畢業(yè)設計--插電式混合動力電動客車動力系統(tǒng)控制策略設計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設計）</b></p><p>　　論文（設計）題目 插電式混合動力電動客車動力系統(tǒng)控制策略設計</p><p>　　學 院　　　　　</p><p><b>　　?！　I(yè)　　　　　</b></p><p>　　班　　級　　　　　 </p>

2、<p>　　姓 名　 　　　　　　　　　</p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師　　　　　　　　　 </p><p><b>　　2015 年 月日</b></p><p>　　插電式混合動力電動客車動力系統(tǒng)控制策略設計</p>

3、;<p>　　摘要： 當今世界，隨著經濟、科技的高速發(fā)展，人們也日益意識到能源的問題。作為世界經濟、科學發(fā)展的支柱產業(yè)之一的汽車業(yè)，也面臨著新的挑戰(zhàn)與機遇。為了減少燃油的消耗并降低有害氣體的排放，目前汽車業(yè)的發(fā)展方向為混合動力汽車與電動汽車。傳統(tǒng)混合動力汽車，能減少一定的燃油消耗，但是并不能徹底實現燃油替代。而電動汽車實現了零油耗，零排放，但是續(xù)駛里程較短。因此，結合了兩者優(yōu)點，可通過外部電網充電的插電式混合動力汽車（P

4、lug-in Hybrid Electric Vehicle，以下簡稱P-HEV）成為了研究的熱點。</p><p>　　本文根據P-HEV技術的研究現狀與發(fā)展趨勢，以滿足整車動力性能和提高整車經濟性能為目標，設計適合于城市工況的P-HEV客車動力系統(tǒng)，并設計適用于該客車的控制策略。</p><p>　　本文首先進行P-HEV客車動力系統(tǒng)關鍵部件設計，包括發(fā)動機、電動機、電池的選型與參數匹

5、配，并在AVL CRUISE軟件中構建P-HEV客車的整車模型。通過分析車輛在各個工作模式下的能量流動，針對P-HEV客車的特點，設計基于規(guī)則的邏輯門限值的控制策略，在MATLAB/SIMULINK中建立P-HEV客車動力系統(tǒng)控制策略的仿真模型。最后通過CRUISE與MATLAB/SIMULINK的聯(lián)合仿真，檢驗控制策略的效果。仿真結果表明，本文設計的P-HEV客車，在滿足動力性要求的基礎上，能量消耗明顯下降，尾氣排放明顯減少，達到設計

6、目標。</p><p>　　關鍵字：插電式混合動力；動力系統(tǒng)；控制策略；CRUISE仿真；燃油經濟性</p><p>　　Plug-in hybrid electric bus power train control strategy design</p><p>　　Abstract: The world today, with the rapid develop

7、ment of economy and technology, people are increasingly aware of the problems of energy. As the pillar industries of the world's economic, scientific development, automobile industry is also facing new challenges and

8、 opportunities. In order to reduce fuel consumption and reduce harmful exhaust emissions, the direction of development of the automotive industry is hybrid vehicles and electric vehicles.</p><p>　　Traditiona

9、l hybrid vehicles can reduce fuel consumption, but not the full realization of the alternative fuel. Electric vehicles to achieve a zero fuel consumption and zero emissions, but the short for driving range. Combines the

10、advantages of both, the Plug-in Hybrid Electric Vehicle (hereinafter referred to as the P-HEV) which can be charged by an external grid has become a research hot spot.</p><p>　　Based on the researc

11、h status and development trend of the P-HEV technology ，to meet the goal of vehicle dynamic performance and improve the vehicle of economic performance, de

12、sign the P-HEV bus power system which is suitable for urban conditions , and design  the bus control strategy.</p><p>　　Firstly, design the key componen

13、ts of the P-HEV bus power system, including the selection matches the parameter of the engine, electric motor, battery, and build the P-HEV bus model in softwar

14、e AVL CRUISE. Design rule-based logic threshold control strategy through the analysis of the energy flow of vehicles in each operating mode, the

15、characteristics of the P-HEV bus, established in MATLAB / SIMULINK simulation model of the P-HEV bus power system control strategy. Finally, build a CRUISE

16、 and MAT</p><p>　　Keyword：Plug-in Hybrid Electric Vehicle; Vehicle Control Strategy; Modeling in CRUISE; Fuel Economy</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I&

17、lt;/b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 研究背景和意義1</p><p>　　1.2 國內外插電式混合動力控制策

18、略的研究狀況4</p><p>　　1.2.1 國內外研究理論4</p><p>　　1.2.2 國內外研究方法及進展情況5</p><p>　　1.3 本文研究內容7</p><p><b>　　1.4本章小結7</b></p><p>　　第二章 插電式混合動力客車動力系統(tǒng)設計與建模

19、8</p><p>　　2.1 P-HEV動力系統(tǒng)概述以及國內外P-HEV介紹8</p><p>　　2.2 P-HEV客車的部件選型11</p><p>　　2.3 P-HEV客車的參數匹配12</p><p>　　2.3.1 電機/發(fā)電機參數匹配13</p><p>　　2.3.2 發(fā)動機參數匹配15&

