而特地制定电池能量平衡策略，还有的应用了目前研究比较热的全局最优控制策略、基于神经网络控制以及其他智能控制方式。对于并联式混合动力汽车而言，控制策略较为常用的几种为：电力辅助控制策略、自适应控制策略、模糊控制策略。本文采用的既是模糊控制策略，并将仿真结果与电力辅助控制策略进行比较。3.1 控制策略简单介绍3.1.1 电力辅助控制策略电力辅助控制策略是以发动机为主驱动源，电机为辅助驱动源。使发动机在高效区域内工作，电机对发动机的输出转矩起进行削峰填谷，同时维持蓄电池的荷电状态处于允许的工作范围。该控图2示出蓄电池组处于不同荷电状态，在电力辅助控制策略的作用下，与车速相关的发动机的工作状态4。电动助力控制策略的要点具体可以表述为：(1)当汽车行驶速度低于某一速度时，或当需要的转矩低于发动机优化区域的最小扭矩点时，电机成为单一的驱动源，发动机关闭；(2)当工况需要的转矩介于发动机优化区域的上下限情况时，发动机单独工作；(3)当需求转矩超过当前转速对应的发动机的优化区域的最大转矩时，发动机工作在上限水平，电机作为辅助驱动源，提供峰值转矩，实行联合驱动；(4)当电池荷电状态SOC值低于下限，而发动机能提供多余转矩时，电机在发动机驱动下以发电方式运行，为电池充电；图3.1 SOCCS_lo_SOC情况下发动机随车速的工作状态(5)再生制动过程中，电机以发电方式工作，提供制动转矩，同时将回收的能量回馈入电池组。电力辅助控制策略将发动机限制于优化工作区域，同时保证电池的荷电状态SOC值处在一定范围内。较好的考虑了充电的效率和力度，充电转矩随电池荷电状态值的大小而变化，但发动机优化区域过大，受控制策略本身要求所限，不免会划分过大的优化区域，使控制较为粗略；对电池荷电状态值控制过严，而发动机也因为受电池的状态的制约较为被动。电力辅助控制策略的出发点是保证发动机工作在较高效率区，由电动机来提供余下的功率，没有考虑到电机的效率和发动机产生的机械能转化为电能的效率，也没有充分考虑排放问题。3.1.2 实时控制策略并联实时控制策略同时考虑了发动机的燃油消耗和排放，在每一时间步，都根据这一规则将扭矩需求合理的分配给发动机和电机，以达到优化燃油消耗和排放的目的。实时控制策略就是在已知混合动力车辆驱动系统各个部件特性的基础上，在任意时刻，通过实时比较各个工作模式的整体效率来决定各个部件的工作状态，以使在整个系统的能量流动过程中能量损失最小。这一控制策略具体可以表述为：1）当车速低于某一最小车速时，由电机提供全部驱动力。2）当车速大于最小车速，并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时，根据发动机的燃油消耗率和电池的能量当量来决定工作的动力源。3）当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩，并且小于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时，由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机对电池充电，取决于电池的SOC以及此时电池和电机的效率。在这种情况下，也可以利用能量当量的概念加以判断。即，将发动机用来充电的那部分能量计算出其中的有用能量，然后给出发动机在电池充电状态下的等量的燃油消耗率，与发动机不对电池进行充电时的燃油消耗率加以比较，选择燃油消耗率较小的工作模式。4）当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时，由电机提供扭矩助力。5）减速时，根据减速请求，部分回收制动能量。在实际中，燃油消耗和排放同时达到最优化是不可能的，这种控制策略实际上是两种情况的折衷。对于汽油机来说，燃油消耗和排放同时达到较好的水平，这种情况是很少的，在发动机的Map图上是一块很小的区域，而实际车辆运行情况非常复杂，要想保证发动机仅在那个很小的区域下运行时不可能的，故而燃油经济性和排放同时最优受到限制。