畢業(yè)論文--混合動(dòng)力汽車能量分配控制

1、<p>　　大 連 海 事 大 學(xué)</p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p><b>　　二〇一一年六月</b></p><p>　　混合動(dòng)力汽車能量分配控制</p><p>　　專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化07-2 班</p><p>　　姓

2、名： __</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： ___</b></p><p><b>　　信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　混合動(dòng)力汽車是介于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與純電動(dòng)汽車之間，是典型的過渡型汽車。它秉承了兩者的優(yōu)

3、點(diǎn)，但有兩個(gè)動(dòng)力源，也就注定它的控制更復(fù)雜。本論文以某型并聯(lián)混合動(dòng)力汽車為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用模糊控制方法來設(shè)計(jì)控制器，以此來提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少污染排放。</p><p>　　模糊控制器通過對(duì)引擎和電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)工況電池荷電狀態(tài)SOC平衡，且使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效率區(qū)。為了驗(yàn)證能量分配控制策略的有效性，在ADVISOR平臺(tái)上進(jìn)行仿真，并與電力輔助控制策略下的混合動(dòng)力汽車進(jìn)行比較，表現(xiàn)在燃油性、發(fā)動(dòng)機(jī)

4、效率、荷電狀態(tài)SOC值的變化范圍以及污染排放物等方面的比較，分析結(jié)果表明模糊控制下的混合動(dòng)力汽車在各方面都有很好的改善。</p><p>　　再生制動(dòng)是混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)中不可或缺的一部分，所以最后，又對(duì)混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)控制進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)了再生制動(dòng)控制策略。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；模糊控制；電力輔助控制；轉(zhuǎn)矩分配 </p><p><

5、b>　　Abstract</b></p><p>　　Hybrid electric vehicle is between the traditional internal combustion engine vehicles and pure electric vehicles, and is the typical transition of cars. It inherits the ad

6、vantages 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

7、, in order to improve fuel economy and reduce pollution emissions.</p><p>　　Fuzzy controller on the expectations of the engine and motor torque distribution, the entire driving cycle the battery state of cha

8、rge 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 str

9、ategy of hybrid vehicles to compare the performance of fuel sexual, engine efficiency, state of charge SOC value range, and pollution emission, and o</p><p>　　Hybrid electric vehicle regenerative braking is

10、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.</p><p>　

11、　Keywords: hybrid electric vehicle, fuzzy control, power assist control, torque distribution</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章緒論1</b></p><p><b>　　

12、1.1 概述1</b></p><p>　　1.1.1 混合動(dòng)力汽車概念1</p><p>　　1.1.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn)1</p><p>　　1.1.3 混合動(dòng)力汽車分類2</p><p>　　1.2 混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵問題與發(fā)展前景4</p><p>　　1.2.1 混合動(dòng)

13、力汽車需要解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)4</p><p>　　1.2.2 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展前景5</p><p><b>　　1.3本章小結(jié)5</b></p><p>　　第2章混合動(dòng)力汽車整車建模6</p><p>　　2.1 混合動(dòng)力汽車仿真平臺(tái)軟件ADVISOR介紹6</p><p>

14、;　　2.2 汽車動(dòng)力學(xué)模型7</p><p>　　2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型8</p><p>　　2.4 電動(dòng)機(jī)模型9</p><p>　　2.5 蓄電池模型10</p><p>　　2.6 傳動(dòng)系模型11</p><p>　　2.6.1 離合器模型11</p><p>　　

15、2.6.2 變速器模型13</p><p>　　2.6.3 驅(qū)動(dòng)橋模型13</p><p>　　2.7 本章小結(jié)14</p><p>　　第3章 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理策略的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1 控制策略簡單介紹15</p><p>　　3.1.1 電力輔助控制策略15&l

16、t;/p><p>　　3.1.2 實(shí)時(shí)控制策略17</p><p>　　3.1.3 模糊控制策略17</p><p>　　3.2 模糊控制策略的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.2.1 設(shè)計(jì)思想18</p><p>　　3.2.2 模糊轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計(jì)18</p><p>　　

17、3.2.2.1 隸屬度函數(shù)18</p><p>　　3.2.2.2 規(guī)則庫19</p><p>　　3.3 整車性能仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證21</p><p>　　3.3.1 仿真的參數(shù)及測試條件21</p><p>　　3.3.2 模糊控制器在ADVISOR中的實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　3.3.3

18、 仿真結(jié)果及分析23</p><p>　　3.3.4 模糊控制策略與電力輔助控制策略進(jìn)行比較25</p><p>　　3.4 本章小結(jié)26</p><p>　　第4章 再生制動(dòng)時(shí)的能量控制策略27</p><p>　　4.1 再生制動(dòng)影響因素27</p><p>　　4.2 混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)分

19、配27</p><p>　　4.3 混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)控制策略28</p><p>　　4.4 本章小結(jié)31</p><p><b>　　全文總結(jié)32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝

20、35</b></p><p>　　混合動(dòng)力汽車能量分配控制</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　1.1.1 混合動(dòng)力汽車概念</p><p>　　混合動(dòng)力汽車英文縮寫為 HEV（Hyb

21、rid Electric Vehicle)， 根據(jù)國際電工委員會(huì)電動(dòng)汽車技術(shù)委員會(huì)的建議，對(duì)混合動(dòng)力汽車的定義[1]為：多于一種能量轉(zhuǎn)換器來提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的混合型電動(dòng)汽車。另外，也可將 HEV 做以下簡單定義，即將電力驅(qū)動(dòng)和輔助動(dòng)力單元 APU Auxiliary Power Unit 合用到一輛車上。它繼承了電動(dòng)汽車低排放的優(yōu)點(diǎn)又發(fā)揚(yáng)了石油燃料高的比能量和比功率的長處，顯著改善了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性增加了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里。&

22、lt;/p><p>　　要制造低能耗、低污染的新型混合動(dòng)力汽車，就必須對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的相互配合工作進(jìn)行相應(yīng)合理的控制，因此，需要良好的能量分配策略。</p><p>　　1.1.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn)</p><p>　　混合動(dòng)力汽車具備多個(gè)動(dòng)力源(主要是內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī))，并根據(jù)情況將幾個(gè)動(dòng)力源，同時(shí)或單個(gè)使用以驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)車輛，是當(dāng)今最具實(shí)際開發(fā)意義的低排放和低油耗

23、汽車?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　?。?）采用混合動(dòng)力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率，內(nèi)燃機(jī)功率不足時(shí)，由電池來補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電。因此，續(xù)駛里程和動(dòng)力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平。</p><p>　?。?）與純內(nèi)燃機(jī)相比，混合動(dòng)力汽車采用了高功率的儲(chǔ)能裝置（飛輪、超級(jí)電容器或蓄電池等）向汽車