20、lt;/p><p>　　2.3.3 電池參數匹配15</p><p>　　2.3.4 傳動系速比參數匹配17</p><p>　　2.4 P-HEV客車整車模型18</p><p>　　2.5 P-HEV客車動力系統(tǒng)主要模塊18</p><p>　　2.5.1 發(fā)動機模塊18</p><p&g

21、t;　　2.5.2 電動機模塊20</p><p>　　2.5.3 電池模塊21</p><p>　　2.5.4整車模塊22</p><p>　　2.6 本章小結23</p><p>　　第三章 P-HEV客車控制策略設計與建模24</p><p>　　3.1 P-HEV客車動力系統(tǒng)各工作模式下的能量流動2

22、4</p><p>　　3.1.1 P-HEV的工作模式24</p><p>　　3.1.2 電量消耗模式的能量流動24</p><p>　　3.1.3 電量保持模式的能量流動25</p><p>　　3.1.4 再生制動模式的能量流動25</p><p>　　3.2 P-HEV客車動力總成的控制策略26&l

23、t;/p><p>　　3.2.1 控制策略概述26</p><p>　　3.2.2 本文采用的控制策略26</p><p>　　3.3 控制策略模型32</p><p>　　3.3.1 整體模型32</p><p>　　3.3.2 發(fā)送機起?？刂颇K32</p><p>　　3.3.3 負

24、荷計算模塊33</p><p>　　3.3.4 各個工況下的動力輸出控制模塊33</p><p>　　3.3.5 制動模塊34</p><p>　　3.4 本章小結34</p><p>　　第四章 P-HEV客車整車仿真35</p><p>　　4.1仿真軟件AVL Cruise簡介35</p>

25、<p>　　4.2P-HEV客車整車聯(lián)合仿真設置36</p><p>　　4.2.1 聯(lián)合仿真參數設置36</p><p>　　4.2.2 車輛仿真循環(huán)工況的選擇38</p><p>　　4.3 P-HEV客車整車性能仿真與分析39</p><p>　　4.3.1 基于工況的P-HEV客車整車仿真結果與分析39<

26、/p><p>　　4.3.2 P-HEV客車整車動力性仿真結果與分析45</p><p>　　4.3.3 P-HEV客車整車經濟性與排放性仿真結果與分析45</p><p>　　4.4本章小結46</p><p><b>　　總 結47</b></p><p><b>　　參考

27、文獻48</b></p><p><b>　　致 謝50</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><h3>　　1.1 研究背景和意義</h2><p>　　自從第一輛車誕生以來，汽車作為20世紀人類最重要的交通工具，對人類的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻

28、。汽車工業(yè)作為許多國家的支柱產業(yè)，在其產生巨大的經濟效益與科技貢獻的同時，也帶來了能源與環(huán)境的問題。</p><p>　　眾所周知，能源和環(huán)境是實現可持續(xù)發(fā)展的必要條件。這兩個問題已經被越來越來多的國家所關注與重視。作為全球最重要的能源資源——石油資源的日益枯竭，已經對人類敲響了警鐘。據保守估計，到2050年，石油資源將在全球范圍內耗盡。</p><p>　　汽車工業(yè)對于石油的依賴程度是巨

29、大的，石油資源的枯竭必將嚴重阻礙汽車工業(yè)的發(fā)展。因此，對汽車工業(yè)來說，減少和消除對石油的依賴是一項有關全球經濟安全和能源安全的緊迫任務，這樣做的具體途徑有二種:一是提高現有車輛的燃油經濟性；二是開發(fā)不依賴石油的新能源汽車。另外，隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)汽車保有量逐年增加，又加速使得能源問題更加突出，它又引起環(huán)境、資源問題等，最后這一系列的問題陷入了惡性循環(huán)。而如今隨著動力電池、電機等汽車電子技術的發(fā)展，電動汽車具有了有效解決上述問題的可能性

30、[1]。</p><p>　　20世紀70年代初期，世界上許多國家如美國、日本等都因為能源危機和石油短缺開始發(fā)展電動汽車。但由于石油價格的回落，在電動汽車商業(yè)化發(fā)展起來之前，能源問題已不再嚴重。其高昂的價格和較短的續(xù)駛里程，使其商業(yè)化失去了動力。</p><p>　　進入20世紀90年代，由于節(jié)能和環(huán)保的要求，混合動力汽車(HEV)應運而生。其代表就是日本豐田的混合動力轎車Prius、美國

31、克萊斯勒的第二代道奇無畏ESX2型混合動力轎車、日本本田的混合動力轎車Insight。進入21世紀以后，混合動力汽車進入了快速發(fā)展時期，世界各大汽車廠商都推出了混合動力汽車的樣車。</p><p>　　HEV的特點是：由于采用兩套動力裝置，可以在使用較小排量的發(fā)動機，同時在整車控制系統(tǒng)的作用下，發(fā)動機和電機都能工作在最佳效率區(qū)，能有效降低車輛燃油消耗。例如，以節(jié)油率最佳的豐田Prius汽車，在我國實測它與傳統(tǒng)內燃