3.1.3 模糊控制策略模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机、电动机及电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率最高。部分主要控制规则具体可以表述为：(1)所需功率近似为当前转速下发动机最优功率时，电机基本不工作。(2)所需功率大于最优功率一定值时，发动机工作点位于最优工作点附近，余下的部分功率由电机提供，同时使电机运行效率也在较高范围内。(3)SOC超出限定值时，采取相应措施，使其回到正常范围。3.2 模糊控制策略的设计混合动力汽车的工作过程是一个实时的，具有不确定性、不精确性，工作过程中存在较大噪声，混合动力汽车能量管理系统是个复杂的非线性系统。如果采用常规的逻辑门限值控制策略很难从精确定量的尺度上确定相关控制参数的值，从而不能达到驱动系统的效率的全局最优。模糊逻辑控制策略是基于规则的即时控制策略,它不依赖系统精确的数学模型,大大增加了控制的自由度,有很强的鲁棒性,能很好解决非线性复杂问题,故比较适用于并联式混合动力电动汽车。3.2.1 设计思想模糊控制7P166-261,8P259-265（Fuzzy Logic Control缩写为FLC）是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法,它的知识模型是由一组模糊推理产生的规则构成的,模糊规则是基于专家经验建立起来的。 本文设计模糊逻辑控制策略的出发点在于兼顾发动机最高效率和最优排放，且控制目标：控制发动机工作于高效工作区，避免发动机频繁起动和关闭；保持主电机工作在高效率区，同时维持电池荷电状态SOC在一定的范围，避免过度的充放电导致电池受损。3.2.2 模糊转矩控制器设计本文采用Mamdani模糊控制方法。模糊控制器的输入为车辆需求转矩T_req和电池荷电状态SOC，输出为期望引擎转矩T_ice。3.2.2.1 隶属度函数输入变量隶属函数主要根据引擎、蓄电池的工作效率图来确定。为了简化计算，便于实时对车辆进行在线控制，本文采用三角形隶属度函数。图3.3所示为需求转矩隶属度函数。当转矩需求比较小时(图中T1和T2区域)，引擎工作于低效区，从降低能耗和污染排放的角度考虑，应首选电机驱动；当转矩需求中等时(图中T3到T7区域)，发动机单独工作；当转矩需求较大时(图中T8到T11区域)，分为两种情况考虑：(1)电池的SOC足够高的前提下，发动机工作在最优转矩曲线上，不足的转矩由电机提供；(2)电池的SOC偏低时，引擎提供全部转矩而电机不提供牵引力，等到负载较小时再由引擎给电池充电。图3.3 输入需求转矩T_req的隶属函数图3.4所示为电池荷电状态隶属度函数。当电池的SOC处于最优范围时(图中S7区域)，电池的工作效率最高，此时电机既可以工作于发电状态也可以工作于牵引状态；当电池的SOC较低时(图中S3到S6区域)，应尽量对电池充电，使其工作点转移到高效工作区；当电池的SOC很低时(图中S1和S2区域)，电机不再提供牵引力；反之，电池的SOC很高时(图中S10和S11区域)，在回收制动能量时电机不能工作于发电状态。图3.4 输入荷电状态SOC的隶属函数3.2.2.2 规则库根据前面条件，建立“IFTHEN”型的规则库，见下面的模糊逻辑控制表3.1例图3.5 输出引擎转矩T_ice的隶属函数如从表中可以看到第一条规则可以解释为，当荷电状态SOC位于S1区域且需求转矩位于T1区域时，则输出引擎转矩T_ice位于U7区域，表示发动机工作在目标转矩，多出来的能量用于给电池充电。表3.1 模糊规则期望引擎转矩需 求 转 矩T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11电池荷电状态S1U6 U6U6U5U5U4U3U3U2U1U1S2U6 U6U6U6U5U5U4U3U3U2U1S3U7 U6U6U6U6U5U5U4U3U3U3S4U8 U6U6U6U6U5U5U5U4U3U3S5U8 U7U6U6U6U6U5U5U4U4U3S6U9 U7U7U6U6U6U6U5U4U4U4S7U9 U8U7U6U6U6U6U5U5U4U4S8U10 