24、提供瞬時(shí)能量。 因有儲(chǔ)能裝置，可以方便地回收制動(dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量。在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機(jī)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“零”排放。因此，經(jīng)濟(jì)性和排放性明顯改善。</p><p>　?。?）與純電動(dòng)車相比，空調(diào)、真空助力、轉(zhuǎn)向助力及其它輔助電器，借助原動(dòng)機(jī)動(dòng)力，無需消耗電池組有限電能，從而保證了乘坐的舒適性。</p><p>　?。?）混合動(dòng)力汽車技術(shù)難度相對(duì)較小，成本相對(duì)較低。易于滿足未

25、來排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能，且目標(biāo)市場接受度高。</p><p>　　混合動(dòng)力汽車的缺點(diǎn)：</p><p>　　(1)由于有多個(gè)動(dòng)力源而成本提高，如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)力源的配合工作成為混合動(dòng)力車要解決的關(guān)鍵問題。</p><p>　　(2)由于有多個(gè)動(dòng)力源，增加了質(zhì)量和所必需的裝載空間，這就降低了混合動(dòng)力汽車的有效負(fù)載能力。</p><p>　　1.1.3

26、 混合動(dòng)力汽車分類</p><p>　　混合動(dòng)力汽車的分類方法很多，一般最常見的是根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式以及按照混合度來進(jìn)行分類。按照傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式，可以分成串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。近年來，隨著混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，除了串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式的結(jié)構(gòu)以外，越來越多其他型式的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正在被開發(fā)出來。除按照動(dòng)力系統(tǒng)各部件的布置方式來分類外，按照“混合度”來對(duì)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)進(jìn)行分類的方法也被廣泛采用。</p

27、><p>　　雖然到目前為止，尚沒有統(tǒng)一明確的關(guān)于“混合度”[2]的定義，但通?；旌隙瓤杀硎緸椋?lt;/p><p><b>　　（1.1）</b></p><p>　　其中，為混合度，為電機(jī)功率 ，為發(fā)動(dòng)機(jī)功率。</p><p>　　根據(jù)混合度來分類，混合動(dòng)力汽車可以分為弱混、中混和強(qiáng)混。一般而言，弱混可實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)、快速啟動(dòng)

28、發(fā)動(dòng)機(jī)、再生制動(dòng)和電機(jī)助力功能，而強(qiáng)混除了上述功能以外還可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛功能。</p><p>　　按照動(dòng)力系統(tǒng)各部件的布置方式來分類，串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。簡單介紹如下： </p><p>　　1．串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車</p><p>　　串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和純電動(dòng)汽車相類似，它主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、電動(dòng)機(jī)和控制器等部件以串聯(lián)方式連接組成。由

29、發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能和蓄電池等儲(chǔ)能裝置輸出的電能，共同輸出到電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)汽車行駛。因發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋無直接的機(jī)械連接，只有電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)橋有機(jī)械連接，所以電力驅(qū)動(dòng)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)形式較為簡單，典型結(jié)構(gòu)如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖</p><p>　　2．并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車</p><p>　　

30、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力汽車，其原理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖如圖1.2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，可以同時(shí)或單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可直接輸出到汽車驅(qū)動(dòng)橋，中間沒有能量的轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)效率較高，燃油消耗也較少。但發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋之間的機(jī)械連接，使得發(fā)動(dòng)機(jī)不都是在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)行，其要受到汽車具體行駛工況的影響。并聯(lián)式HEV也可以在比較復(fù)雜的工況下使用，應(yīng)用范圍比較廣，但是對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)的優(yōu)化和對(duì)能量系統(tǒng)的管理，則提出了更高的要求。</p

31、><p>　　圖1.2 并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖</p><p>　　3．混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車</p><p>　　圖1.3 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖</p><p>　　混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖如圖1.3所示，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。目前的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，一般以行星齒輪作為動(dòng)力復(fù)合裝置的基本構(gòu)架。將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分成兩份，一部分機(jī)械能通過機(jī)械

32、傳動(dòng)輸送給驅(qū)動(dòng)橋，而另一部分通過發(fā)電機(jī)發(fā)電輸送給電動(dòng)機(jī)或?qū)π铍姵爻潆姟Ｔ谄嚨退傩旭倳r(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主。混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)。但混聯(lián)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁雜困難、成本高。</p><p>　　1.2 混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵問題與發(fā)展前景</p><p>　　1.2.1 混合動(dòng)力汽車需要解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)&l

33、t;/p><p>　　簡單描述，如下方面[3,4,5]：</p><p>　?。?）因混合動(dòng)力有多種動(dòng)力源，如何實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力的最優(yōu)分配控制是關(guān)鍵問題也是癥結(jié)所在。即，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工況區(qū)域、油耗和排污最低、電動(dòng)機(jī)發(fā)揮其最大優(yōu)點(diǎn)、延長蓄電池的使用壽命。</p><p>　?。?）能量存儲(chǔ)裝置。對(duì)蓄電池的研究主要圍繞快速充電能力、較高的比能量和比功率、提高充放電效率、降低

34、電池的重量和成本及延長使用壽命等關(guān)鍵問題。</p><p>　?。?）混合動(dòng)力單元技術(shù)。要提高混合動(dòng)力單元燃料經(jīng)濟(jì)性，降低排放，目前的研究主要中于：一是燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化；二是尾氣處理技術(shù)，主要研究高效的尾氣催化系統(tǒng)；三是代用燃料的研究。</p><p>　?。?）電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)、高壓電路等組成的。電機(jī)必須要具有良好的可控性和容錯(cuò)能力，以及具有低噪聲、高效率的特點(diǎn)。<

35、/p><p>　　1.2.2 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展前景</p><p>　　混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，具備了良好的動(dòng)力性能，良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，清潔環(huán)保，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。HEV 既繼承了純電動(dòng)汽車作為“綠色汽車”的節(jié)能低排放優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，并且生產(chǎn)成本較純電動(dòng)汽車低，因而成為最近幾年來汽車行業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。</p><p>　　雖然它有傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)車不可比擬

36、的優(yōu)點(diǎn)，但是其油—電模式，仍然不可避免的消耗石油資源。從長遠(yuǎn)來看，油—電混合電動(dòng)汽車仍然不能徹底解決能源緊張的問題。只是鑒于電池技術(shù)的不成熟和石油的匱乏，混合動(dòng)力汽車就成了未來主流汽車的一種過渡形態(tài)。盡管如此，混合動(dòng)力汽車在未來5~10 年內(nèi)仍有廣闊的發(fā)展前景。</p><p><b>　　1.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了混合動(dòng)力汽車的概念并

