1、目 次1 绪论 .11.1 论文背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 混合动力汽车简介 .21.4 能量管理控制系统研究现状 .41.5 主要研究内容 .62 混合动力系统动态特性研究与建模 .72.1 引言 .72.2 混合动力系统建模 .82.2.1 发动机模型 .82.2.2 电池模型 .112.2.3 电机模型 .122.2.4 传动系模型 .142.3 车辆控制器模型 .162.4 驾驶员模型 .162.5 车辆纵向动力学模型 .162.5.1 车轮模型 .162.5.2 汽车行驶动力学模型 .172.6 附件模型 .182.7 本章小结 .193 基于规则的逻辑门限控制策略
2、 .203.1 引言 .203.2 能量管理策略原理 .213.3 控制系统结构 .223.4 混合动力系统工作模式分析 .243.4.1 请求转矩的识别 .253.4.2 负荷平衡控制 .263.5 控制程序设计 .283.6 仿真结果 .313.7 本章小结 .354 控制策略的参数优化方法 .374.1 引言 .374.2 参数优化数学模型 .384.2.1 设计变量的确定 .384.2.2 参数优化数学模型 .384.3 稳态进化算法 .394.3.1 改进型稳态进化算法设计 .394.3.2 SEA 的数值试验 .424.4 控制策略参数的离线优化 .454.5 本章小结 .495
3、模糊控制能量管理策略 .505.1 引言 .505.2 模糊逻辑控制基础 .515.2.1 模糊控制器的组成 .515.2.2 模糊集合 .515.2.3 模糊控制器设计的主要内容 .525.3 模糊转矩控制器设计 .545.3.1 输入输出设计 .545.3.2 控制规则库设计 .565.4 仿真结果与分析 .575.5 本章小结 .616 基于动态规划的全局最优控制 .646.1 引言 .646.2 最优控制数学建模 .656.3 数值动态规划求解 .676.3.1 动态规划算法 .676.3.2 附加代价函数 .696.3.3 可达状态集、容许控制集的确定与量化 .706.3.4 系统动
4、态模型的 C 代码实现 .726.4 动态规划结果 .766.5 本章小结 .807 并联式混合动力汽车的仿真研究 .827.1 ADVISOR 软件 .827.2 ADVISOR 中并联式混合动力汽车各部分仿真模型 .847.3 仿真结果分析 .867.4 本章小结 .90总 结 .91致谢 .92博士生期间发 表的学术论文 .93个人简历 .94永久通信地址 .9511 绪论1.1 论文背景随着环境污染问题越来越严重，石油资源越来越短缺，世界各国越来越重视环境问题。随着进一步的城镇化、工业化和全球化，世界范围内私人汽车数量的快速增长是必然的。交通运输对石油资源具有极大的依赖性，使汽车飞速发
5、展带来的问题日益突出。个人交通运输为人们的出行提供了方便。然而，由于这种选择带来的一系列冲突，使得人们越来越担心环境问题和自然资源的可持续使用问题。随着汽车需求量的不断增大，人们对石油需求量的日益增加，废气排放问题越来越严重，造成严重的空气污染，对人们的日常生活和生命健康造成严重危害，全世界面临这全球气候变化的巨大难题。燃烧化石燃料产生的排放物增加了地球大气层中温室气体的浓度，进而导致全球的气温上升和世界上一部分地方出现极端天气现象。全球的气候变化可能导致生态系统的失衡，最终危及人类。因此，未来的个人交通运输应当保障整个社会的自由度，促进整个社会的可持续性和经济的可持续增长和繁荣。为了达到这些
6、目的，研发由清洁、安全、环保能源的电驱动车辆是很有必要的。目前，还没有一种能源能完全替代石油来驱动汽车，在这种情况下，混合动力汽车是过渡时期的最好选择。虽然纯电动汽车作为一种无污染的新型汽车，受到人们的青睐，但是纯电动汽车的电池储能问题一直没有得到很好解决，所以混合动力汽车是现阶段最受重视的新能源汽车。混合动力汽车研究的关键技术是能量管理策略，能量管理策略的好坏能直接影响混合动力汽车的成本和性能。目前比较常见的车辆为并联式混合动力汽车、串联式混合动力汽车，能量控制系统包括发动机、电机和电池，他们之间能量的合理配置是混合动力汽车能量管理优化的一个重要问题，能量控制策略直接影响汽车的耗油量和排放量
