混合电动汽车模糊控制策略仿真分析

1、（研究生课程论文 ） 汽车动力学 论文题目：混合电动汽车模糊控制策略仿真分析2014年 1 月 4 日混合电动汽车模糊控制策略仿真分析摘 要:本文以ADVISOR软件中本田Insight的整车模型为研究对象，该车型搭载了ISG启动电机，是一款典型的并联式混合动力汽车。文章首先对其主要模块：车辆动力学、发动机、电机和蓄电池的仿真模型进行了详细地数学建模分析。然后基于后向仿真的原理在MATLAB/SIMULINK环境中建立了模糊逻辑的控制策略。对ADVISOR软件进行二次开发，将建立的控制策略嵌入到ADVISOR操作系统中进行仿真测试。最后，在ADVISOR的GUI界面中选择1.0L、41kW的发

2、动机和10kW的电机，选择典型城市道路循环工况（UDDS）对模糊控制策略进行性能仿真，验证该控制策略下车辆的动力性、燃油经济性与排放性能并记录仿真结果。关键词：混合动力电动汽车、ISG、ADVISOR、控制策略、后向仿真Abstract: The paper takes Honda Insight parallel hybrid electric vehicle (HEV) as the research subject, which is assisted by an integrated starter generator. We firstly mathematical modeling

3、 and analyzing the main units of the Insight vehicle simulation model (such as: the vehicle dynamics module, engine module, and motor controller module) in the ADVISOR software, then formulates the Rule-based Control Strategy and the Fuzzy Logic Control Strategy in the MATLAB/SIMULINK environment ba

4、sed on the Backward Simulation principle. In order to embed the two control strategies into the operating system of ADVISOR, the paper redeveloped the ADVISOR2002 for the off-line simulation of the two control strategies. Finally, we chose 1.0L, 41kW engine and 10kW motor in the GUI interface of ADV

5、ISOR, test the vehicles fuel economy, emission, and power performance in the UDDS conditions, and recorded the simulation results in the table.Keywords: Hybrid electric vehicle; ISG; ADVISOR; control strategy; backward simulation1 仿真软件MATLAB/SIMULINK及ADVISOR的介绍1.1 MATLAB/SIMULINK简介MATLAB的全称是矩阵实验室。不仅

6、具有强大的数值计算能力，它还可以提供了专业的文字处理、符号计算、实时控制和可视化建模仿真等功能。SIMULINK是MATLAB软件下的一个模块，它主要是用来对动态系统各种信号流进行建模、仿真计算和结果分析的MATLAB软件包。SIMULINK在混合动力汽车模拟仿真过程中的主要作用是：利用提供的现有模块对混合动力系统近似建模、仿真和分析，可以在设计之初，根据仿真结果对模型进行调整和修改，也对设计的参数选定有一定的帮助，对控制系统也能进行一定的优化。1.2 ADVISOR简介ADVISOR是美国能量部为了便于管理一些关于混合动力的动力系统的项目在二十世纪九十年代基于MATLAB开发的，并在1998

7、年命名为ADVISOR1，ADVISOR的主要功能有以下几点：（1）ADVISOR的主要功能是模拟各种汽车（传统汽车，电动汽车等）在整个循环工况中的车辆动力性能、经济燃油性指标以及排放指标，并具有强大的动力性分析、能量流分配分析、效率数据分析能力2。（2）可用来对设计参数的优化匹配，包括整车质量、滚动阻力系数、变速比等，为优化整车及车辆各部件参数提供一定的参考，也可输入动力性、燃油经济性等车辆指标，自动优化匹配车辆参数，如变速器速比等1。（3）对于电动汽车，可以用来研究其控制策略及参数的匹配，以及变速器换挡规律和车辆动力性能。（4）该软件的开放平台使出了在软件原有的车型外，用户可根据实际情况修

8、改现有车型参数，以及各部件模块等，建立用户需求的车型，进行仿真分析。2 混合动力电动汽车主要部件建模分析本文直接采用ADVISOR软件中自带的日本本田Insight单轴并联式混合动力电动轿车模型。Insight的动力系统以汽油机为主动力，电机为辅助动力，结构特点是发动机和电机在一根轴上混合。在车辆启动和加速时，辅助电机发挥了低速大转矩的优点，弥补汽油机低速、启动加速差的缺点；在减速和制动时电机作为发电机，实现制动能量回收功能。在车辆短时间停车时，发动机关闭取消怠速，在加速踏板踩下后重新启动2。2.1 车辆动力学模型图1 车辆动力学模型该模块根据汽车动力方程进行计算，其中合力包括滚动阻力、空气阻