U9U8U7U6U6U6U6U5U5U5S9U10 U9U8U7U6U6U6U6U6U6U6S10U11U10U9U8U7U6U6U6U6U7U7S11U11 U11U10U9U8U7U6U6U6U7U7If Torque is T1 and SOC is S1,Then Tic is U6；If Torque is T1 and SOC is S2,Then Tic is U6；If Torque is T1 and SOC is S3,Then Tic is U6；If Torque is T11 and SOC is S11,Then Tic is U7；本文模糊控制器采用min-max法进行模糊推理，最后用加权平均法来解模糊。将其用MATLAB中M文件程序实现。 程序流程图如下：输入SOC TORQUE模糊化定义隶属函数隶属度规则有效变量=1预置输出隶属度解模糊输出数据精简的精确输出Min-max推理YN加权平均法图3.6 程序流程图3.3 整车性能仿真与实验验证3.3.1 仿真的参数及测试条件选用某型并联混合动力汽车进行仿真和动力性能测试实验，样车参数配置如下：风阻系数0.28，迎风面积2.5；总重量1233kg(包括载荷136kg)；发动机为电控汽油发动机，排量1L，额定功率41kw，峰值效率为0.34；电机为交流感应电机，额定功率75kw，峰值效率为0.92；PB蓄电池16V 26Ah，共25块，额定容量650Ah，蓄电池的高效工作区间的SOC值为0.5-0.7。本节首先将所设计的模糊控制管理模块在NEDC循环工况下进行仿真。然后与电力辅助控制策略在不同的循环路况下的各个指标进行比较。 仿真道路选用CYC_NEDC循环（见图3.6），总行程6.79 miles，时间1184 s，最大车速74.56 miles/h。横坐标为行使时间，纵坐标为行驶速度。在整个循环路况中，共停车13次，800 s之后速度明显增大且大于40 miles/h。图3.6 新欧洲循环路况3.3.2 模糊控制器在ADVISOR中的实现由于ADVISOR软件有开放性代码，所以本文对原先的模块进行二次开发，这样可以利用软件自带的成熟的模块，而不需我们再进行编写。我们在原ADVISOR的并联型混合动力汽车的顶层模块图3.7所示的基础上进行修改并用模糊控制器模块替换原图中控制器模块。将编写好的my_fuzzy.m文件导入MATLAB Function模块中去，实现模糊控制。其中，图3.8中的input Scaling 和output scaling是对控制器中的输入和输出做相应的比例变换。图3.7 整车仿真的顶层模块图3.8 模糊控制器的SIMULINK仿真的实现3.3.3 仿真结果及分析在ADVISOR2002仿真平台上进行仿真研究，仿真结果如下所示：图3.9显示电池荷电状态SOC在整个循环工况中的变换曲线。其SOC曲线平滑变化，初始值约为0.7，最终SOC值约为0.61，波动大小为0.075，基本实现充放电平衡。在0s-700s时间段内，因汽车速度低，电机参与提供转矩，所以荷电状图3.9 电池荷电状态SOC值曲线态SOC值持续下降。而在700s以后，发动机工作于最优区域，且对蓄电池进行充电，因此，SOC值基本维持一定范围而变化较小。图3.10显示污染物（HC、CO、NOx、PM等）排放在整个循环路况中的排放情况。总体看，还是汽车启动时污染物排放量大。但在汽车完全启动之后，污染物排放明显减少，在800s后，因汽车速度迅速加大，污染物排放量也跟着增大。图3.10 污染物排放变化曲线图3.11 发动机输出转矩变化曲线从图3.12可知：电机转矩随循环行驶工况正负变化，电动机起到了辅助动力和能量回收功能。在循环工况的100到800秒阶段，电机输出转矩随着负载的降低而逐渐减小。发动机担负了大部分的负载转矩。电机只有在急剧加速或回收制动能量的时刻工作。 图3.12 电机输出转矩变化曲线图3.13 发动机工作点分布图从图3.13 可知：在模糊逻辑控制下，发动机的工作点非常集中，发动机的波动较小，有利于提高发动机的效率。3.3.4 模糊控制策略与电力辅助控制策略进行比较模糊逻辑控制策略嵌入ADVISOR模块后，可以对其控制效果进行比较。