7、。针对不同的路况在满足汽车动力性的前提下，控制策略的主要目的是针对不同的工况信息调整发动机的转矩和电动机的转矩，使汽车工作在高效率区，实现能耗的最低化和尾气排放的最低化。其研究对我国的混合动力汽车研究水平和促进混合动力汽车产业化进程具有重要意义。1.2 国内外研究现状近几十年来，随着全球环境和能源问题的日益突出，世界各国逐渐加入研发低排放、低油耗的混合动力汽车的行列。从 90 年代开始，日本、美国、欧洲等一些打发国家和各大汽车公司积极加入混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的研究。近年来，美、日、德等汽车强国先后发布了新能源汽车产业发展计划。各国政府不断加大了
8、政府支持力度，全力推进包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业化。2随着世界各大汽车公司纷纷加入到混合动力汽车的研究和生产中。我国也不甘落后，国家“八五”和“八九”计划期间有计划地开展了混合动力汽车的关键技术攻关和整车的研发工作。国家“863”计划中确立“三纵三横”研发布局（三纵：混合动力、纯电动和燃料电池；三横：电池、电机、电控） ，把电动汽车的研究作为十二个重大专项之一，并把电动汽车的产业技术作为工作重点，工业和信息化部组织制定的节能与新能源汽车发展规划（2011 年至 2020 年） 明确指明了我国汽车行业将会在未来 10 年由传统内燃机汽车向新能源汽车发生重大转变。中国一些大的汽车企业，长
9、安、一汽、东风、上汽、北汽、广汽、奇瑞、江淮、重汽和华晨等联合成立了“新能源汽车产业联盟” ，这十大汽车巨头在国内汽车销售中占到 80%的份额，是我国汽车领域的中流砥柱。作为新能源汽车产业联盟的成员，一汽集团建立了大连新能源汽车示范基地积极参与新能源汽车的实验运行项目。奇瑞也是国内最早研发新能源汽车的企业之一，早在 2001 年就成立了“清洁能源小组”开始新能源汽车的开发与推进工作。经过多年自主创新与核心技术攻坚，已经拥有多款录入国家工信部节能与新能源汽车示范应用工程推荐车型目录的新能源车型，并在国家新能源“节能减排”的道路上继续前行。长安汽车也在新能源汽车的研发上作出了巨大贡献。2005 年
10、 11 月的北京国际清洁能源车展上，长安集团推出了一款混合动力 MPV“CV” ，这款车型是长安欧洲研发中心与国内联合开发的拥有自主知识产权的车型。国内科研院所也在进行混合动力车辆的研发，清华大学和同济大学分别研究了燃料电池电动客车和再生制动系统；北京理工大学主要研究了纯电动汽车动力电池、混合动力汽车的动力总成技术；吉林大学对混合动力汽车仿真、参数的选择、优化进行了研究；重庆大学对混合动力汽车制动系统进行研究；武汉理工大学主要研究城市公交用混合动力汽车建模和仿真。综合看来，国内外政府及企业非常支持新能源汽车的研究和发展，并且在许多技术及产业方面已取得了巨大成就，但在未来的新能源汽车的发展道路上
11、还有很长的路要走。1.3 混合动力汽车简介广义上讲，混合动力汽车是指车辆驱动系统由两个或两个以上能同时运转的单个驱动系统同时组成的车辆，车辆的行驶状况需根据实际需要由一个或多个驱动系统提供。根据混合动力驱动的连接方式，一般把混合动力汽车分为三类：（1） 串联式混合动力汽车（SHEV）主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串级方式组成的混合动力系统，如图 1-1 所示。（2）并联式混合动力汽车（PHEV）的发动机和电动机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出如图 1-2 所示。3（3）混联式混合动力汽车（SPHEV）综合了串联式和并联式结构组成的汽车，主要由发动
