并联式混合动力汽车的真能量管理的控制仿Word文档下载推荐.docx

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因此，有效地解决汽车燃烧和排放问题，对缓解能源造成的压力，改善汽车排放对城市和人们生存环境具有重要意义。

十多年来，电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等解决上述问题的新的汽车技术成为人们研究的热点。

与当今汽车技术水平相适应，发动机与电机混合驱动的混合动力汽车技术在改善汽车性能、降低汽车排放等方面效果明显，短期内有望成为低能耗、低排放汽车的替代技术。

控制策略的技术研究是混合动力汽车技术开发的核心之一，也是目前混合动力汽车设计与研究的关键所在。

与传统的逻辑门限控制策略相比，模糊控制主要依据工程经验来制定控制规则，并显示出了良好的控制效果和应用前景。

同时，模糊控制所依据的工程经验有很大的可变性，近年来，模糊控制的优化问题越来越受到大家的关注。

遗传算法作为一种成熟的优化方法，在优化多目标非线性问题上有很大的应用。

将遗传算法引入模糊控制器，从而形成遗传模糊控制算法应用于实际的控制问题。

本文在充分分析现有混合动力汽车控制策略的前提下，总结出混合动力汽车控制策略的目标和控制策略的形式，选用遗传模糊逻辑控制策略实现并联混合动力汽车控制系统，并对优化前后进行仿真分析比较。

本文的主要研究内容包括：

首先，详细分析并联混合动力汽车控制策略研究的重要意义，并提出控制目标,从控制目标的角度将现有并联混合动力汽车控制策略归类说明，同时对目前控制策略进行简要的介绍。

其次，介绍了在Matlab/Simulink/ADVISOR2002环境下建立的并联式混合动力汽车整车和动力总成的仿真模型，为后续模糊转矩控制策略的研究奠定基础。

再次，本文详细分析介绍并联混合动力汽车转矩分配模糊逻辑控制策略。

并联混合动力汽车模糊逻辑控制策略的设计和研究是以并联混合动力驱动系统结构特点和目前混合动力汽车控制目标的详细分析作为基础的，利用模糊逻辑控制技术完成控制策略的设计开发。

最后，本文将模糊控制应用于混合动力汽车，并进行进行仿真比较。

仿真结果表明，模糊控制策略与传统的逻辑门限控制策略相比，燃油经济性有了一定的提高。

说明此种控制策略与传统的逻辑门限控制策略相比有其优越性。

关键词：

并联混合动力能量管理策略模糊控制

Abstract

Energysaving,environmentalprotectionandsafetyremainthethreesubjectsintoday’sworld.Withthedevelopmentofmoderntechnology,automobilesarebecomingoneofthemaintraffictoolsforpeoples,buttheyalsoconsumealargeofoils.So,itisofgreatsignificanceforustoreleasetheenergy

pressureandimprovetheairqualityofcitybytakingefficientmeasurestoreduceemissionsofvehicle.Oneofthemostimportantresearchesonmodernvehicletechnologiesfocusesonhowtoimproveitsperformancesandreducethefuelconsumptionandemissionsofvehicles.Inthepasttenyear,somenewtechnologieshavebecomethehotspotbecauseitcomepossibletosolvetheaboveproblemsforelectricvehicle,hybridelectricvehicleandfuelcellelectricvehicleetc.Inashortrun,thehybridpropulsionsystemmaybecomethesubstituteoflowemissionvehicle（LEV）,ultra-lowemissionvehicle（ULEV）andzero-emissionvehicle（ZEV）becauseofitspotentialsinreducingemissionsandbetteringperformancesofvehicle.

Theresearchofcontrolstrategyisthecoreofthehybridelectricvehicle,andit’salsothecruxofHEV’sdesignandresearchatpresent.Comparedwithconventionaldeterministicrule-basedcontrolstrategy,fuzzycontrolstrategyisbasedontheexpertexperimentstodeterminethefuzzyrules,andithasgoodcontroleffectwithbrightfuture.Also,fuzzycontrolhasitschangeabilitybecauseofexpertexperiments.Geneticalgorithmisafeasibleoptimizationmethodthathasbeenusedinmulti-objectiveandnon-linearproblem.So,fuzzycontrolstrategyistunedbygeneticalgorithmandgeneratesgenetic-fuzzycontrolstrategy,thenitwasusedinactualcontrolproblem.HEVcontrolstrategieshadbeenanalyzedinthisthesisandthensummarizedtheformofcontrolstrategiesandcontroltargets.Genetic-fuzzylogiccontrolstrategyhasbeenchoosentoconstituteenergymanagementsystem（EMS）inparallelhybridelectricvehicle.Thenweanalyzethesimulationresults.Themaincontentsareasfollows：

Firstly,thethesisanalyzetheimportantofHEVcontrolstrategyresearchindetail,puttingforwardcontroltargetinHEV,categorizingelucidationtheHEVcontrolstrategyfromtheangleofthesecontroltargetsexisted,atthesametimethisthesisinvolvesthecurrentcontrolstrategyforabriefintroduction.