32、機汽車——豐田花冠(Corrolla)的油耗在不同工況平均節(jié)油率為39.6％，平均百公里節(jié)油可達3.07L。所以使用電動汽車，可以有效地減少對石油資源的依賴。向蓄電池充電用到的電能可以由水力、太陽能、風能、潮汐等可再生能源轉化。此外，夜間向蓄電池充電，能夠可以避開用電高峰，這有利于電網的均衡負荷，減少費用。</p><p>　　未來10年，混合動力電動汽車將會迅速發(fā)展，并占有一定的市場規(guī)模。但是HEV仍存在著三大

33、主要問題一一價格高、效率低、仍然使用較多汽油/柴油[2]。目前HEV的發(fā)展方向是可外接充電式混合動力電動汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下簡稱P-HEV ) 。P-HEV具有較長純電動行駛距離，而且在需要時仍然可以以全混合模式工作。其最大的特點是，將混合動力和純電動的驅動系統(tǒng)相結合，可以大大改善車輛的排放性和燃油經濟性，提高車輛的的動力性能和續(xù)駛里程[3]。因此P-HEV是一種最有發(fā)展前景的混合動

34、力電動汽車驅動模式，也是向最終的清潔能源汽車過渡的最佳方案[4]。</p><p>　　傳統(tǒng)的混合動力汽車已經給美國的能源消耗和能源安全帶來了顯著的效益。依據EPA(美國環(huán)保局)的數據，最高效的混合動力汽車，可以比傳統(tǒng)汽車減少40%的燃料消耗。不僅如此，P-HEV還可以利用電能代替一半剩余的燃料消耗，因此，照這樣計算，P-HEV可以相比于傳統(tǒng)汽車減少至少70%的燃料消耗[5]。</p><p&

35、gt;　　圖1-1是關于傳統(tǒng)燃料汽車，HEV以及P-HEV的經濟性比較，不難看出，P-HEV相對于傳統(tǒng)汽車和HEV在經濟性上優(yōu)勢。在其續(xù)駛里程內，P-HEV可以依靠其電池的電力來行駛，而不必依賴發(fā)動機；當行駛里程較長時，P-HEV優(yōu)先使用電力，當SOC值低于一定程度時，再使用發(fā)動機。這樣的能量分配使得其經濟性，在短途上油耗遠遠低于傳統(tǒng)內燃機汽車與HEV，在長途上比傳統(tǒng)的汽車提高了35~50%，比普通的HEV提高了10~35%。</

36、p><p>　　圖1-1P-HEV與傳統(tǒng)汽車、HEV經濟性的比較</p><p>　　P-HEV同樣可以大大改善傳統(tǒng)汽車尾氣排放的品質。P-HEV可以通過控制策略的合理安排，調節(jié)工作模式，減少發(fā)動機工作，提高發(fā)動機在高效率、低排放區(qū)域工作的機會，從而減少溫室氣體和其它有毒氣體的產生[6]。</p><p>　　我國是能源消費大國，石油地質資源量為765億噸，但可采資源量

37、僅為212億噸。另外，從1993年開始，我國成為能源凈進口國，每年石油進口量不斷增加。到2007年，我國進口原油1.56億噸，預計我國的石油總需求規(guī)模在2010年將達到3.5億噸，石油進口依存度將達51.4%一52.6%。從國家能源安全和環(huán)境保護上看，大力發(fā)展P-HEV對我國有著重大的戰(zhàn)略意義[7]。</p><p>　　為此，國家出臺了一系列的法規(guī)政策。例如國家新能源汽車三縱三橫發(fā)展規(guī)劃，這是我國近期、中期和遠

38、期新能源汽車發(fā)展導向性政策，也是我國新能源汽車發(fā)展的戰(zhàn)略布局，見圖1-2。</p><p>　　圖1-2 電動汽車重大專項提出的“三縱三橫”研究開發(fā)布局及其組織管理模型</p><p>　　在這三縱三橫發(fā)展規(guī)劃中，新能源汽車近期發(fā)展的主要方向之一就是插電式混合動力客車[8]。</p><p>　　1.P-HEV的特點</p><p>　?。?

39、）P-HEV的主要優(yōu)勢</p><p>　　P-HEV有純電動汽車的全部優(yōu)點。可利用晚間用電低谷時對電池充電，改善電廠的機組效率，節(jié)約能源；純電動工況行駛時為零排放；大大降低對石油燃料的依賴[9]。</p><p>　?。?）P-HEV的工作模式</p><p>　　根據車上電池荷電狀態(tài)SOC的變化特點，可以將P-HEV的工作模式分為電量消耗、電量保持和常規(guī)充電模式

40、，其中電量消耗又分為純電動和混合動力兩種子模式，電量保持也分純電動、混合動力（電機輔助）和發(fā)動機驅動并充電三種子模式[10]?！半娏肯囊患冸妱印?、“電量消耗一混合動力”和“電量保持”模式之間能夠根據整車管理策略進行無縫切換，切換的主要判據是整車負荷需求和電池的荷電狀態(tài)SOC[11]。</p><p><b>　　2.市場前景</b></p><p>　　插電式混合動