12、机、电动-发电机和驱动电机三大动力总成组成如图 1-3 所示。图 1-1 串联式 HEV 结构简图图 1-2 并联式 HEV 结构简图图 1-3 混联式 HEV 结构简图并联式混合动力汽车的操作可以分为三种基本模式：匀速行驶（高速状态） 、加速行驶（功率的峰值状态） 、减速行驶。在每种状态中，发动机和电动机都是以自己相适应的工作模式工作从而满足功率的要求，使电池的 SOC 保持在一个合适状态。（1）仅用电机牵引的模式：当车辆启动或低于某一车速轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电动机单独驱动，克服路面阻力所需的汽车行驶功率完全由电动机提供。4（2）发动机的工作模式：如果电池组不需要充电，例如电池组的
13、 SOC 达到最高控制限度，那么电动机此时空转（怠速） ，发动机的输出功率将和路面行驶所需的行驶功率相等。（3）电池组的充电模式：当路面行驶功率小于发动机的油门所提供的功率时（电池组的 SOC 在最高控制限度下） ，电动机工作在发电状态，将发动机的额外能量转化为给电池充电。（4）峰值功率模式：当汽车进行加速、爬坡或接近与最高速度行驶时，路面所需的行驶功率将大于发动机所提供的功率，此时，电动机必须和发动机一起输出功率，以满足行驶要求。（5）制动再生模式：当汽车减速行驶时，或在坡道上滑行时，发动机处于关机怠速状态。此时，电动机处于发电状态。当车辆以峰值功率模式工作时，电池组必须为车辆提供能量，相应
14、电池组中的能量就会减少；另一方面，当汽车在较低的载荷下工作时，电池组会从发动机中吸收能量。为了保证混合动力汽车具有和普通汽车同样的行驶里程，在一个行驶周期内，电池组消耗和吸收的能量应相等。这样，汽车的行驶距离可以由车厢的载油决定，不受限与电池组能量。在行驶循环中，电池组的放电功率 ，行驶时间 t（t =0 表示循环时间的开始） ，bP则电池组在这段时间所吸收的时间 为：E（1-1）0tb=-d可以看出， 为正时（电池组向汽车供能） ，电池组的能量减少； 为负时（电bP bP池组吸收能量） ，电池组的能量增加。在一个行驶循环后，应能够保证： E那么电池组在行驶循环结束时的荷电状态 SOC 不会减
15、少，汽车就不需要外部电源供电。1.4 能量管理控制系统研究现状发动机、电动机和电池是并联式混合动力汽车能量控制系统的核心部件，论文研究的前提是在保障车辆的正常运行情况下完成发动机的电动机之间的转矩合理分配。能量控制系统研究的重点体现在四个部分。一 车型匹配混合动力汽车的结构相对复杂，在匹配车辆能量系统结构设计中，可以采用改装原型车和独立设计的方式，比较流行的是针对不同的控制策略设计匹配车型，与改装车相比较，这种设计匹配度更高。设计者能根据需求更加灵活的调整能量系统，进而提高工作效率。在车辆的设计时，需要考虑的因素很多，加速能力、制动能力、续航5能力等都会影响车辆的整体性能，通过改进可以降低油耗
16、及成本。和传统汽车相比，混合动力汽车的结构直接影响汽车的控制方式和控制效果。二 动力系统参数匹配动力系统各部件之间的匹配方式在提高燃油效率和减少排放的控制策略中起着重要作用，主要部件参数包括：发动机功率、电动机功率、蓄电池数目和质量、变速箱参数。混合动力汽车自身的结构决定了动力系统能量管理策略的多样性和自由度，目前，利用仿真软件对控制策略的研究是比较有效的手段之一。三 电机驱动模式混合动力汽车在低速运行时，电驱动系统将电能转换为机械能，为汽车提供驱动力，在电机控制中需要考虑转换过程中的能量损耗和电机工作高效区，因为混合动力汽车具有多个动力源，必须通过改进控制策略使得各个动力源之间合理匹配。四
17、并联式混合动力汽车电池系统电池是混合动力汽车中仅有的储能单元，它可以将发动机和电动机多余的转矩进行回收，避免造成能量的损失，混合动力汽车电池与纯电动汽车电池不同，充放电过程是一个非周期性过程，对电池的性能要求很高。适合于混合动力汽车的能量存储技术主要有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池和超级电容器。铅酸电池是在汽车上应用最早、范围最广的，但它的能量体积比较低，不能满足未来汽车的需求。镍氢电池是一种新型的高容量电池，在近几年迅猛发展，在混合动力汽车的储能装置中以占有较大的市场份额。锂离子电池在两电极之间来回嵌入和脱出，锂离子电池具有很高的功率体积密度，是混合动力汽车的理想能量源。作为一种新型的复合能