Secondly,thesimulationmodelsofparallelHEVandpowertrainisbuiltinMATLAB/SimulinkandADVISOR2002,tomakethefoundationforthefutureresearchanddevelopment.

Thirdly,thethesisconstruestorquedistributionfuzzycontrollerinparallelhybridelectricvehicle.ThedesignandresearchofparallelHEVfuzzylogiccontrolstrategyisbasedonparallelHEVdrivingsystemandHEVlogicthresholdcontrolstrategies,usingthefuzzylogiccontroltocompletethedesignofcontrolalgorithm.Inthisthesis,fuzzylogiccontrolstrategyhasbeensystematicallyintroducedandbuildedfuzzylogiccontrolsystemforparallelHEV.

Finally,thefuzzycontrolappliedtohybridvehicles,andtocomparesimulation.Simulationresultsshowthatcomparedtothetraditionallogicthresholdcontrolstrategy,theVehiclewithfuzzycontrolstrategyimprovesfueleconomyinsomeextents.Itshowsthatcomparedtothetraditionallogicthresholdcontrolstrategythecontrolstrategyhasitsadvantages.

keywords：

parallelhybridelectricvehicle（HEV）Energymanagementstrategyfuzzycontrol

第1章绪论

1.1问题的提出

当今社会汽车已成为人们必不可少的交通工具，汽车工业已成为一个国家现代化水平的重要标志之一。

汽车虽然给人类带来方便，但也给全球环境带来巨大的灾害，据统计，全球42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交通车辆造成的[1]。

面对日趋严重的能源短缺与环境恶化问题，寻求社会经济与资源环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流。

混合动力汽车（HEV,hybridelectricvehicle）是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，它采用发动机、电机和电池作为混合动力总成，既能体现电动车辆节约能源和超低排放的优点，又弥补了电动车辆续驶里程不足的缺陷。

在国内,由于混合动力汽车起步较晚,对混合动力控制策略的研究远没有达到成熟的程度,大多处于理论研究阶段[2],与国外混合动力汽车控制方面的技术水平有相当大差距。

开展混合动力汽车控制策略研究,对掌握混合动力汽车关键技术的自主研发能力,促进我国混合动力汽车的产业化进程有十分重要的意义。

为了适应这一形势的要求，世界各国政府和大的汽车公司均在开发新型清洁动力汽车。

1.2混合动力汽车简介

1.2.1混合动力汽车的概况与分类

国际电工技术委员会电动道路车辆技术分会1981年曾给“混合动力汽车”下过一个定义：

“混合动力汽车”是指在特定工作条件下，可以从两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器获取驱动能量，且其中至少有一种可以提供电能的车辆。

目前国内外研究的HEV有多种结构，其分类方法一般有三种：

按“混合度”分类、按“动力系统布置”分类以及按蓄电池组的荷电量变化情况分类。

（1）按混合度分类

对于并联型混合动力汽车，电动机功率与发动机加蓄电池功率之和的比值称为混合度，根据混合度大小，分为重度、轻度和微度混合型。

1）重度混合型

重度混合型混合动力汽车具有怠速停、再生制动，电动机助力，轻载充电和纯电动驱动功能。

如果所用的电动机功率相对较小，也可称为中度混合型。

Prius也属于重度混合型。

2）轻度混合型

轻度混合型混合动力汽车具有怠速停、再生制动、电动机助力和轻载充电功能，但没有纯电动驱动功能。

相对重度、中度混合型而言，轻度混合型的电动机/发电机功率比较小，整车制造成本低，但发动机在高效区运行的机会减少，再生制动能量回收能力减小，因此燃油经济性不如重度和中度混合型。