37、簡單介紹了其特點(diǎn)，然后較詳細(xì)分析了混合動(dòng)力汽車的分類。指出了混合動(dòng)力汽車所要解決的關(guān)鍵問題，最終，展望了其未來發(fā)展前景。</p><p>　　混合動(dòng)力汽車整車建模</p><p>　　任何車輛控制系統(tǒng)的構(gòu)成都包括三大組成部分，即控制算法、傳感器技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開發(fā)。作為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，尋求一個(gè)能夠?yàn)檐囕v提供良好性能的控制算法，則需要控制理論與車輛動(dòng)力學(xué)的緊密結(jié)合，且主要以計(jì)算機(jī)建模與仿真分

38、析以及實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)為研究于段。</p><p>　　本文正是基于MATLAB／SIMULINK環(huán)境下開發(fā)的電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR，分別建立了汽車動(dòng)力學(xué)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電動(dòng)機(jī)模型、蓄電池模型和傳動(dòng)系模型。</p><p>　　2.1 混合動(dòng)力汽車仿真平臺(tái)軟件ADVISOR介紹</p><p>　　ADVISOR是由美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室于1994年為配合PN

39、GV項(xiàng)目而開發(fā)的基于MATLAB／SIMULINK平臺(tái)上運(yùn)行的混合動(dòng)力汽車仿真軟件，其界面如圖2.1。下面對(duì)ADVISOR的功能，做簡要介紹：</p><p>　　（1）估計(jì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，比較汽車在各種循環(huán)工況下的燃油消耗與排放</p><p>　?。?）考查汽車包括傳統(tǒng)汽車混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)鏈之間如何工作</p><p>　　（3）評(píng)價(jià)混合動(dòng)力汽車的控

40、制策略，并進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化匹配</p><p>　　圖2.1 ADVISOR軟件界面</p><p>　　ADVISOR不僅能夠?qū)旌蟿?dòng)力串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn)行仿真，當(dāng)然也能對(duì)傳統(tǒng)汽車進(jìn)行仿真，還能夠?qū)ο冗M(jìn)的燃料電池汽車進(jìn)行仿真。更為強(qiáng)大的是，它提供一個(gè)開放的開發(fā)環(huán)境，可以非常方便用戶增加自己所需模塊，并利用其自帶成熟模塊來實(shí)現(xiàn)組裝功能增強(qiáng)的車型。</p><p>　　2.

41、2 汽車動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　汽車動(dòng)力學(xué)模型建立在車輪力平衡基礎(chǔ)之上,同時(shí)必須在仿真計(jì)算的各個(gè)時(shí)間段內(nèi)給出功率的平衡式,由汽車動(dòng)力學(xué)方程和功率平衡方程構(gòu)成。</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　(2

42、.2)</b></p><p>　　設(shè)加速度為a(m/)：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　加速度對(duì)時(shí)間積分，可得到模型的輸出變量車速</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　式中: 為驅(qū)動(dòng)力；為滾動(dòng)

43、阻力；為坡道阻力；為迎風(fēng)阻力；為加速阻力；發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；為電動(dòng)機(jī)扭矩；傳動(dòng)系傳動(dòng)比；為主減速器傳動(dòng)比；為傳動(dòng)系效率；r為滾動(dòng)半徑；m為整車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)； 為坡度角；為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速；為慣性質(zhì)量換算系數(shù)。</p><p>　　對(duì)于并聯(lián)混合動(dòng)力汽車而言,電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率之和與車輛行駛阻力功率的平衡式為: </p><p><b>　　(2.5)</

44、b></p><p>　　式中:為發(fā)動(dòng)機(jī)功率； 為電動(dòng)機(jī)功率。</p><p>　　2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?建立發(fā)動(dòng)機(jī)的模型主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和污染物排放等性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。發(fā)動(dòng)機(jī)模型主要包括動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，油耗和排放計(jì)算模型。</p><p>　　1)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力

45、學(xué)模型</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生扭矩；為節(jié)氣門開度；(rad/s)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　考慮慣性損失，則：</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p

46、>　　式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生扭矩，為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p>　　2)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放計(jì)算模型</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放計(jì)算模型的輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)模型的油耗計(jì)算公式：</p><p><b>　　(2.8)</b></p>

47、<p><b>　　排放計(jì)算公式：</b></p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間的燃油消耗量(g/s)；為單位時(shí)間的污染物的排放量。</p><p>　　由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)的油耗和排放要高于發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)工作的油耗，為了更準(zhǔn)確得計(jì)算油耗和排放，需要引入溫度校正，

48、定義油耗和排放修正系數(shù)為：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　其中，、分別為發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)的油耗排放校正值和熱機(jī)油耗排放值，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度關(guān)系系數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度。</p><p>　　2.4 電動(dòng)機(jī)模型&l

49、t;/p><p>　　該模型采用順逆序相結(jié)合計(jì)算方法，并結(jié)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和效率特性的試驗(yàn)結(jié)果,采用線性求解方法建立仿真模型，建模過程中主要考慮了電機(jī)性能限制與電機(jī)內(nèi)的熱交換。</p><p>　　在順序計(jì)算模型中，根據(jù)電機(jī)模型的目標(biāo)功率計(jì)算出可得到輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，工作過程中輸入能量與輸出能量的差值為電機(jī)產(chǎn)生的熱能；逆序計(jì)算模型中，轉(zhuǎn)化電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為目標(biāo)功率，通過一系列的性能限制，計(jì)算滿

50、足車輛運(yùn)行性能要求的電機(jī)運(yùn)行性能。它共包含六個(gè)子系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速估計(jì)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量子系統(tǒng)，扭矩限制子系統(tǒng)，扭矩功率比例子系統(tǒng)，扭矩輸出子系統(tǒng)，電熱力學(xué)子系統(tǒng)。</p><p><b>　　1、轉(zhuǎn)速估計(jì)子系統(tǒng)</b></p><p>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)速由汽車的行駛狀態(tài)決定:</p><p>　　1)當(dāng)汽車加速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速：

51、(2.12)</p><p>　　2)汽車減速或勻速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為當(dāng)前轉(zhuǎn)速： (2.13)</p><p><b>　　2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量子系統(tǒng)</b></p><p>　　電機(jī)工作時(shí)，須提供額外的慣性轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p&

52、gt;<b>　　式（2.14）中</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　其中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電機(jī)與車輪的轉(zhuǎn)速比；為整車質(zhì)量；為電機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　3、扭矩限制子系統(tǒng)</b></p><p>　　電機(jī)工作特性受到最大工作轉(zhuǎn)矩

53、的限制：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　其中，為電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)在當(dāng)前工作狀態(tài)下的最大工作轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　2.5 蓄電池模型</p><p>　　蓄電池作為混合動(dòng)力汽車的電力能源儲(chǔ)存裝置,為混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力支持，同時(shí),在減速/制動(dòng)過程中回收能量,從而