9、力、加速阻力和坡度阻力。该方程首先计算迭代步的加速度来计算所要求的后向驱动力，将迭代步骤开始处和末端处速度的平均值作为平均速度。汽车的实际速度可通过车速子模块计算出来。车辆动力学顶层仿真模型如上图1所示。假设汽车在坡度为的路面上行驶，可将整车视为一个整体，对其进行受力分析，如图2所示。图2 车辆受力分析图车辆驱动力设为，空气阻力为，爬坡阻力为，滚动阻力为，根据牛顿第二定律，不考虑前后轴的负荷转移，则整车的驱动力需求为3： （1）其中滚动阻力与车轮负载、形式和结构有关，空气阻力、爬坡阻力、加速阻力和滚动阻力可表示为9： （2）式中，为空气密度，为车速，为风阻系数，为迎风面积，为重力加速度，为整车

10、质量，为坡度，为滚动系数，为汽车旋转质量换算系数。由此得到整车的驱动力为： （3）2.2 发动机模型图3 发动机仿真模型发动机总成模型（如图3所示）还包括三个子系统，分别是发动机转矩计算模块、发动机转速估计模块和发动机燃油消耗及排放计算模块。（1）发动机转矩计算模块发动机转矩计算模块主要考虑惯性损失和附件负荷的影响，输出转矩通常按下列公式计算： （4）式中，为该模块的输出转矩，为发动机可提供转矩，为附件转矩，为节气门关闭时转矩，为需求转矩，为发动机最大转矩。（2）发动机转速计算模块发动机的转速计算要考虑到离合器的状态、需求转速和发动机最大转速之间的关系。该模块按照以下几种情况分别对发动机的转速

11、进行估算：离合器为啮合状态，并且前一个时间步长的轨迹错过了，发动机的估计转速为前一个时间步长的发动机速度值；从松开离合器踏板，到离合器接合前，发动机的估计转速为需求速度与发动机可提供的最大转速中的较小值；从踩下离合器踏板，到离合器脱离前，发动机的估计转速根据节气门关闭后的扭矩和发动机的转动惯量来计算；除了以上三种状态以外，其他情况下发动机的估计转速均等于需求转速、发动机可提供最大转速、发动机怠速转速三者的最小值。（3）燃油经济性和排放计算模块该模块计算发动机的油耗和排放：燃油消耗量为发动机燃油消耗率和发动机温度修正系数的乘积；单位时间发动机排放为充分预热后发动机排放和温度修正系数的乘积。2.3

12、 电机/控制器模型图4 电机仿真模型电动机模型采用顺逆序相结合的计算方式，如4，模型的功能为：在建模对象电机已知的情况下，根据电机需求转矩和电机需求转速，在一系列性能限制的条件下计算出电机需求输入电功率和电机的功率转矩特性。在顺序计算模型中，根据电机实际输入功率在考虑电机热交换影响的条件下，计算出电动机实际可得到输出转矩和输出转速。2.4 蓄电池模型图5 蓄电池仿真模型ADVISOR中的蓄电池内阻模型根据动力总线的功率需求计算蓄电池荷电状态SOC，并输出可用功率。功率损失是按内阻损失加上“库仑效率”定律确定的功率损失，自顶向下建立模型，如图5。对其中包含的子模块功能描述如下：（1）电池开路电压

13、和内阻计算模块：该模块根据给定的当前的SOC值和蓄电池的功率需求来计算单个电池的开路电压和内阻。（2）功率限制模块：蓄电池最大输出功率受：电池组总电压、电动机功率控制器允许最小电压、电池组最小可用电压三个参数的限制。蓄电池工作电压不能低于蓄电池最低电压和电动机最小驱动电压。如果这两个极限都没有超越，同时电压等于，那么将输出最大功率。根据公式（5）可计算出最大输出功率极限，其中取、最小电动机控制电压和最小电池电压三者中的最大值。 （5）式中，、分别为电机最小工作电压和电池组开路电压，内电阻为。（3）电池负载电流计算模块：该模块根据电功率的定义和基尔霍夫电压定律求解关于负载电流的二次方程。（4）S

14、OC计算模块：通过一系列计算，可以得出荷电状态SOC的近似值，从而可以确定电池的剩余电量，这里涉及到的“库仑效率”和电池最大容量均是电池温度的函数。（5）电池散热模型：该散热模型可以预报车辆在行驶过程中和蓄电池在充电期间的内部平均温度和表面温度。3 模糊控制器的设计车辆控制器是管理混合动力汽车的整车控制系统，其主要功能是控制动力系统和对整车能量进行管理，指挥各个系统的协调工作，在燃油经济性、整车动力性、污染物排放以及行驶的平稳性之间取得最佳的平衡。模糊控制器的输出是通过观察的状态和控制过程的规则推理得到的。该方法将操作人员或专家经验变成模糊规则，然后对来自传感器的实时信号进行模糊化，经过模糊化

15、处理后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，最后将推理得到的输出量加到执行器上。模糊控制技术自适应性强，不依赖于精确模型，适用于混合动力汽车系统。它可对发动机、电动机和蓄电池同时进行优化控制。其中模糊转矩控制器的设计主要包括以下几个方面的内容：（1）模糊控制器输入、输出量的确定；（2）模糊变量隶属度函数的计算；（3）确定模糊控制规则；（4）模糊转矩控制器输出控制变量的求取。图6为模糊控制器结构示意图 图6 模糊控制器结构示意图（1）输入输出和隶属度函数根据模糊转矩控制器的设计目标和发动机的MAP图效率的高低，将模糊转矩控制器的输入变量确定为：动力耦合处的整车需求转矩T、动力电池的荷电状态值S