Insight属于轻度混合型。

3）微度混合型

微度混合型混合动力汽车具有怠速停功能，有的汽车还具有再生制动功能。

微度混合型结构简单，改装成本低，但燃油经济性不如轻度混合型。

（2）按动力系统布置分类，HEV主要分为串联型、并联型和混联型。

1）串联式

串联式混合动力汽车（SHEVSeriesHyirdElectricVehicle）：

发动机和发电机组成发电机组，通过功率分配将电池组、电动机和发电机组连接起来，单独通过电动机来驱动机车。

而电能可以由电池提供，也可以由发动机驱动发电机来提供，结构如图1-1。

2）并联式

并联式混合动力汽车（PHEVParallelHyirdElectricVehicle）：

保留了发动机和传动系统的机械连接，两个牵引机同时与驱动轴相连，它们既可各自单独向驱动系统提供动力，又可共同协调一致的提供动力，结构如图1-2。

3）混联式

混联式混合动力汽车（Series一ParallelHyirdElectricVehicle）：

在结构上综合了串联式和并联式的特点。

这种结构既包括并联式混合结构中的连杆机构，又包括串联式混合结构中的电气联动机构。

混联式HEV布置方案综合了串、并联的优缺点，具有最优综合性能，但系统组成庞大，传动系布置困难。

混联式HEV要实现串、并联的分支间的合理切换，因此对控制系统和相关控制策略也提出了很高的要求，结构如图1-3。

图1-1串联式驱动系统结构图

图1-2并联式驱动系统结构图

图1-3混联式驱动系统结构图

（3）按蓄电池组的荷电量变化情况分类

1）荷电维持型

荷电维持型混合动力汽车在跑完一个循环行驶工况后，蓄电池组的SOC值与开始时相等。

荷电维持型混合动力汽车采用车载充电，不需要车外充电器。

这种类型的混合动力汽车包括串联型、并联型和混联型。

2）荷电消耗型

荷电消耗型混合动力汽车具有纯电动行程，其蓄电池的电量随着汽车的运行而逐渐消耗掉。

蓄电池组由车外充电器充电，充分利用了热效率高达４５％的电力。

由于蓄电池的充放电损失减少，这种类型车的能量经济性比较好。

这种类型的混合动力汽车也包括串联型和并联型。

1.2.2混合动力汽车的关键技术

混合动力汽车是以先进控制技术为纽带的传统燃油汽车与纯电动汽车的结合，其技术涵盖面广，是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高科技产品。

混合动力汽车的关键技术大致包括车身及结构设计、动力电池及其管理系统、电驱动系统、能量管理策略、动力系统参数匹配等[3]。

1.2.2.1车身及结构设计

混合动力汽车车身设计有两种基本方法：

一种是改装，另一种是专门设计制造。

目前，现代混合动力汽车大部分是为特定目的而设计的，这种特定设计的混合动力汽车与改装车相比有一定的优势，它允许工程师灵活地调整和整合各子系统，使之能有效地工作。

在设计混合动力汽车时，对影响整车整体性能（如续驶里程、爬坡能力、加速能力以及最高车速）的参数需要进一步改进，比如减轻整车的质量、降低风阻系数和减小滚动阻力等。

对于混合动力汽车来说，除了传统燃油汽车的相关结构外，整车的组成，更重要的是发动机、电机、储能装置的布置形式，在很大程度上决定了混合动力汽车的控制方式和性能指标。

1.2.2.2动力电池及其管理系统

动力电池是混合动力汽车的基本储能单元之一，其性能直接影响到驱动电机的性能，从而影响整车性能。

混合动力汽车上的动力电池其使用状况不同于纯电动汽车，在工作时，动力电池常处于非周期性的充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率高，因此混合动力汽车动力电池不仅需要高的能量密度（W/kg），而且有高的功率密度（W/kg）。

混合电动汽车上常用的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和铿离子电池三大类。

铅酸电池价格便宜，但其能量密度低、比能量低、循环寿命短，有被其它两类电池取代的趋势。

虽然目前混合动力汽车动力电池以镍氢电池居多，但随着铿离子电池性能的进一步改进，成本逐步降低，同时大功率理离子电池的安全问题得到较好解决，长远来看，使用铿离子电池作为混合动力汽车乃至纯电动汽车动力电池将是未来趋势。

混合动力汽车动力电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电电流的大小及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响。

电池管理系统可以实现对动力电池组的状态监控及管理，是混合动力汽车的重要研究内容之一。

电池管理系统的功能主要包括：

（1）准确地计算电池荷电状态（stateofcharge）；

（2）实时监控电池单体/模块的电压、电流和温度等参数，诊断电池状态；

（3）能够对电池组进行热管理，包括需要时加热或冷却电池组；

（4）能够监控并校正电池组内单体或模块电池的不均匀状态。

1.2.2.3电驱动系统

电驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运行。

另外，混合动力汽车的驱动电机的运行工况也相当复杂，包括高转矩、低转速和恒功率、高转速等。

因此，驱动电机需要通过完善的控制系统来实现与汽车运行工况的合理匹配，以满足对电机驱动系统的以下要求：

（1）恒功率输出和高功率密度；

（2）在汽车起步和爬坡时具有低速一高转矩的输出特性；

（3）具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；

（4）快速的转矩响应特征：

（5）在转矩/转速特性的较宽范围内具有高的效率；

（6）再生制动时的能量回收效率高；

（7）能在不同的工作条件下可靠地工作。

1.2.2.4能量管理策略

作为一种新型的多能量源交通工具，混合动力汽车的性能与其采用的能量管理策略密切相关，能量管理策略是传统燃油汽车与纯电动汽车完美结合的纽带，是混合动力汽车成败的最终决定性因素。