41、力客車是P-HEV的一種。從目前發(fā)達國家的應用情況來看，混合動力客車主要用于城市公交[12]。P-HEV的純電動模式能行駛五、六十公里甚至更遠，一般的市內交通客車每次行駛里程不會超過100km，因此，對于插電式混合動力電動汽車，無論是從節(jié)能減排方面考慮，還是從運營成本方面分析，再加上有政府購車補貼優(yōu)惠，其市場吸引力應該不會小。</p><h3>　　1.2 國內外插電式混合動力控制策略的研究狀況</h2&g

42、t;<h3>　　1.2.1 國內外研究理論</h2><p>　　國內外插入式混合動力汽車對控制策略的研究越來越多，控制方法也不斷創(chuàng)新。P-HEV控制策略主要可以歸納為以下幾類：基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略、瞬時優(yōu)化控制策略、智能型控制策略、全局最優(yōu)控制策略、自適應控制策略。</p><p>　　1）基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略</p><p>　　

43、邏輯門限值控制策略是基于規(guī)則的控制策略。其基本思想主要是根據電池SOC狀態(tài)值和發(fā)動機效率Map圖，以轉速、扭矩、功率等參數為門限，確定動力電池和發(fā)電機組之間的能量分配關系。該類型控制策略簡單有效，實用性強，開發(fā)周期短，同時也是高級控制策略的基礎。因而得到廣泛應用[13]。</p><p>　　2）瞬時優(yōu)化控制策略</p><p>　　瞬時優(yōu)化控制策略的控制目標為控制“名義油耗”消耗的最少。

44、所謂“名義油耗”，指的是將電動機的能量消耗轉化為等效的油耗，結合發(fā)動機萬有特性圖，得到以發(fā)動機與電動機作為整體動力源的萬有特性圖。該控制策略是優(yōu)化控制名義油耗的萬有特性曲線，從而實現對發(fā)動機和電動機的聯(lián)合控制。另外，該策略還能將排放一同考慮，可采用多目標優(yōu)化技術，采用一組權值來協(xié)調排放和燃油同時優(yōu)化存在的矛盾[14]。</p><p><b>　　3）智能型控制策略</b></p>

45、;<p>　　智能型控制策略主要應用模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法及粒子群優(yōu)化算法來決策混合動力系統(tǒng)的工作模式和功率分配，具有較強的魯棒性。智能控制非常適合用于并聯(lián)混合動力汽車能量消耗系統(tǒng)的控制[15]。</p><p><b>　?。?）模糊邏輯控制</b></p><p>　　模糊邏輯控制核心是模糊控制器，由規(guī)則庫、推理機制、模糊化接口和去模糊化接口組

46、成。模糊邏輯控制是首先將傳感器的信號模糊化，然后應用相關規(guī)則，對模糊量判斷，得出模糊結論，最后將結論去模糊化，轉為精確控制量，進而對車輛發(fā)出控制命令。模糊控制具有良好的控制品質，應用前景廣闊。</p><p><b>　?。?）神經網絡控制</b></p><p>　　神經網絡控制是一種模仿生物神經網絡行為特征，以信息的分布式存儲和并行處理為基礎的數學算法模型。這種控

47、制方法具有自學習能力，對信息處理的方法與人的大腦處理信息相似，因而自適應能力很強，且有很好的非線性函數逼近能力。</p><p><b>　?。?）遺傳算法</b></p><p>　　遺傳算法是建立在自然選擇和自然遺傳學機理基礎之上的迭代自適應概率性搜索算法。它能同時搜索空間上的很多點，且能充分搜索，因此能夠實現快速全局收斂。只需要評價用的適應函數，而不需要其它形式

48、信息，這些使得遺傳算法對問題的適應能力很強。</p><p>　　（4）粒子群優(yōu)化算法</p><p>　　粒子群優(yōu)化算法是一種進化計算技術，源于對鳥群捕食的行為研究。同遺傳算法類似，是一種基于疊代的優(yōu)化工具，但并沒有遺傳算法中的交叉及變異，而是粒子在解空間內追隨最優(yōu)的粒子進行搜索。其優(yōu)勢之一是采用實數編碼，而不需要像遺傳算法一樣采用二進制編碼，且粒子群優(yōu)化算法中并沒有許多需要調節(jié)的參數，

49、可進行全局和局部尋優(yōu)。</p><p>　　4）全局最優(yōu)控制策略[16]</p><p>　　由于瞬時優(yōu)化控制策略不能保證在整個運行區(qū)間最優(yōu)，因此需要一種保證能在全局范圍內最優(yōu)的控制策略。這種控制策略應用最優(yōu)化方法和最優(yōu)化控制理論開發(fā)出混合動力驅動力分配控制策略。主要思想是：基于多目標數學規(guī)劃或者Bellman動態(tài)規(guī)劃理論以及最小值原理的全局最優(yōu)化理論，建立以整車燃油經濟性，或將經濟性和排

50、放性加權，作為目標函數，系統(tǒng)狀態(tài)變量為約束的全局優(yōu)化數學模型。</p><p><b>　　5）自適應控制策略</b></p><p>　　自適應控制具有一定的適應能力，可以識別外部環(huán)境的變化，并根據這些變化，自動校正控制動作，從而達到最理想的控制效果。在混合動力汽車的應用中，動態(tài)自適應控制是根據發(fā)動機的燃油經濟性和排放性要求，通過最優(yōu)控制理論，構建相應的目標函數，并