54、實(shí)現(xiàn)減少能量消耗的目的。蓄電池的建模方法經(jīng)歷了原始的鉛酸電池模型、內(nèi)阻模型和電阻電容(RC)模型。目前,較為廣泛采用的建模方法是內(nèi)阻模型(RINT)法,</p><p>　　內(nèi)阻模型(RINT)法就是將電池等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻(電池的內(nèi)阻)串聯(lián)而成的開環(huán)電路模型。電池內(nèi)阻模型的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示， 模型的輸入為需求功率（W），輸出為實(shí)際功率和蓄電池的SOC值。當(dāng)>0，功率需求為正，電池放電；當(dāng)<

55、0，功率需求為負(fù)，電池充電。</p><p>　　圖2.2 蓄電池模型的等效電路圖</p><p>　　等效內(nèi)阻和蓄電池開路電壓都是SOC和溫度的函數(shù)，在MATLAB中，利用Interpolation內(nèi)插值功能二維查表確定和的值：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p><b>　　

56、(2.12)</b></p><p><b>　　等效電路基本方程：</b></p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　其中，I(A)是蓄電池充放電電流， 是總線電壓，是蓄電池實(shí)際輸出電功

57、率。</p><p>　　2.6 傳動(dòng)系模型</p><p>　　傳動(dòng)系統(tǒng)模型包括離合器模型、變速器模型(主減速器、差速器)和驅(qū)動(dòng)橋模型。為車輛產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)提供所需的推力和牽引力，改變傳動(dòng)比，使動(dòng)力總成提供的扭矩適應(yīng)車輛牽引力的瞬間需求。</p><p>　　2.6.1 離合器模型</p><p>　　膜片彈簧離合器接合過程中通過摩擦實(shí)現(xiàn)動(dòng)力

58、傳遞與中斷，離合器動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡化模型[6]如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 離合器傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型簡圖</p><p>　　系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程如下：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p><b>　　(2.16)</b></p><p&g

59、t;　　其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩（）；為離合器實(shí)際傳遞扭矩（）；為作用在離合器上的阻力矩（）；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）；為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速（）；為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、飛輪以及離合器主動(dòng)片的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；J為變速箱、差動(dòng)器、輪胎以及整車在離合器從動(dòng)軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣（）；為變速器傳動(dòng)比；為主傳動(dòng)比。</p><p>　　離合器模型在ADVISOR仿真軟件上的實(shí)現(xiàn)如圖2.4所示，該子系統(tǒng)在汽車中的作用：離合器模塊通常傳送從變速器到發(fā)

60、動(dòng)機(jī)FC的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩要求；同時(shí)也傳送實(shí)際的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，即從發(fā)動(dòng)機(jī)FC到變速器gearbox。</p><p>　　圖2.4 離合器在ADVISOR中的SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.6.2 變速器模型</p><p>　　變速器是汽車中從動(dòng)力源到車輪的重要傳動(dòng)部件，將動(dòng)力系統(tǒng)傳過來的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過變速齒輪的減速增矩傳遞到驅(qū)動(dòng)橋，改變動(dòng)力輸出的轉(zhuǎn)

61、矩和轉(zhuǎn)速變化范圍，從而滿足汽車不同的行駛條件和工況要求。變速器對(duì)傳統(tǒng)汽車和并聯(lián)混合汽車是非常關(guān)鍵的，而一般對(duì)串聯(lián)混合汽車并不重要。</p><p>　　在ADVISOR中的變速器模塊通常和后驅(qū)(fd)、發(fā)動(dòng)機(jī)(fc)、扭轉(zhuǎn)偶合器(tc)或電機(jī)(mc)模型交換物理量信息（如扭矩，轉(zhuǎn)速和功率）。</p><p>　　影響變速器扭矩和轉(zhuǎn)速包括：</p><p>　　1、通

62、過齒輪比減速增扭</p><p>　　2、齒輪旋轉(zhuǎn)造成扭矩?fù)p失</p><p>　　3、加速轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成扭矩?fù)p失</p><p>　　變速器模型在ADVISOR仿真軟件上的實(shí)現(xiàn)如圖2.5所示：</p><p>　　圖2.5 變速器在ADVISOR中的SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.6.3 驅(qū)動(dòng)橋

63、模型</p><p>　　驅(qū)動(dòng)橋處在動(dòng)力傳動(dòng)系的末端，其作用是將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速最終傳遞到驅(qū)動(dòng)輪。由于模型的輸入輸出關(guān)系比較簡單，公式不再羅列。</p><p><b>　　2.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先簡單介紹了混合動(dòng)力汽車仿真軟件ADVISOR界面及功能，然后較詳細(xì)闡述了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力幾個(gè)主要部件的數(shù)學(xué)模型。由于混

64、合動(dòng)力系統(tǒng)自身及其各部件之間的協(xié)調(diào)工作復(fù)雜，建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型非常困難，因此本章采用了實(shí)驗(yàn)建模為主、理論建模為輔的建模方法。 </p><p>　　第3章 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理策略的設(shè)計(jì)</p><p>　　能量管理策略是混合動(dòng)力汽車技術(shù)的核心部分，混合動(dòng)力汽車之所以能實(shí)現(xiàn)油耗低和排放少，基本依賴于能量管理策略。能量管理策略的主要控制目標(biāo)是提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)排

65、放、蓄電池壽命、駕駛性能及整車成本等多方面的要求，并針對(duì)混合動(dòng)力汽車各部件的特性和汽車的運(yùn)行工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、蓄電池和傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳匹配。</p><p>　　并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的控制策略主要從以下幾個(gè)方面考慮的，盡可能在汽車怠速和低速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，從而充分利用電機(jī)的低速大扭矩的特性。在巡航時(shí)候，首先使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳的高效率區(qū)域內(nèi)，如果需要額外的峰值功率例如當(dāng)汽車行駛在坡路或加速工況時(shí)候，需要利用電機(jī)較寬

66、的恒高效功率區(qū)來提供峰值功率。不同的控制策略的針對(duì)性不同，比如有的是為了單獨(dú)要求發(fā)動(dòng)機(jī)最佳性能的電助力式控制策略，有的為了保護(hù)電池組的壽命而特地制定電池能量平衡策略，還有的應(yīng)用了目前研究比較熱的全局最優(yōu)控制策略、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及其他智能控制方式。</p><p>　　對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車而言，控制策略較為常用的幾種為：電力輔助控制策略、自適應(yīng)控制策略、模糊控制策略。本文采用的既是模糊控制策略，并將仿真結(jié)果與