选择同样的混合动力汽车参数配置(如表2所示)，将其分别与电力辅助控制策略在不同的道路循环下加以仿真比较。各种性能的结果比较如表3.2所示,表中模糊逻辑控制以FLC表示,电力辅助控制以EAC表示。表3.2 模糊控制策略与电力辅助控制策略的仿真性能比较循环路况控制策略HC(grams/smile)CO(grams/smile)NOx(grams/smile)SOC变化值Motor/controller效率每百公里消耗燃油数（升）UDDSFLC0.4852.1740.3410.070.685.97EAC0.5232.3510.4020.080.345.98NEDCFLC0.5592.5210.2830.080.595.68EAC0.5572.8780.320.0850.366.05US06FLC0.4713.5950.4830.090.846.79EAC0.5447.840.4960.0910.706.92FLC-模糊控制策略 EAC-电力辅助控制策略从荷电状态SOC变化范围看，模糊控制策略下的循环条件下SOC变化范围更小,这可以延长电池的使用寿命；发动机效率方面，模糊控制下发动机效率明显高于电力辅助控制策略；从每百公里燃油量方面看，耗油量明显减少，提高了燃油经济性；排放污染物方面，模糊控制策略各个指标的排放量都小于电力辅助控制策略的相应的指标。由此可见,模糊控制策略确实能同时兼顾发动机效率和排放两方面，模糊控制能很好地实现混合动力汽车的性能优化。3.4 本章小结本章首先简单介绍了并联混合动力汽车常用的、具有代表性的几种控制策略，然后对这几种控制策略进行的了较详细地研究和对比，分析了这些控制策略优、缺点。在以上工作的基础上设计模糊控制器来控制混合动力汽车的能量分配，使发动机工作于高效率区，并维持蓄电池的荷电状态SOC在一定范围。最后将模糊控制管理策略在不同循环工况（文中为NEDC新欧洲循环路况）上进行仿真，并将实验结果于电力辅助控制管理策略下的进行比较。仿真结果表明：模糊逻辑的应用对于提高发动机、蓄电池和电动机的整体工作效率非常有利，而且有助于改善排放性能。且模糊控制策略各个方面都要优于电力辅助控制策略。第4章 再生制动时的能量控制策略并联式混合动力能量控制系统除了驱动能控制部分外，再生制动能量的控制也是一个重要组成部分。上文只涉及到驱动时部件之间的能量分配，并未涉及到制动时电机再生制动和摩擦制动力之间的分配，这对汽车制动安全及提高整车能量利用效率都是十分重要的。4.1 再生制动影响因素在制动过程中，希望最大限度的回收能量，然而实际上，并不是所有的制动能量都可以回收，只有驱动轮的制动能量可以沿着与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统。从总体上看，影响混合动力汽车再生制动的主要因素包括以下几个方面:(1)电机。电机是影响再生制动的主要因素之一，电机的制动能力越强，在分配再生制动和摩擦制动之间的比例关系时，可以使再生制动的比例增大，从而增加回收的再生制动能量。(2)镍氢电池。能否将电机所发出的电能全部、快速的吸收是研究和设计再生制动系统最重要和急需解决的问题之一。(3)控制策略。控制策略就决定了再生制动能量回收的多少。控制策略规定了前后轮制动力以及再生制动和摩擦制动的比例关系。(4)使用环境。并联式混混合动力汽车行驶环境包括路况和车辆的当前状态等。4.2 混合动力汽车再生制动分配混合动力汽车定比例制动力分配控制策略是在传统汽车定比例制动力分配控制策略基础上发展起来的，传统汽车前后轮制动器制动力分配关系： (4.1)式中：前轮制动力（N）；后轮制动力（N）；总制动力（N）；制动力分配系数。对于前轮驱动的混合动力汽车，本文中前后轴制动力分配采用理想制动力分配。在前后轴制动力分配好后，再对前后轴的再生和摩擦制动进行二次分配。其制动力分配示意图9,10如图4.1。总制动力前轮制动力后轮制动力再生制动前轮摩擦制动力前轮摩擦制动力初次分配二次分配图4.1 制动力分配示意图故，引入再生制动力分配系数，其大小定义如式： (4.2)式中：电机制动转矩在前车轮处产生的制动力，即，再生制动力（N）。因此，混合动力汽车各个制动力