51、尋求目標函數最小值，該最小值相對應的燃油經濟性和排放性即為理想值。</p><h4>　　1.2.2 國內外研究方法及進展情況</h2><p>　　2007年，美國俄亥俄州立大學學者Pierluigi Pisu and Giorgio Rizzoni對并聯(lián)式HEV的三種不依賴于工況預測的控制策略進行了對比研究，包括基于規(guī)則的控制策略、自適應等效油耗最小控制策略和魯棒控制策略，并與動態(tài)規(guī)劃

52、法得到的最優(yōu)結果進行比較，仿真結果顯示，自適應等效油耗最小控制策略（A-ECMS）的表現最好[17]。</p><p>　　2008年，美國密歇根大學學者Jinming Liu and Huei Peng以豐田PRUIS為對象，建立了THS動力系統(tǒng)的動力模型，提出了隨機動態(tài)規(guī)劃法SDP和等效油耗最小控制策略ECMS，并與動態(tài)規(guī)劃法DP得到的最優(yōu)解進行對比。仿真結果顯示，兩種方法的燃油經濟性都能達到近似最優(yōu)，相比之

53、下SDP比ECMS的燃油經濟性更加好。不足是SDP和ECMS兩種方法都比較依賴于工況預測[18]。</p><p>　　2008年，韓國學者Kukhyun Ahn, Sungtae Cho and Suk Won Cha提出一種多目標優(yōu)化方法，應用帕累托最優(yōu)理論，找出最優(yōu)工作點POP，并代入等效燃油消耗算法EFC，得到多目標能量管理控制策略。仿真結果顯示，該方法得到的燃油經濟性與動態(tài)規(guī)劃法沒有明顯區(qū)別，而時間可大

54、大縮短。不足是在大負荷狀態(tài)時燃油消耗較大，原因是轉換因子選擇不當[19]。</p><p>　　2009年，美國福特汽車公司學者Georgia-Evangelia Katsargyri, Ilya V. Kolmanovsky, John Michelini等提出一種基于路況預測的HEV最優(yōu)控制方法，以等效油耗最低為原則，最優(yōu)控制電池SOC值。仿真結果顯示，這種方法得到的燃油經濟性有顯著提高，而且電池SOC值保持

55、情況較好。不足是仍然依賴于工況預測，特別是速度軌跡的給出[20]。</p><p>　　2011年，同濟大學汽車學院的張松，東京大學生產技術研究所的吳光強以及上海理工大學機械工程學院的鄭松林在開發(fā)的P-HEV能量管理策略基礎上, 建立整車仿真模型。利用自適應慣性因子對基本粒子群算法進行改進。為克服單一優(yōu)化算法的固有缺陷, 將改進粒子群算法和遺傳算法組成混合優(yōu)化算法,并將該混合算法應用于P-HEV能量管理策略的多目

56、標優(yōu)化。優(yōu)化結果表明, 該算法能有效跳出局部最優(yōu), 其尋優(yōu)能力明顯高于基本粒子群算法和遺傳算法, 優(yōu)化后的P-HEV油耗和尾氣排放相對于優(yōu)化前減少30%[21]。</p><p>　　2011年，上海汽車集團股份有限公司技術中心林瀟、張君鴻基于對混合動力汽車能量管理策略優(yōu)化的目的, 建立了豐田Prius的數學模型,采用粒子群優(yōu)化算法對該包含眾多約束條件的非線性優(yōu)化問題進行了求解，利用PSAT專業(yè)軟件對比分析了基本

57、型優(yōu)化控制算法、改進型優(yōu)化控制算法和規(guī)則控制算法等的控制效果及燃油經濟性。結果表明, 經過優(yōu)化后的Plug-in混合動力汽車在不犧牲汽車各項性能的前提下能提高動力系統(tǒng)工作效率[22]。</p><p>　　2011年，Namwook Kim, Sukwon Cha, Huei Peng 等人提出基于龐得李亞金最小值原理PMP算法的等效油耗最小控制策略ECMS，并提出通過擬合有效SOC變化率和有效需求功率得到最佳修

58、正參數。使HEV油耗達到近似最優(yōu)，并可用于實時控制。不足是依賴于工況預測[23]。</p><p>　　從國內外學者的研究中，我們可以看到上面提到的這幾種控制策略各有優(yōu)劣。而相對于瞬時優(yōu)化控制策略、智能型控制策略、全局最優(yōu)控制策略、自適應控制策略這些比較高級的、智能的控制策略，這些控制策略的計算量較大，相對較為復雜，而基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略雖然較為簡單，但是其實用性較強，操作性好，比較適合控制策略的入門，同

59、時它是高級的控制策略的基礎，故本文選擇基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略作為研究方向。</p><h3>　　1.3 本文研究內容</h2><p><b>　　本文的研究內容如下</b></p><p>　　1）學習研究P-HEV客車動力系統(tǒng)以及控制策略的相關原理。</p><p>　　2）設計完成P-HEV客車動力系統(tǒng)方案