18、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紧密相关，能量管理策略是内燃机和电池能够工作在最大效率的关键技术。能量管理策略根据驾驶员的操作，判断驾驶员的意图，在满足车辆动力性能的前提下，合理配合电机、发动机和电池等结构的功率输出，实现能量的最优化，提高车辆的燃油经济性和减少车辆尾气的排放。并联式混合动力汽车的能量管理策略仍不成熟，存在这许多问题，需要进一步优化。早期的混合动力汽车能量管理策略，大多是基于汽车速度为主要控制依据。基于速度的能量管理策略由于设计简单，易于理解，技术门槛较低，所以在混合动力汽车开发初期得到了比较广泛的使用。在基于速度的能量管理策略中，车速是最重要的控制依据，当
19、车速低于设定值时，发动机关闭，由电机单独驱动车辆；当车速高于设定值时，发动机驱动车辆，电机停止工作；当需求负荷较大时，发动机和电动机同时工作，驱动车辆运行。这种控制策略利用了电机低速时存在大转矩的特点，避免了发动机的空载和低负载情况运行。当车速较高有利于发动机高效工作运行时，发动机的启动可避免纯电动高速行驶时电池的快速放电时的损失。但是，基于车速的能量管理策略存在一些缺点，较明显的是：有时虽然车速很高，需要的动力系统输出功率也可以6很低（汽车匀速、减速行驶时） ，此时发动机的工作负荷比较低，效率也比较低。因此，目前的能量管理策略大多是属于基于转矩控制。1.5 主要研究内容本文的题目为混合动力汽
20、车能量管理策略优化研究，采用模糊控制算法对混合动力汽车能量管理进行研究再与电辅助控制策略的混合动力汽车进行对比，主要工作及章节安排如下：第一章介绍论文研究的背景及重要意义，国内外混合动力汽车研究现状，混合动力汽车的结构及分类，然后对混合动力汽车关键技术进行分析，提出混合动力汽车的能量管理控制策略对汽车的重要性，本章最后介绍了本文的研究内容。第二章通过分析并联式混合动力汽车的建模方法，了解前向建模和后向建模，为后文建立数学模型打下基础。通过对汽车的主要部件进行分析，搭建发动机、电动机、汽车电池、车轮以及整车模型。第三章通过对模糊控制概念、原理和组成的介绍设计满足混合动力汽车的模糊控制策略，在满足
21、汽车动力性能的前提下，设计模糊控制器。第四章介绍 ADVISOR 软件，应用 ADVISOR 软件对应用模糊控制的混合动力汽车模型进行参数设定，最后仿真，将所得的仿真结果与电辅助式控制策略所得的仿真结果比较。第五章对全文进行总结，包括设计做出的成果得出的结论和分析，研究工作中的不足及今后的展望。72 混合动力系统动态特性研究与建模2.1 引言计算机仿真是控制策略设计的有力工具 1,2，仿真分析有助于深入理解混合动力系统的工作过程和分析控制策略中占主要影响的动力学因素，快速验证控制策略，减少不必要的样车制造和实车试验，缩短开发周期，降低开发成本。在控制策略设计中，系统部件模型还可以用来定量分析整
22、车的能量消耗，建立能量消耗模型，用于算法设计。此外，在整车方案设计时，可以用整车仿真程序来评估整车性能，验证方案设计，以及对方案进行优化设计等。因此，混合动力系统建模的用途有：控制策略仿真、能量消耗建模和整车优化设计。目前混合动力汽车仿真有两种基本方法，即后向仿真和前向仿真 3，分别如图2-1 和 2-2 所示。在混合动力汽车中，把从动力装置到车轮的方向，即动力传递的方向称为正方向，顺着这个方向的称为“正向” 或“前向” ，其逆方向称为“ 反向”或“ 后向”。 图 2-1 后向建模流程图图 2-2 前向建模流程图后向仿真模型以目标车速（如标准行驶循环试验工况）作为输入，计算驱动系中需要产生多大的扭矩、转速和功率。因为信息流是沿着驱动系向后传播的从车轮到驱动桥，再到变速器，如此往上，所以称其为后向仿真模型。前向仿真模型包含驾驶员模型，它可以模拟驾驶员感觉车速并做出加速或制动的操作，由此在驱动系中产生扭矩，并沿着驱动系向前传递到车轮，故称之为前向仿真。前向仿真可用于控制系统的设计，而后向仿真主要用于整车性能仿真分析。