67、電力輔助控制策略進(jìn)行比較。</p><p>　　3.1 控制策略簡單介紹</p><p>　　3.1.1 電力輔助控制策略</p><p>　　電力輔助控制策略是以發(fā)動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)源，電機(jī)為輔助驅(qū)動(dòng)源。使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)域內(nèi)工作，電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩起進(jìn)行削峰填谷，同時(shí)維持蓄電池的荷電狀態(tài)處于允許的工作范圍。該控圖2示出蓄電池組處于不同荷電狀態(tài)，在電力輔助控制策

68、略的作用下，與車速相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[4]。</p><p>　　電動(dòng)助力控制策略的要點(diǎn)具體可以表述為：</p><p>　　(1)當(dāng)汽車行駛速度低于某一速度時(shí)，或當(dāng)需要的轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化區(qū)域的最小扭矩點(diǎn)時(shí)，電機(jī)成為單一的驅(qū)動(dòng)源，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；</p><p>　　(2)當(dāng)工況需要的轉(zhuǎn)矩介于發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化區(qū)域的上下限情況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作；</p>&

69、lt;p>　　(3)當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化區(qū)域的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在上限水平，電機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)源，提供峰值轉(zhuǎn)矩，實(shí)行聯(lián)合驅(qū)動(dòng)；</p><p>　　(4)當(dāng)電池荷電狀態(tài)SOC值低于下限，而發(fā)動(dòng)機(jī)能提供多余轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下以發(fā)電方式運(yùn)行，為電池充電；</p><p>　　圖3.1 SOC<CS_lo_SOC情況下發(fā)動(dòng)機(jī)隨車速的工作狀態(tài)</p

70、><p>　　圖3.2 SOC>CS_lo_SOC情況下發(fā)動(dòng)機(jī)隨車速的工作狀態(tài)</p><p>　　(5)再生制動(dòng)過程中，電機(jī)以發(fā)電方式工作，提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)將回收的能量回饋入電池組。</p><p>　　電力輔助控制策略將發(fā)動(dòng)機(jī)限制于優(yōu)化工作區(qū)域，同時(shí)保證電池的荷電狀態(tài)SOC值處在一定范圍內(nèi)。較好的考慮了充電的效率和力度，充電轉(zhuǎn)矩隨電池荷電狀態(tài)值的大小而變化

71、，但發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化區(qū)域過大，受控制策略本身要求所限，不免會(huì)劃分過大的優(yōu)化區(qū)域，使控制較為粗略；對(duì)電池荷電狀態(tài)值控制過嚴(yán)，而發(fā)動(dòng)機(jī)也因?yàn)槭茈姵氐臓顟B(tài)的制約較為被動(dòng)。電力輔助控制策略的出發(fā)點(diǎn)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較高效率區(qū)，由電動(dòng)機(jī)來提供余下的功率，沒有考慮到電機(jī)的效率和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率，也沒有充分考慮排放問題。</p><p>　　3.1.2 實(shí)時(shí)控制策略</p><p>　　

72、并聯(lián)實(shí)時(shí)控制策略同時(shí)考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和排放，在每一時(shí)間步，都根據(jù)這一規(guī)則將扭矩需求合理的分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，以達(dá)到優(yōu)化燃油消耗和排放的目的。實(shí)時(shí)控制策略就是在已知混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件特性的基礎(chǔ)上，在任意時(shí)刻，通過實(shí)時(shí)比較各個(gè)工作模式的整體效率來決定各個(gè)部件的工作狀態(tài)，以使在整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過程中能量損失最小。</p><p>　　這一控制策略具體可以表述為：</p><p>

73、;　　1）當(dāng)車速低于某一最小車速時(shí)，由電機(jī)提供全部驅(qū)動(dòng)力。</p><p>　　2）當(dāng)車速大于最小車速，并且行駛需要扭矩小于電機(jī)的最大扭矩時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和電池的能量當(dāng)量來決定工作的動(dòng)力源。</p><p>　　3）當(dāng)行駛需要扭矩大于電機(jī)的最大扭矩，并且小于發(fā)動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)自提供全部驅(qū)動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電池充電，取決于電池的SOC以及此時(shí)

74、電池和電機(jī)的效率。在這種情況下，也可以利用能量當(dāng)量的概念加以判斷。即，將發(fā)動(dòng)機(jī)用來充電的那部分能量計(jì)算出其中的有用能量，然后給出發(fā)動(dòng)機(jī)在電池充電狀態(tài)下的等量的燃油消耗率，與發(fā)動(dòng)機(jī)不對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)的燃油消耗率加以比較，選擇燃油消耗率較小的工作模式。</p><p>　　4）當(dāng)行駛需要扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí)，由電機(jī)提供扭矩助力。</p><p>　　5）減速時(shí)，根據(jù)減

75、速請(qǐng)求，部分回收制動(dòng)能量。</p><p>　　在實(shí)際中，燃油消耗和排放同時(shí)達(dá)到最優(yōu)化是不可能的，這種控制策略實(shí)際上是兩種情況的折衷。對(duì)于汽油機(jī)來說，燃油消耗和排放同時(shí)達(dá)到較好的水平，這種情況是很少的，在發(fā)動(dòng)機(jī)的Map圖上是一塊很小的區(qū)域，而實(shí)際車輛運(yùn)行情況非常復(fù)雜，要想保證發(fā)動(dòng)機(jī)僅在那個(gè)很小的區(qū)域下運(yùn)行時(shí)不可能的，故而燃油經(jīng)濟(jì)性和排放同時(shí)最優(yōu)受到限制。</p><p>　　3.1.3

76、 模糊控制策略</p><p>　　模糊邏輯控制策略的出發(fā)點(diǎn)是通過綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及電池的工作效率來實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的整體效率最高。部分主要控制規(guī)則具體可以表述為：</p><p>　　(1)所需功率近似為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)功率時(shí)，電機(jī)基本不工作。</p><p>　　(2)所需功率大于最優(yōu)功率一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)位于最優(yōu)工作點(diǎn)附近，余下的部分功率由電機(jī)提

77、供，同時(shí)使電機(jī)運(yùn)行效率也在較高范圍內(nèi)。</p><p>　　(3)SOC超出限定值時(shí)，采取相應(yīng)措施，使其回到正常范圍。</p><p>　　3.2 模糊控制策略的設(shè)計(jì)</p><p>　　混合動(dòng)力汽車的工作過程是一個(gè)實(shí)時(shí)的，具有不確定性、不精確性，工作過程中存在較大噪聲，混合動(dòng)力汽車能量管理系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的邏輯門限值控制策略很難從精確定量的