60、，確定動力總成形式，完成電動機、電池組、發(fā)動機、發(fā)電機等主要部件的選型與參數匹配。</p><p>　　3）在AVL Cruise軟件中建立P-HEV客車整車仿真模型，對電動機、電池組、發(fā)動機、發(fā)電機等動力系統(tǒng)主要部件進行建模。</p><p>　　4）根據城市公交客車的一般工況，在滿足動力性的條件下，基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略，以提高燃油經濟性為主要目標，設計P-HEV客車動力系統(tǒng)控制

61、策略，并在MATLAB /SIMULINK中建立控制策略仿真模型。</p><p>　　5）對P-HEV客車整車模型進行AVL Cruise軟件與MATLAB /SIMULINK的聯(lián)合仿真，分析仿真結果，比較優(yōu)化控制前后經濟性與排放性。</p><p><b>　　1.4本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了P-HEV的發(fā)展以及其

62、特點與工作模式。隨后，介紹了國內外的控制策略的研究情況，選擇了基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略作為本文的研究方向。最后，簡要的介紹了本文的主要的研究內容。</p><p>　　插電式混合動力客車動力系統(tǒng)設計與建模</p><p>　　插電式混合動力客車動力系統(tǒng)設計方案主要客車的整車參數，動力性指標，動力系統(tǒng)的類型以及各部件的選型以及參數確定。本章將詳細介紹對一種現有的HEV客車進行改裝為插電式

63、客車并進行參數匹配的具體過程。</p><h3>　　2.1 P-HEV動力系統(tǒng)概述以及國內外P-HEV介紹</h2><p>　　插電式混合動力電動汽車(Plug-in HEV)，簡稱P-HEV，是一種可外接充電的新型混合動力汽車。其動力系統(tǒng)主要可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和混聯(lián)式三種結構。</p><p>　　1）并聯(lián)式P-HEV</p><p&g

64、t;　　并聯(lián)式P-HEV的發(fā)動機和電動機是兩個相對獨立的系統(tǒng)，即可實現純電動行駛，又可實現內燃機驅動行駛，在功率需求較大時還可以實現全混合動力行駛，在停車狀態(tài)下可進行外接充電。其動力系統(tǒng)結構原理圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 并聯(lián)式P-HEV動力系統(tǒng)簡圖</p><p>　　2）串聯(lián)式P-HEV</p><p>　　串聯(lián)式P-HEV，通常稱為增程式

65、電動車，其特點是發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電能通過電動機控制器直接輸送給電動機，由電動機驅動汽車行駛。其動力系統(tǒng)結構原理圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2串聯(lián)式P-HEV動力系統(tǒng)簡圖</p><p>　　3）混聯(lián)式P-HEV</p><p>　　混聯(lián)式P-HEV驅動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，可同時兼顧串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，但系統(tǒng)較為復雜。在汽車低速

66、行駛時，驅動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；汽車高速穩(wěn)定行駛時，則以并聯(lián)工作方式為主；停車時，可通過車載充電器進行外接充電。其動力系統(tǒng)結構原理圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 混聯(lián)式P-HEV動力系統(tǒng)簡圖</p><p>　　自上世紀90年代以來，國外一些大學、實驗室和工業(yè)部門一直在進行P-HEV的研究。其中的杰出代表有University of California Davis(

67、UC Davis)，the Electric Power Research Institute (EPRI), Argonne National Laboratory (ANL) 和 California Cars Initiative (CalCars)等機構。2000年EPRI的 Market Study發(fā)起成立了旨在促進P-HEV的商業(yè)化的Hybrid Electric Vehicle Alliance(HEVA)組織；2006

68、年，插電式混合動力汽車(P-HEV一一Plug-in Hybrid Electric Vehicle)項目在美國能源部自由車和車輛技術項目處提出，這個項目計劃將在2016-2020年實現P-HEV的商品化生產。</p><p>　　下表2-1是國外廠家生產的P-HEV車型[24]。</p><p>　　表2-1 國外混合動力汽車</p><p>　　在美國，受到普遍

69、關注的是通用公司的P-HEV概念車——雪佛蘭Volt。除Volt以外，其他P-HEV還有通用公司的土星VUE；凱迪拉克公司的插電式Convert；歐寶公司的插電式Ampera；克萊斯勒公司的插電式Town&Country；福特公司的Escape P-HEV等。</p><p>　　日本方面有豐田公司生產的輕量插電式混合動力“FFV I/X”、Hi-CT、P-HV，豐田Puris，三菱PX-Miex，鈴木雨

70、燕串聯(lián)P-HEV等。</p><p>　　德國各大汽車公司方面有奔馳推出的Blue Zero E-Cell Plus和Vision S500插電式混合動力車，寶馬Vision Efficient Dynamics插電式混合動力車等。</p><p>　　在我國開發(fā)P-HEV的企業(yè)不多，主要有上汽提出2012年將生產榮威550（P-HEV款）；長安汽車公司加速推出插電式混合動力車、純電動車的

71、產業(yè)化研發(fā)；還有比亞迪的F3DM；奇瑞瑞麒M1等。客車方面，主要是國內的一汽、二汽、北汽、宇通、金龍等一些客車廠家的在P-HEV上的嘗試。</p><p>　　下表2-2是國內廠家生產的P-HEV的車型[25]。</p><p>　　表2-2 國內主要汽車廠家產品匯總表</p><h3>　　2.2 P-HEV客車的部件選型</h2><p>