16、OC。模糊转矩控制器的输出变量确定为发动机的需求转矩命令Tr。将整车需求转矩T分成五个模糊子集：负大，负小，零，正小，正大，其论域限定在1，11内，公式为： （6）其中，为当前转速下发动机的最优曲线转矩；为当前转速下发动机可提供的最大输出转矩。类似地，根据SOC的范围把电池SOC也分成5个模糊子集。五个模糊子集为：过低，偏低，适中，偏高，过高，论域限定在1，11内，公式为： （7）发动机输出转矩分为五个模糊子集：-2，-1，0，1，2，论域限定在1，11内。图7 模糊转矩控制的输入、输出参数的隶属度函数模糊转矩控制器的输入端的转矩需求、电池SOC值以及输出端对发动机的转矩期望的各个隶属度函数如

17、图7所示。根据仿真分析经验，输入语言变量和输出语言变量均采用梯形的隶属度函数，此种隶属度函数运算简单，有利于提高运算速度且又能满足控制精度要求。（2）模糊控制规则模糊控制策略的控制规则设计与传统逻辑门限控制策略的控制规则设计方法基本相同，都是建立在对被控对象的物理特性的理解和关于控制的工程经验基础上的。控制知识的模糊化，需要用到输入输出的模糊值分配，在输入论域上分配的模糊值越多，控制规则的细化程度就越高，但控制规则不宜过多，否则运算量就会过大，影响运算的速度4。模糊控制策略的基本控制规律是：当电池SOC值处于正常范围内时，车辆驱动转矩首先由发动机提供，只有当需求转矩超出了发动机的最优转矩一定范

18、围时，电机开始提供助力或者发电。当电池SOC值偏低时，发动机在尽可能的情况下提供比驱动需求更多的转矩为电池充电。但当需求转矩超过发动机可提供的最大转矩时，发动机不再有能力提供额外的转矩为电池充电，此时必须优先保证车辆的行驶需求。当电池SOC值偏高时，车辆驱动转矩一般仍然由发动机提供，当需求转矩超过发动机最优工作曲线时，发动机工作在最优曲线上，剩余转矩由电机提供，这样不仅可以保持发动机在高效区工作，同时也可以使电池SOC尽快回到正常范围内，当需求转矩超出发动机的最大转矩范围时，此时电机必须提供助力。当总转矩需求为负值时，由原来的逻辑门限值控制策略进行控制。根据条件，建立“IFTHEN”型的规则库

19、，模糊逻辑控制表如下表1，将此表中定义的规则按照MATLAB中模糊逻辑控制模块的标准写入，最后保存为fuzzy1.fis文件。表1 模糊控制规则表T SOC负大负小零正小正大过低00112偏低-10001中-2-1-1-10偏高-2-2-2-2-1过高-2-2-2-2-14 ISG型混合动力汽车基于模糊的控制策略仿真结果分析仿真技术在电动汽车的设计中具有关键的作用，它可以缩短设计周期，降低研制费用，提高汽车的性能。工程中常用的仿真方法有：后向仿真方法、前向仿真方法、ADVISOR的混合仿真方法。ADVISOR本身含有Insight车型的控制策略，如果要将第三章中所提出的控制策略嵌入到ADVIS

20、OR的整车模型中，并在其控制面板上面进行仿真。既把所修改模块嵌入到ADVISOR2002的GUI界面中。通过这个界面可方便地配置汽车参数，进行汽车的性能仿真，修改后的仿真界面如下图8所示：图8 仿真界面将基于模糊的控制策略模型与ADVISOR中Insight整车模型结合进行离线仿真。仿真采用UDDS循环工况，SOC初始值设定为0.7，所得仿真结果如图：图9 需求转矩图图10 模糊控制发动机输出转矩图图11 模糊控制电机输出转矩图图12 模糊控制电池SOC变化图图13 模糊控制仿真结果输出界面由图9、10、11中转矩耦合装置输入端的需求转矩，以及发动机和电机的实际输出转矩可以看出：当需求负荷为正时，主要有发动机提供动力，在电池SOC满足要求的情况下，电机可以提供部分辅助力；当需求转矩为负时，若电池的SOC小于限定的最大值，则主要有电机提供制动力，同时回收制动能量，发动机提供部分制动力，符合其动力性能要求。图12显示的电池SOC的最大值约为0.705，最小值约为0.665，波动为0.040，在整个循环过程中保持在0.7左右，满足电池的寿命要求。图13仿真结果输出界面可以看出该控制策略下的车辆百公里油耗为4.7L/100km，排放为0.29g/km，的排放为1.115g/km，的排放为0.1