78、尺度上確定相關(guān)控制參數(shù)的值，從而不能達(dá)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率的全局最優(yōu)。模糊邏輯控制策略是基于規(guī)則的即時(shí)控制策略,它不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型,大大增加了控制的自由度,有很強(qiáng)的魯棒性,能很好解決非線性復(fù)雜問題,故比較適用于并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。</p><p>　　3.2.1 設(shè)計(jì)思想</p><p>　　模糊控制[7]P166-261,[8]P259-265（Fuzzy Logic Cont

79、rol縮寫為FLC）是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法,它的知識(shí)模型是由一組模糊推理產(chǎn)生的規(guī)則構(gòu)成的,模糊規(guī)則是基于專家經(jīng)驗(yàn)建立起來的。 本文設(shè)計(jì)模糊邏輯控制策略的出發(fā)點(diǎn)在于兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)最高效率和最優(yōu)排放，且控制目標(biāo)：</p><p>　　控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效工作區(qū)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)和關(guān)閉；</p><p>　　保持主電機(jī)工作在高效率區(qū)，同時(shí)維持電池荷電狀

80、態(tài)SOC在一定的范圍，避免過度的充放電導(dǎo)致電池受損。</p><p>　　3.2.2 模糊轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　本文采用Mamdani模糊控制方法。模糊控制器的輸入為車輛需求轉(zhuǎn)矩T_req和電池荷電狀態(tài)SOC，輸出為期望引擎轉(zhuǎn)矩T_ice。</p><p>　　3.2.2.1 隸屬度函數(shù)</p><p>　　輸入變量隸屬函數(shù)

81、主要根據(jù)引擎、蓄電池的工作效率圖來確定。為了簡化計(jì)算，便于實(shí)時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行在線控制，本文采用三角形隸屬度函數(shù)。</p><p>　　圖3.3所示為需求轉(zhuǎn)矩隸屬度函數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求比較小時(shí)(圖中T1和T2區(qū)域)，引擎工作于低效區(qū)，從降低能耗和污染排放的角度考慮，應(yīng)首選電機(jī)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求中等時(shí)(圖中T3到T7區(qū)域)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作；當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求較大時(shí)(圖中T8到T11區(qū)域)，分為兩種情況考慮：</p>&l

82、t;p>　　(1)電池的SOC足夠高的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線上，不足的轉(zhuǎn)矩由電機(jī)提供；</p><p>　　(2)電池的SOC偏低時(shí)，引擎提供全部轉(zhuǎn)矩而電機(jī)不提供牽引力，等到負(fù)載較小時(shí)再由引擎給電池充電。</p><p>　　圖3.4所示為電池荷電狀態(tài)隸屬度函數(shù)。當(dāng)電池的SOC處于最優(yōu)范圍時(shí)(圖中S7區(qū)域)，電池的工作效率最高，此時(shí)電機(jī)既可以工作于發(fā)電狀態(tài)也可以工作于牽引狀

83、態(tài)；當(dāng)電池的SOC較低時(shí)(圖中S3到S6區(qū)域)，應(yīng)盡量對(duì)電池充電，使其工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到高效工作區(qū)；當(dāng)電池的SOC很低時(shí)(圖中S1和S2區(qū)域)，電機(jī)不再提供牽引力；反之，電池的SOC很高時(shí)(圖中S10和S11區(qū)域)，在回收制動(dòng)能量時(shí)電機(jī)不能工作于發(fā)電狀態(tài)。</p><p>　　3.2.2.2 規(guī)則庫</p><p>　　根據(jù)前面條件，建立“IF—THEN”型的規(guī)則庫，見下面的模糊邏輯控制表3

84、.1例</p><p>　　如從表中可以看到第一條規(guī)則可以解釋為，當(dāng)荷電狀態(tài)SOC位于S1區(qū)域且需求轉(zhuǎn)矩位于T1區(qū)域時(shí)，則輸出引擎轉(zhuǎn)矩T_ice位于U7區(qū)域，表示發(fā)動(dòng)機(jī)工作在目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，多出來的能量用于給電池充電。</p><p>　　表3.1 模糊規(guī)則</p><p>　　If Torque is T1 and SOC is S1,Then Tic is U6；&

85、lt;/p><p>　　If Torque is T1 and SOC is S2,Then Tic is U6；</p><p>　　If Torque is T1 and SOC is S3,Then Tic is U6；</p><p><b>　　…</b></p><p><b>　　…</b>

86、;</p><p>　　If Torque is T11 and SOC is S11,Then Tic is U7；</p><p>　　本文模糊控制器采用min-max法進(jìn)行模糊推理，最后用加權(quán)平均法來解模糊。將其用MATLAB中M文件程序?qū)崿F(xiàn)。</p><p><b>　　程序流程圖如下：</b></p><p>

87、　　圖3.6 程序流程圖</p><p>　　3.3 整車性能仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證</p><p>　　3.3.1 仿真的參數(shù)及測試條件</p><p>　　選用某型并聯(lián)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行仿真和動(dòng)力性能測試實(shí)驗(yàn)，樣車參數(shù)配置如下：風(fēng)阻系數(shù)0.28，迎風(fēng)面積2.5；總重量1233kg(包括載荷136kg)；發(fā)動(dòng)機(jī)為電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，排量1L，額定功率41kw，峰值效率為0.

88、34；電機(jī)為交流感應(yīng)電機(jī)，額定功率75kw，峰值效率為0.92；PB蓄電池16V 26Ah，共25塊，額定容量650Ah，蓄電池的高效工作區(qū)間的SOC值為0.5-0.7。本節(jié)首先將所設(shè)計(jì)的模糊控制管理模塊在NEDC循環(huán)工況下進(jìn)行仿真。然后與電力輔助控制策略在不同的循環(huán)路況下的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較。 </p><p>　　仿真道路選用CYC_NEDC循環(huán)（見圖3.6），總行程6.79 miles，時(shí)間1184 s，最大

89、車速74.56 miles/h。橫坐標(biāo)為行使時(shí)間，縱坐標(biāo)為行駛速度。在整個(gè)循環(huán)路況中，共停車13次，800 s之后速度明顯增大且大于40 miles/h。</p><p>　　3.3.2 模糊控制器在ADVISOR中的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　由于ADVISOR軟件有開放性代碼，所以本文對(duì)原先的模塊進(jìn)行二次開發(fā)，這樣可以利用軟件自帶的成熟的模塊，而不需我們?cè)龠M(jìn)行編寫。我們?cè)谠瑼DVIS

90、OR的并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車的頂層模塊圖3.7所示的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改并用模糊控制器模塊替換原圖中控制器模塊。</p><p>　　將編寫好的my_fuzzy.m文件導(dǎo)入MATLAB Function模塊中去，實(shí)現(xiàn)模糊控制。其中，圖3.8中的input Scaling 和output scaling是對(duì)控制器中的輸入和輸出做相應(yīng)的比例變換。</p><p>　　圖3.8 模糊控制器的SIMULI

