插电式混合动力电动客车动力系统控制策略设计Word下载.docx
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动力系统；
控制策略；
CRUISE仿真；
燃油经济性
Plug-inhybridelectricbuspowertraincontrolstrategydesign
Abstract:
Theworldtoday,withtherapiddevelopmentofeconomyandtechnology,peopleareincreasinglyawareoftheproblemsofenergy.Asthepillarindustriesoftheworld'
seconomic,scientificdevelopment,automobileindustryisalsofacingnewchallengesandopportunities.Inordertoreducefuelconsumptionandreduceharmfulexhaustemissions,thedirectionofdevelopmentoftheautomotiveindustryishybridvehiclesandelectricvehicles.
Traditionalhybridvehiclescanreducefuelconsumption,butnotthefullrealizationofthealternativefuel.Electricvehiclestoachieveazerofuelconsumptionandzeroemissions,buttheshortfordrivingrange.Combinestheadvantagesofboth,thePlug-inHybridElectricVehicle（hereinafterreferredtoastheP-HEV）whichcanbechargedbyanexternalgridhasbecomearesearchhotspot.
Basedon
the
research
statusanddevelopmenttrend
of
P-HEV
technology
，to
meetthegoalofvehicledynamicperformance
and
improve
vehicle
ofeconomic
performance,designtheP-HEV
bus
power
systemwhichissuitablefor
urbanconditions
anddesign
thebus
controlstrategy.
Firstly,
designthe
keycomponents
theP-HEV
system,including
theselectionmatchestheparameter
engine,electricmotor,battery,and
build
P-HEVbusmodelinsoftwareAVL
CRUISE.
Design
rule-based
logic
threshold
controlstrategy
through
analysisof
theenergyflow
vehicles
in
each
operatingmode,thecharacteristics
bus,established
inMATLAB/SIMULINK
simulationmodelof
powersystem
controlstrategy.
Finally,builda
CRUISE
andMATLAB
/SIMULINK
simulation,
inspectandcontroltheeffectsof
strategy.
The
simulationresultsshowthat
thispaper,thedesignofthe
bus,to
meetthe
powerrequirements
onthebasisof
energyconsumptiondecreased
emissionssignificantlyreduced
toachieve
designgoals.
Keyword：