72、;　　本文采用的是在原有車型的基礎上，改裝HEV得到P-HEV的做法。具體選擇的是一汽的CA6120URH1混合動力電動公交客車，見圖2-4所示。</p><p>　　參考國內外相關數據并結合道路情況，選定P-HEV的動力性指標為：</p><p>　　1.當處于混合動力行駛狀態(tài)時：</p><p>　　1）最高車速：90km/h；</p><p

73、>　　2）最大爬坡度：大于20%；</p><p>　　3）0加速到40km/h所需時間：小于20s。</p><p>　　2.當處于純電動行駛狀態(tài)時：</p><p>　　1）最高車速：85km/h；</p><p>　　2）最大爬坡度：大于20%；</p><p>　　3）平均車速：40km/h；</p

74、><p>　　4）續(xù)駛里程：60km；</p><p>　　圖2-4一汽CA6120URH1混合動力公交客車</p><p>　　選定本客車的結構類型為并聯(lián)雙軸式。原有車型的基礎上，由計算結果，確定其發(fā)動機保持不變，即BF6M1013-22E3發(fā)動機。電機/發(fā)電機選擇永磁同步電機，電池選擇里離子充電電池。</p><p>　　下面討論具體的參數匹

75、配。</p><h3>　　2.3 P-HEV客車的參數匹配</h2><p>　　客車的整體尺寸以外部參數見下表2-3。</p><p>　　表2-2客車樣車參數</p><h4>　　2.3.1 電機/發(fā)電機參數匹配</h2><p>　　電動機參數匹配主要包括電動機的額定功率和峰值功率、電動機的額定轉速和最高轉速

76、、電動機的額定轉矩和最大轉矩的選擇。</p><p>　　1）電機額定功率與峰值功率的估算[26-27]</p><p>　　（1）根據最高車速（80 km/h）來確定最大功率：</p><p><b>　　公式中，</b></p><p>　　一一傳動系總功率，取0.85；</p><p>　　

77、一一車輛滿載質量，kg；</p><p>　　一一重力加速度，9. 8m/s2；</p><p>　　一一滾動阻力系數，0.013 ；</p><p><b>　　一一空氣阻力系數；</b></p><p>　　一一迎風面積，m2。</p><p>　?。?）根據加速性來確定最大功率:</p

78、><p>　　汽車在加速過程中，電機所需要的最大功率為：</p><p><b>　　公式中，</b></p><p>　　一一汽車旋轉質量換算系數，8>1；</p><p>　　一一車輪的轉動慣量，kg.mz；</p><p>　　一一飛輪的轉動慣量，kg.mz；</p><

79、;p><b>　　一一車輪滾動半徑；</b></p><p><b>　　——變速器速比；</b></p><p><b>　　——主減速器速比。</b></p><p>　　根據加速性能要求是0-40km/h的加速時間不超過20s來計算。</p><p>　?。?）根據

80、爬坡性能計算最大功率</p><p>　　爬坡性能計算公式為：</p><p><b>　　其中。</b></p><p>　　根據性能指標，計算坡度為20%，穩(wěn)定車速12km/h所需要的功率。</p><p>　　通過最高車速，加速性能以及爬坡性能的計算得出：，，分別為100.85kw，70.58kw，72.70kw。

81、</p><p>　　再考慮到20%的后備功率，所以峰值功率取值為120kw。</p><p>　　而額定功率與峰值功率之間的關系有：</p><p>　　公式中，為電機的過載系數，一般取1.6~2.0。用1.6帶入，得出為75kw。</p><p>　　2）電機最高轉速及額定轉速的選擇</p><p>　　電動機的最

82、高轉速會對電動機成本、制造工藝和傳動系的尺寸有很大的影響。轉速在6000r/min以上的為高速電機，而以下為普通電機。前者成本高、制造工藝復雜而且對配套使用的軸承、齒輪等有特殊要求，一般適用十電動轎車，很少在混合動力客車上使用。因此本文采用最高轉速不大于6000r/min的普通電機[28]。</p><p>　　本文選擇的轉速范圍是0-4000r/min。</p><p><b>

83、;　　3）電機的電壓選擇</b></p><p>　　電機額定電壓的選擇與混合動力客車動力的電池組電壓密切相關。在相同輸出功率條件下，電池組電壓高則電流小，并且對導線和開關等電器元件要求較低，但與此同時較高的電壓需要數量更加多單體電池串聯(lián)，引起動力性的下降和成本及整車質量的增加并且難于進行布置。</p><p>　　電機額定電壓一般由電動機的參數決定，并與電動機額定功率成正比，

84、電動機的額定電壓越高，則電動機的額定功率越大?？紤]上述結果，本文確定電動機的額定電壓為525V。</p><p>　　從ADVISOR里選擇合適的電機類型，然后修改參數得到需要的電機模型。數據參數如下表2-4。</p><p><b>　　表2-4 電機參數</b></p><h4>　　2.3.2 發(fā)動機參數匹配</h2>&l