91、NK仿真的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.3.3 仿真結(jié)果及分析</p><p>　　在ADVISOR2002仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如下所示：</p><p>　　圖3.9顯示電池荷電狀態(tài)SOC在整個(gè)循環(huán)工況中的變換曲線。其SOC曲線平滑變化，初始值約為0.7，最終SOC值約為0.61，波動(dòng)大小為0.075，基本實(shí)現(xiàn)充放電平衡。在0s-700s時(shí)間段內(nèi)，因

92、汽車速度低，電機(jī)參與提供轉(zhuǎn)矩，所以荷電狀</p><p>　　圖3.9 電池荷電狀態(tài)SOC值曲線</p><p>　　態(tài)SOC值持續(xù)下降。而在700s以后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最優(yōu)區(qū)域，且對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，因此，SOC值基本維持一定范圍而變化較小。</p><p>　　圖3.10顯示污染物（HC、CO、NOx、PM等）排放在整個(gè)循環(huán)路況中的排放情況?？傮w看，還是汽車啟動(dòng)時(shí)

93、污染物排放量大。但在汽車完全啟動(dòng)之后，污染物排放明顯減少，在800s后，因汽車速度迅速加大，污染物排放量也跟著增大。</p><p>　　從圖3.12可知：電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨循環(huán)行駛工況正負(fù)變化，電動(dòng)機(jī)起到了輔助動(dòng)力和能量回收功能。在循環(huán)工況的100到800秒階段，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨著負(fù)載的降低而逐漸減小。發(fā)動(dòng)機(jī)擔(dān)負(fù)了大部分的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。電機(jī)只有在急劇加速或回收制動(dòng)能量的時(shí)刻工作。 </p><p>　

94、　從圖3.13 可知：在模糊邏輯控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)非常集中，發(fā)動(dòng)機(jī)的波動(dòng)較小，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。</p><p>　　3.3.4 模糊控制策略與電力輔助控制策略進(jìn)行比較</p><p>　　模糊邏輯控制策略嵌入ADVISOR模塊后，可以對(duì)其控制效果進(jìn)行比較。選擇同樣的混合動(dòng)力汽車參數(shù)配置(如表2所示)，將其分別與電力輔助控制策略在不同的道路循環(huán)下加以仿真比較。各種性能的結(jié)果比較

95、如表3.2所示,表中模糊邏輯控制以FLC表示,電力輔助控制以EAC表示。</p><p>　　表3.2 模糊控制策略與電力輔助控制策略的仿真性能比較</p><p>　　FLC---模糊控制策略 EAC---電力輔助控制策略</p><p>　　從荷電狀態(tài)SOC變化范圍看，模糊控制策略下的循環(huán)條件下SOC

96、變化范圍更小,這可以延長電池的使用壽命；發(fā)動(dòng)機(jī)效率方面，模糊控制下發(fā)動(dòng)機(jī)效率明顯高于電力輔助控制策略；從每百公里燃油量方面看，耗油量明顯減少，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性；排放污染物方面，模糊控制策略各個(gè)指標(biāo)的排放量都小于電力輔助控制策略的相應(yīng)的指標(biāo)。由此可見,模糊控制策略確實(shí)能同時(shí)兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)效率和排放兩方面，模糊控制能很好地實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車的性能優(yōu)化。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b&

97、gt;</p><p>　　本章首先簡單介紹了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車常用的、具有代表性的幾種控制策略，然后對(duì)這幾種控制策略進(jìn)行的了較詳細(xì)地研究和對(duì)比，分析了這些控制策略優(yōu)、缺點(diǎn)。在以上工作的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模糊控制器來控制混合動(dòng)力汽車的能量分配，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效率區(qū)，并維持蓄電池的荷電狀態(tài)SOC在一定范圍。最后將模糊控制管理策略在不同循環(huán)工況（文中為NEDC新歐洲循環(huán)路況）上進(jìn)行仿真，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果于電力輔助控制管理策略下的

98、進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明：模糊邏輯的應(yīng)用對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池和電動(dòng)機(jī)的整體工作效率非常有利，而且有助于改善排放性能。且模糊控制策略各個(gè)方面都要優(yōu)于電力輔助控制策略。</p><p>　　第4章 再生制動(dòng)時(shí)的能量控制策略</p><p>　　并聯(lián)式混合動(dòng)力能量控制系統(tǒng)除了驅(qū)動(dòng)能控制部分外，再生制動(dòng)能量的控制也是一個(gè)重要組成部分。上文只涉及到驅(qū)動(dòng)時(shí)部件之間的能量分配，并未涉及到制動(dòng)時(shí)電機(jī)再生

99、制動(dòng)和摩擦制動(dòng)力之間的分配，這對(duì)汽車制動(dòng)安全及提高整車能量利用效率都是十分重要的。</p><p>　　4.1 再生制動(dòng)影響因素</p><p>　　在制動(dòng)過程中，希望最大限度的回收能量，然而實(shí)際上，并不是所有的制動(dòng)能量都可以回收，只有驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)能量可以沿著與之相連接的驅(qū)動(dòng)軸傳送到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。從總體上看，影響混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)的主要因素包括以下幾個(gè)方面:</p>&l

100、t;p>　　(1)電機(jī)。電機(jī)是影響再生制動(dòng)的主要因素之一，電機(jī)的制動(dòng)能力越強(qiáng)，在分配再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)之間的比例關(guān)系時(shí)，可以使再生制動(dòng)的比例增大，從而增加回收的再生制動(dòng)能量。</p><p>　　(2)鎳氫電池。能否將電機(jī)所發(fā)出的電能全部、快速的吸收是研究和設(shè)計(jì)再生制動(dòng)系統(tǒng)最重要和急需解決的問題之一。</p><p>　　(3)控制策略?？刂撇呗跃蜎Q定了再生制動(dòng)能量回收的多少?？刂撇?/p>

101、略規(guī)定了前后輪制動(dòng)力以及再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的比例關(guān)系。</p><p>　　(4)使用環(huán)境。并聯(lián)式混混合動(dòng)力汽車行駛環(huán)境包括路況和車輛的當(dāng)前狀態(tài)等。</p><p>　　4.2 混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)分配</p><p>　　混合動(dòng)力汽車定比例制動(dòng)力分配控制策略是在傳統(tǒng)汽車定比例制動(dòng)力分配控制策略基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，傳統(tǒng)汽車前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配關(guān)系：</p&g

102、t;<p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　式中：——前輪制動(dòng)力（N）；</p><p>　　——后輪制動(dòng)力（N）；</p><p>　　——總制動(dòng)力（N）；</p><p>　　——制動(dòng)力分配系數(shù)。</p><p>　　對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車，本文中前后軸制