Plug-inHybridElectricVehicle;
VehicleControlStrategy;
ModelinginCRUISE;
FuelEconomy
第一章绪论
1.1研究背景和意义
自从第一辆车诞生以来，汽车作为20世纪人类最重要的交通工具，对人类的发展做出了不可磨灭的贡献。
汽车工业作为许多国家的支柱产业，在其产生巨大的经济效益与科技贡献的同时，也带来了能源与环境的问题。
众所周知，能源和环境是实现可持续发展的必要条件。
这两个问题已经被越来越来多的国家所关注与重视。
作为全球最重要的能源资源——石油资源的日益枯竭，已经对人类敲响了警钟。
据保守估计，到2050年，石油资源将在全球范围内耗尽。
汽车工业对于石油的依赖程度是巨大的，石油资源的枯竭必将严重阻碍汽车工业的发展。
因此，对汽车工业来说，减少和消除对石油的依赖是一项有关全球经济安全和能源安全的紧迫任务，这样做的具体途径有二种:
一是提高现有车辆的燃油经济性；
二是开发不依赖石油的新能源汽车。
另外，随着社会的发展，传统汽车保有量逐年增加，又加速使得能源问题更加突出，它又引起环境、资源问题等，最后这一系列的问题陷入了恶性循环。
而如今随着动力电池、电机等汽车电子技术的发展，电动汽车具有了有效解决上述问题的可能性[1]。
20世纪70年代初期，世界上许多国家如美国、日本等都因为能源危机和石油短缺开始发展电动汽车。
但由于石油价格的回落，在电动汽车商业化发展起来之前，能源问题已不再严重。
其高昂的价格和较短的续驶里程，使其商业化失去了动力。
进入20世纪90年代，由于节能和环保的要求，混合动力汽车（HEV）应运而生。
其代表就是日本丰田的混合动力轿车Prius、美国克莱斯勒的第二代道奇无畏ESX2型混合动力轿车、日本本田的混合动力轿车Insight。
进入21世纪以后，混合动力汽车进入了快速发展时期，世界各大汽车厂商都推出了混合动力汽车的样车。
HEV的特点是：
由于采用两套动力装置，可以在使用较小排量的发动机，同时在整车控制系统的作用下，发动机和电机都能工作在最佳效率区，能有效降低车辆燃油消耗。
例如，以节油率最佳的丰田Prius汽车，在我国实测它与传统内燃机汽车——丰田花冠（Corrolla）的油耗在不同工况平均节油率为39.6％，平均百公里节油可达3.07L。
所以使用电动汽车，可以有效地减少对石油资源的依赖。
向蓄电池充电用到的电能可以由水力、太阳能、风能、潮汐等可再生能源转化。
此外，夜间向蓄电池充电，能够可以避开用电高峰，这有利于电网的均衡负荷，减少费用。
未来10年，混合动力电动汽车将会迅速发展，并占有一定的市场规模。
但是HEV仍存在着三大主要问题一一价格高、效率低、仍然使用较多汽油/柴油[2]。
目前HEV的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，以下简称P-HEV）。
P-HEV具有较长纯电动行驶距离，而且在需要时仍然可以以全混合模式工作。
其最大的特点是，将混合动力和纯电动的驱动系统相结合，可以大大改善车辆的排放性和燃油经济性，提高车辆的的动力性能和续驶里程[3]。
因此P-HEV是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车过渡的最佳方案[4]。
传统的混合动力汽车已经给美国的能源消耗和能源安全带来了显著的效益。
依据EPA（美国环保局）的数据，最高效的混合动力汽车，可以比传统汽车减少40%的燃料消耗。
不仅如此，P-HEV还可以利用电能代替一半剩余的燃料消耗，因此，照这样计算，P-HEV可以相比于传统汽车减少至少70%的燃料消耗[5]。
图1-1是关于传统燃料汽车，HEV以及P-HEV的经济性比较，不难看出，P-HEV相对于传统汽车和HEV在经济性上优势。
在其续驶里程内，P-HEV可以依靠其电池的电力来行驶，而不必依赖发动机；
当行驶里程较长时，P-HEV优先使用电力，当SOC值低于一定程度时，再使用发动机。
这样的能量分配使得其经济性，在短途上油耗远远低于传统内燃机汽车与HEV，在长途上比传统的汽车提高了35~50%，比普通的HEV提高了10~35%。
图1-1P-HEV与传统汽车、HEV经济性的比较
P-HEV同样可以大大改善传统汽车尾气排放的品质。