能量管理策略根据驾驶员的操作，如加速踏板、制动踏板等，判断驾驶员的意图，在满足车辆动力性能的前提下，最优的分配电机、发动机、动力电池等部件的功率输出，实现能量的最优分配，提高车辆的燃油经济性和排放性能。

由于混合动力汽车中电池不需要外部充电，能量管理策略还应考虑动力电池的荷电状态平衡，以延长电池寿命，降低车辆维护成本。

1.2.2.5动力系统参数匹配

合理匹配混合动力系统的各个部件的参数是提高混合动力汽车动力性、燃油经济性、尾气排放性等车辆性能的关键，是组成性能最优的混合动力系统的一个重要内容，它主要包括合理的选择和匹配发动机功率、电机功率、动力电池容量和数量、变速器参数等。

由于动力系统的组合方案有多种，并且参数设计具有较大的自由度，目前，采用各种优化算法结合电动汽车专用仿真软件进行计算机仿真是进行混合动力系统参数匹配的一个重要手段。

1.3并联混合动力汽车控制策略概述

1.3.1并联混合动力汽车控制策略的重要性

并联混合动力汽车控制策略需要解决的主要问题就是如何实现需求转矩在发动机和电机之间的最优分配，具体来讲就是控制策略接收踏板信号和各传感器信号，通过一定的控制规则给发动机和电机分配扭矩，规定发动机和电机的工作点，满足动力性能的要求下提高燃油经济性和降低排放。

并联混合动力汽车控制策略要在发动机和电机之间合理的分配需求扭矩，规定发动机和电机的工作状态和工作点，使整车燃油经济性和排放性能达到最佳。

并联混合动力汽车各动力总成参数确定下来之后，控制策略的制定是决定汽车油耗和排放的关键所在，另外控制策略也是自主知识产权的重要标志，控制策略的开发与研究在混合动力汽车发展过程中至关重要。

控制策略中关键部分就是控制目标和控制目标实现的手段，控制目标就是控制策略的意图，手段则是目前所说的控制策略。

本文主要针对不同的目标和控制手段进行详细的分析介绍，从而为并联混合动力汽车建立合适的控制策略。

1.3.2并联混合动力汽车控制策略研究现状

早期的控制策略由于技术的限制大多是基于速度的控制。

在这种控制策略中，将发动机启动的设定车速设计为一个定值，依据瞬时工况车速判定整车的工作模式：

当车速低于设定值时，发动机关闭，由电机单独工作；

当车速高于设定值时，发动机单独工作；

当车轮负荷比较大时（如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡），则由发动机和电机联合驱动车轮。

基于速度的控制策略，由于其简单，易于被控制工程师理解，技术门槛较低，因而在混合动力汽车开发初期得到了较为广泛的研究和应用。

但同时也有其明显的缺点：

控制参数单一，动态特性差，没有充分利用混合动力系统的优势，通常整车的燃油经济性不是最优，而且还没有考虑排放，特别是有时车速即便很高，但对驱动力的要求可能很低，比如在高速滑行或匀速行驶时，此时发动机的工作负荷较低，效率不高。

近年来，随着混合动力汽车的快速发展，不断地有新的控制策略的提出，混合动力汽车控制策略的种类变得纷繁复杂，如图1-4，但总体上最常用、最有效的有四种，逻辑门限值控制策略、模糊逻辑控制策略、自适应控制策略和神经网络控制策略[4]，下面分别对这几种控制策略作简要的介绍。

1.3.2.1逻辑门限值控制策略

逻辑门限值控制策略也被称为简单的基于规则的控制策略，其基本思想是优先保证发动机在较高效率区间内工作，在该区间以外（当发动机转矩或转速较小时）利用电机替代发动机工作，而电机的能量来源是回收部分制动能量和发动机发电为电池充电。

基于规则的控制策略是一种简单易行、应用广泛的混合动力汽车控制策略，也是目前主要应用到混合动力汽车实车控制中的控制策略。

其实现简单，目前实际应用较为广泛。

但由于主要依靠工程经验设置门限参数，静态逻辑门限策略无法保证车辆燃油经济性最优，而且这些静态参数不能适应工况的动态变化，无法使整车系统达到最大效率。

图1-4并联式混合动力系统控制策略分类

1.3.2.2模糊逻辑控制策略

该策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，将“专家”的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器将车速、电池SOC、需求功率/转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策，以实现对混合动力系统的合理控制，从而提高车辆整体性能。

基于模糊逻辑的策略可以表达难以精确定量表达的规则；

可以方便地实现不同影响因素（功率需求、SOC、电机效率等）的折中。

从本质上说，模糊逻辑控制策略也是一种基于规则的控制策略。

两种控制策略的控制目标大致相同，主要区别是各种门限值的表示方式，逻辑门限值控制策略是基于布尔逻辑，用精确值描述控制规则，后者是基于