103、動(dòng)力分配采用理想制動(dòng)力分配。在前后軸制動(dòng)力分配好后，再對(duì)前后軸的再生和摩擦制動(dòng)進(jìn)行二次分配。其制動(dòng)力分配示意圖[9,10]如圖4.1。</p><p>　　圖4.1 制動(dòng)力分配示意圖</p><p>　　故，引入再生制動(dòng)力分配系數(shù)，其大小定義如式：</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　式

104、中：——電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在前車輪處產(chǎn)生的制動(dòng)力，即，再生制動(dòng)力（N）。</p><p>　　因此，混合動(dòng)力汽車各個(gè)制動(dòng)力的分配關(guān)系：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　式中：——前輪摩擦制動(dòng)力（N）；</p><p>　　——后輪摩擦制動(dòng)力（N）；</p><p>&

105、lt;b>　　——制動(dòng)強(qiáng)度。</b></p><p>　　4.3 混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)控制策略</p><p>　　混合動(dòng)力汽車的整車制動(dòng)力由摩擦制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力構(gòu)成。對(duì)于前驅(qū)車輛，后輪始終為摩擦制動(dòng)，因此前輪制動(dòng)力可由前輪再生制動(dòng)力加摩擦制動(dòng)力提供。為最大程度回收制動(dòng)能量，應(yīng)盡可能使用再生制動(dòng)。當(dāng)所需的制動(dòng)力超過電機(jī)所能提供的最大再生制動(dòng)力時(shí)，由摩擦制動(dòng)提供超出

106、的制動(dòng)力，在制定再生制動(dòng)控制策略的時(shí)候應(yīng)考慮汽車制動(dòng)的安全性以及電池SOC值[10]。</p><p>　　(1)制動(dòng)踏板的動(dòng)作時(shí)，首先判斷電池的SOC值，如果SOC＞0.8，就采用傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)，及前后輪制動(dòng)都采用摩擦制動(dòng)。如果SOC≤0.8，進(jìn)行電機(jī)再生制動(dòng)。</p><p>　　(2)由制動(dòng)踏板位移可算出制動(dòng)強(qiáng)度z</p><p>　　A、制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí)，

107、為盡可能多地回收制動(dòng)能量，此時(shí)后輪無制動(dòng)力，整車制動(dòng)力全由前輪再生制動(dòng)力提供。</p><p>　　B、制動(dòng)強(qiáng)度0.1＜z＜0.7時(shí)，電機(jī)不能提供足夠的再生制動(dòng)力，在保證制動(dòng)安全條件下，前輪制動(dòng)力由電機(jī)再生制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力聯(lián)合產(chǎn)生。</p><p>　　C、當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.7時(shí)，為保證汽車緊急制動(dòng)時(shí)的安全性，無電機(jī)再生制動(dòng)，整車制動(dòng)力全部由摩擦制動(dòng)力產(chǎn)生。</p><

108、;p>　　圖4.2 再生制動(dòng)控制邏輯</p><p>　　再生制動(dòng)控制策略在ADVISOR中實(shí)現(xiàn)，如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 再生制動(dòng)控制策略</p><p>　　驗(yàn)證再生制動(dòng)控制策略的可行性，給電池的SOC初始值為0.5，仿真結(jié)果如下圖。相對(duì)于SOC初始值為0.7的工況，電機(jī)的荷電狀態(tài)SOC值過小，不能提供額外的轉(zhuǎn)矩用以驅(qū)動(dòng)，因此，發(fā)

109、動(dòng)機(jī)更常處于工作狀態(tài)，電機(jī)更多的處于發(fā)電狀態(tài)。電池的SOC值在整個(gè)仿真過程中的整體是一個(gè)變大的趨勢(shì)。電機(jī)發(fā)電能量主要來源于兩個(gè)方面，一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)多余的功率(利用發(fā)動(dòng)機(jī)多余的功率可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率)，另外是再生制動(dòng)能量的回收。在整個(gè)工況循環(huán)結(jié)束時(shí)SOC值變?yōu)榱?.54，增大了0.04。</p><p>　　圖4.4 循環(huán)工況下SOC的變換范圍</p><p>　　圖4.5 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

110、變化曲線</p><p>　　圖4.6 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線</p><p>　　觀察整個(gè)循環(huán)路況中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線相對(duì)于荷電狀態(tài)SOC的初始值為0.7的工況，在轉(zhuǎn)矩輸出有很大差別，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩基本都為負(fù)，因此，電機(jī)一直處于充電狀態(tài)，進(jìn)而為電池充電，增大了荷電狀態(tài)SOC的值。</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b>&l

111、t;/p><p>　　本章只簡單介紹了混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)制動(dòng)力的分配，又較簡單了解再生制動(dòng)控制策略。本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)雖然主要在驅(qū)動(dòng)能控制方面，但是作為完整的并聯(lián)式混合動(dòng)力能量控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，再生制動(dòng)能控制的設(shè)計(jì)也是必不可少的。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　局限于汽油緊缺和電池技術(shù)不成熟，融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃

112、機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力汽車，可以在短期內(nèi)有效地降低污染物排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，因此，其是解決當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)保問題最好的方式。混合動(dòng)力汽車是一個(gè)集成電氣、機(jī)械、化學(xué)和熱力學(xué)等為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。如何實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源高效率協(xié)調(diào)的工作，是混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。本文結(jié)合廣大學(xué)者的研究成果，進(jìn)行了PHEV模糊控制器的設(shè)計(jì)。概括起來，本文主要完成的內(nèi)容和取得的成果如下：</p><p>　　

113、（1）深入研究比較混合動(dòng)力汽車的分類和特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，最終本文選擇單軸并聯(lián)混合方式作為全文的設(shè)計(jì)對(duì)象。</p><p>　?。?）以美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室在MATLAB/SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)的電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR為基礎(chǔ)，深入分析了混合動(dòng)力系統(tǒng)中的主要子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如整車動(dòng)力學(xué)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型、蓄電池模型、傳動(dòng)系模型等，為后面的控制策略設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。</p>&l

114、t;p>　　（3）比較不同控制策略的工作方式和優(yōu)缺點(diǎn)，由于模糊控制對(duì)于高度非線性的復(fù)雜問題，具備良好的魯棒性，非常適合混合動(dòng)力汽車能量管理系統(tǒng)的控制。本文利用.M文件編寫程序，通過嵌入ADVISOR軟件中，利用軟件中成熟的模塊，完成模糊器的設(shè)計(jì)。在新歐洲循環(huán)路況NEDC條件下仿真，對(duì)荷電狀態(tài)SOC值、污染物（HC、CO、NOx等）、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)進(jìn)行研究。并將模糊控制策略下的各性能指標(biāo)與電力輔助控制策略進(jìn)行比較。分析結(jié)果表明