P-HEV可以通过控制策略的合理安排，调节工作模式，减少发动机工作，提高发动机在高效率、低排放区域工作的机会，从而减少温室气体和其它有毒气体的产生[6]。
我国是能源消费大国，石油地质资源量为765亿吨，但可采资源量仅为212亿吨。
另外，从1993年开始，我国成为能源净进口国，每年石油进口量不断增加。
到2007年，我国进口原油1.56亿吨，预计我国的石油总需求规模在2010年将达到3.5亿吨，石油进口依存度将达51.4%一52.6%。
从国家能源安全和环境保护上看，大力发展P-HEV对我国有着重大的战略意义[7]。
为此，国家出台了一系列的法规政策。
例如国家新能源汽车三纵三横发展规划，这是我国近期、中期和远期新能源汽车发展导向性政策，也是我国新能源汽车发展的战略布局，见图1-2。
图1-2电动汽车重大专项提出的“三纵三横”研究开发布局及其组织管理模型
在这三纵三横发展规划中，新能源汽车近期发展的主要方向之一就是插电式混合动力客车[8]。
1.P-HEV的特点
（1）P-HEV的主要优势
P-HEV有纯电动汽车的全部优点。
可利用晚间用电低谷时对电池充电，改善电厂的机组效率，节约能源；
纯电动工况行驶时为零排放；
大大降低对石油燃料的依赖[9]。
（2）P-HEV的工作模式
根据车上电池荷电状态SOC的变化特点，可以将P-HEV的工作模式分为电量消耗、电量保持和常规充电模式，其中电量消耗又分为纯电动和混合动力两种子模式，电量保持也分纯电动、混合动力（电机辅助）和发动机驱动并充电三种子模式[10]。
“电量消耗一纯电动”、“电量消耗一混合动力”和“电量保持”模式之间能够根据整车管理策略进行无缝切换，切换的主要判据是整车负荷需求和电池的荷电状态SOC[11]。
2.市场前景
插电式混合动力客车是P-HEV的一种。
从目前发达国家的应用情况来看，混合动力客车主要用于城市公交[12]。
P-HEV的纯电动模式能行驶五、六十公里甚至更远，一般的市内交通客车每次行驶里程不会超过100km，因此，对于插电式混合动力电动汽车，无论是从节能减排方面考虑，还是从运营成本方面分析，再加上有政府购车补贴优惠，其市场吸引力应该不会小。
1.2国内外插电式混合动力控制策略的研究状况
1.2.1国内外研究理论
国内外插入式混合动力汽车对控制策略的研究越来越多，控制方法也不断创新。
P-HEV控制策略主要可以归纳为以下几类：
基于规则的逻辑门限值控制策略、瞬时优化控制策略、智能型控制策略、全局最优控制策略、自适应控制策略。
1）基于规则的逻辑门限值控制策略
逻辑门限值控制策略是基于规则的控制策略。
其基本思想主要是根据电池SOC状态值和发动机效率Map图，以转速、扭矩、功率等参数为门限，确定动力电池和发电机组之间的能量分配关系。
该类型控制策略简单有效，实用性强，开发周期短，同时也是高级控制策略的基础。
因而得到广泛应用[13]。
2）瞬时优化控制策略
瞬时优化控制策略的控制目标为控制“名义油耗”消耗的最少。
所谓“名义油耗”，指的是将电动机的能量消耗转化为等效的油耗，结合发动机万有特性图，得到以发动机与电动机作为整体动力源的万有特性图。
该控制策略是优化控制名义油耗的万有特性曲线，从而实现对发动机和电动机的联合控制。
另外，该策略还能将排放一同考虑，可采用多目标优化技术，采用一组权值来协调排放和燃油同时优化存在的矛盾[14]。
3）智能型控制策略
智能型控制策略主要应用模糊逻辑、神经网络、遗传算法及粒子群优化算法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，具有较强的鲁棒性。
智能控制非常适合用于并联混合动力汽车能量消耗系统的控制[15]。
（1）模糊逻辑控制
模糊逻辑控制核心是模糊控制器，由规则库、推理机制、模糊化接口和去模糊化接口组成。
模糊逻辑控制是首先将传感器的信号模糊化，然后应用相关规则，对模糊量判断，得出模糊结论，最后将结论去模糊化，转为精确控制量，进而对车辆发出控制命令。
模糊控制具有良好的控制品质，应用前景广阔。
（2）神经网络控制
神经网络控制是一种模仿生物神经网络行为特征，以信息的分布式存储和并行处理为基础的数学算法模型。
这种控制方法具有自学习能力，对信息处理的方法与人的大脑处理信息相似，因而自适应能力很强，且有很好的非线性函数逼近能力。
（3）遗传算法
遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础之上的迭代自适应概率性搜索算法。
它能同时搜索空间上的很多点，且能充分搜索，因此能够实现快速全局收敛。
只需要评价用的适应函数，而不需要其它形式信息，这些使得遗传算法对问题的适应能力很强。
（4）粒子群优化算法
粒子群优化算法是一种进化计算技术，源于对鸟群捕食的行为研究。
同遗传算法类似，是一种基于叠代的优化工具，但并没有遗传算法中的交叉及变异，而是粒子在解空间内追随最优的粒子进行搜索。
其优势之一是采用实数编码，而不需要像遗传算法一样采用二进制编码，且粒子群优化算法中并没有许多需要调节的参数，可进行全局和局部寻优。
4）全局最优控制策略[16]
由于瞬时优化控制策略不能保证在整个运行区间最优，因此需要一种保证能在全局范围内最优的控制策略。
这种控制策略应用最优化方法和最优化控制理论开发出混合动力驱动力分配控制策略。
主要思想是：
基于多目标数学规划或者Bellman动态规划理论以及最小值原理的全局最优化理论，建立以整车燃油经济性，或将经济性和排放性加权，作为目标函数，系统状态变量为约束的全局优化数学模型。
5）自适应控制策略
自适应控制具有一定的适应能力，可以识别外部环境的变化，并根据这些变化，自动校正控制动作，从而达到最理想的控制效果。
在混合动力汽车的应用中，动态自适应控制是根据发动机的燃油经济性和排放性要求，通过最优控制理论，构建相应的目标函数，并寻求目标函数最小值，该最小值相对应的燃油经济性和排放性即为理想值。
1.2.2国内外研究方法及进展情况
2007年，美国俄亥俄州立大学学者PierluigiPisuandGiorgioRizzoni对并联式HEV的三种不依赖于工况预测的控制策略进行了对比研究，包括基于规则的控制策略、自适应等效油耗最小控制策略和鲁棒控制策略，并与动态规划法得到的最优结果进行比较，仿真结果显示，自适应等效油耗最小控制策略（A-ECMS）的表现最好[17]。
2008年，美国密歇根大学学者JinmingLiuandHueiPeng以丰田PRUIS为对象，建立了THS动力系统的动力模型，提出了随机动态规划法SDP和等效油耗最小控制策略ECMS，并与动态规划法DP得到的最优解进行对比。
仿真结果显示，两种方法的燃油经济性都能达到近似最优，相比之下SDP比ECMS的燃油经济性更加好。
不足是SDP和ECMS两种方法都比较依赖于工况预测[18]。
2008年，韩国学者KukhyunAhn,SungtaeChoandSukWonCha提出一种多目标优化方法，应用帕累托最优理论，找出最优工作点POP，并代入等效燃油消耗算法EFC，得到多目标能量管理控制策略。
仿真结果显示，该方法得到的燃油经济性与动态规划法没有明显区别，而时间可大大缩短。
不足是在大负荷状态时燃油消耗较大，原因是转换因子选择不当[19]。
2009年，美国福特汽车公司学者Georgia-EvangeliaKatsargyri,IlyaV.Kolmanovsky,JohnMichelini等提出一种基于路况预测的HEV最优控制方法，以等效油耗最低为原则，最优控制电池SOC值。
仿真结果显示，这种方法得到的燃油经济性有显著提高，而且电池SOC值保持情况较好。
不足是仍然依赖于工况预测，特别是速度轨迹的给出[20]。
2011年，同济大学汽车学院的张松，东京大学生产技术研究所的吴光强以及上海理工大学机械工程学院的郑松林在开发的P-HEV能量管理策略基础上,建立整车仿真模型。
利用自适应惯性因子对基本粒子群算法进行改进。
为克服单一优化算法的固有缺陷,将改进粒子群算法和遗传算法组成混合优化算法,并将该混合算法应用于P-HEV能量管理策略的多目标优化。
优化结果表明,该算法能有效跳出局部最优,其寻优能力明显高于基本粒子群算法和遗传算法,优化后的P-HEV油耗和尾气排放相对于优化前减少30%[21]。
2011年，上海汽车集团股份有限公司技术中心林潇、张君鸿基于对混合动力汽车能量管理策略优化的目的,建立了丰田Prius的数学模型,采用粒子群优化算法对该包含众多约束条件的非线性优化问题进行了求解，利用PSAT专业软件对比分析了基本型优化控制算法、改进型优化控制算法和规则控制算法等的控制效果及燃油经济性。
结果表明,经过优化后的Plug-in混合动力汽车在不牺牲汽车各项性能的前提下能提高动力系统工作效率[22]。
2011年，NamwookKim,SukwonCha,HueiPeng等人提出基于庞得李亚金最小值原理PMP算法的等效油耗最小控制策略ECMS，并提出通过拟合有效SOC变化率和有效需求功率得到最佳修正参数。
使HEV油耗达到近似最优，并可用于实时控制。
不足是依赖于工况预测[23]。
从国内外学者的研究中，我们可以看到上面提到的这几种控制策略各有优劣。
而相对于瞬时优化控制策略、智能型控制策略、全局最优控制策略、自适应控制策略这些比较高级的、智能的控制策略，这些控制策略的计算量较大，相对较为复杂，而基于规则的逻辑门限值控制策略虽然较为简单，但是其实用性较强，操作性好，比较适合控制策略的入门，同时它是高级的控制策略的基础，故本文选择基于规则的逻辑门限值控制策略作为研究方向。
1.3本文研究内容
本文的研究内容如下
1）学习研究P-HEV客车动力系统以及控制策略的相关原理。
2）设计完成P-HEV客车动力系统方案，确定动力总成形式，完成电动机、电池组、发动机、发电机等主要部件的选型与参数匹配。
3）在AVLCruise软件中建立P-HEV客车整车仿真模型，对电动机、电池组、发动机、发电机等动力系统主要部件进行建模。
4）根据城市公交客车的一般工况，在满足动力性的条件下，基于规则的逻辑门限值控制策略，以提高燃油经济性为主要目标，设计P-HEV客车动力系统控制策略，并在MATLAB/SIMULINK中建立控制策略仿真模型。
5）对P-HEV客车整车模型进行AVLCruise软件与MATLAB/SIMULINK的联合仿真，分析仿真结果，比较优化控制前后经济性与排放性。
1.4本章小结
本章主要介绍了P-HEV的发展以及其特点与工作模式。
随后，介绍了国内外的控制策略的研究情况，选择了基于规则的逻辑门限值控制策略作为本文的研究方向。
最后，简要的介绍了本文的主要的研究内容。
第2章插电式混合动力客车动力系统设计与建模
插电式混合动力客车动力系统设计方案主要客车的整车参数，动力性指标，动力系统的类型以及各部件的选型以及参数确定。
本章将详细介绍对一种现有的HEV客车进行改装为插电式客车并进行参数匹配的具体过程。
2.1P-HEV动力系统概述以及国内外P-HEV介绍
插电式混合动力电动汽车（Plug-inHEV），简称P-HEV，是一种可外接充电的新型混合动力汽车。
其动力系统主要可分为并联式、串联式和混联式三种结构。
1）并联式P-HEV
并联式P-HEV的发动机和电动机是两个相对独立的系统，即可实现纯电动行驶，又可实现内燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。
其动力系统结构原理图如图2-1所示。
图2-1并联式P-HEV动力系统简图
2）串联式P-HEV
串联式P-HEV，通常称为增程式电动车，其特点是发动机带动发电机发电，发出的电能通过电动机控制器直接输送给电动机，由电动机驱动汽车行驶。
其动力系统结构原理图如图2-2所示。
图2-2串联式P-HEV动力系统简图
3）混联式P-HEV
混联式P-HEV驱动系统是串联式与并联式的综合，可同时兼顾串联式和并联式的优点，但系统较为复杂。
在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；
汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主；
停车时，可通过车载充电器进行外接充电。
其动力系统结构原理图如图2-3所示。
图2-3混联式P-HEV动力系统简图
自上世纪90年代以来，国外一些大学、实验室和工业部门一直在进行P-HEV的研究。
其中的杰出代表有UniversityofCaliforniaDavis（UCDavis），theElectricPowerResearchInstitute（EPRI）,ArgonneNationalLaboratory（ANL）和Califo
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