85、t;p>　　發(fā)動機主要是計算其在最高車速，加速工況以及爬坡工況下的功率值。其計算的公式是公式（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）四式。</p><p>　　計算時，取為95km/h， 0加速到40km/h為20s內，最大爬坡度i大于20%，爬坡速度為15km/h，計算得出發(fā)動機的額定功率為162kw。發(fā)動機的具體參數見下表2-5。</p><p>　　表2-5 發(fā)動機參數<

86、/p><h4>　　2.3.3 電池參數匹配</h2><p>　　P-HEV動力電池必須可靠地為電機提供所需功率和能量。電池的功率必須能夠覆蓋電機所需有的峰值功率，另外，電池必須具有滿足一定的行駛里程以及瞬時大電流需求足夠的能量和容量。</p><p><b>　　1）電壓等級</b></p><p>　　各種車型的電池的

87、電壓等級各不相同，主要的電壓等級類型見表2-6。</p><p>　　表2-6 各種車型的電壓等級統(tǒng)計表</p><p>　　由此，初選本文的選擇的電池電壓為500V左右。</p><p><b>　　2）電池容量</b></p><p>　　P-HEV的續(xù)駛里程取決于電池容量。若攜帶的能量過少，則在純電動行駛工況下，其

88、續(xù)駛里程較短，不能滿足人們出行的要求，同時也體現不出P-HEV節(jié)能的優(yōu)勢。若攜帶的能量過多，雖然續(xù)駛里程變長，但這需要大容量的電池，這勢必將增加電池的體積與質量，進一步加大了整車的質量，從而導致P-HEV的成本增加。所以，電池需要選擇合理的續(xù)駛里程從而確定其電池大小。</p><p>　　根據美國私人交通調查報告(NPTS)，普通家庭口常行駛里程在60miles內的累計概率是60%，因此60miles的純電動續(xù)駛

89、里程將滿足大部分家庭的正常使用[29]。再根據性能設計要求，本文選擇續(xù)駛里程為60km。</p><p>　　另外，還要考慮到電池的放電程度。對于P-HEV的電池，在SOC低于某一較低值后，繼續(xù)放電，則會出現深度放電現象，這會影響電池的性能與壽命。所以，電池的使用限額是30%-100%（100%是完成電網充電）。</p><p>　　電池的額定能量由下式得到：</p><

90、;p><b>　　公式中，</b></p><p><b>　　——電池額定能量；</b></p><p>　　——電機的等效勻速行駛的功率；</p><p>　　——等效勻速行駛的續(xù)駛里程，60km；</p><p>　　——電機總效率，0.81。</p><p>　

91、　計算得到電池的額定能量為 93.83kWh。</p><p>　　電池的額定容量（Ah）根據下式得到：</p><p>　　——電池電壓，取525V。</p><p>　　得到是178.72Ah，取整為180Ah。具體參數見下表2-7。</p><p><b>　　表2-7 電池參數</b></p>&l

92、t;p>　　根據已知數據選擇電池類型，選擇為180Ah A型鋰離子電池，在電壓140V，電流分別為18A，54A，180A時的放電特性見下圖2-5。</p><p>　　圖2-5180Ah A型鋰離子電池的放電特性。</p><h4>　　2.3.4 傳動系速比參數匹配</h2><p>　　系統(tǒng)的傳動系速比需要考慮發(fā)動機與電機兩者的工作轉速范圍，由表2-4，

93、表2-5可以得出，發(fā)動機主要工作的轉速范圍是800-3000r/min，而電機的工作轉速是0-4000r/min?？紤]到，發(fā)動機的最大轉矩轉速是1700r/min，電機的最大轉矩轉速是500-1250r/min。為了使發(fā)動機跟電機工作在較優(yōu)的區(qū)域，將最大的轉速定為3000r/min。</p><p>　　根據汽車理論的公式，</p><p>　　公式中得出，=4.63。</p>

94、<p><b>　　再根據</b></p><p><b>　　得</b></p><p>　　得出，=3.41，根據汽車理論，選擇四檔變速器，其中一檔、二檔、三檔以及四檔的速比分別是3.41，2.13，1.42，1。</p><h3>　　2.4 P-HEV客車整車模型</h2><p&

95、gt;　　在Cruise中建立新的工程模塊new_Project，其下建立ver 0001表示第1個模型。如下圖2-6。它包括以下模塊：車輛模塊，發(fā)動機模塊，電機模塊，電池模塊，3個單級齒輪變速器模塊，離合器模塊，變速器模塊，差速器模塊，4個制動器模塊，6個車輪模塊，駕駛室模塊，顯示器模塊，ASC控制器模塊，MATLAB /API模塊模。</p><p>　　將各個模塊如下圖連接。然后連接數據總線，使得模塊間能夠

96、互相傳遞數據，并使整個模型能夠與MATLAB/SIMULINK連接進行聯(lián)合仿真。見圖2-6。</p><p>　　圖2-6 Cruise整車模型</p><h3>　　2.5 P-HEV客車動力系統(tǒng)主要模塊</h2><p>　　用ADVISOR軟件建立整車的模型，修改相關參數，使得該整車模型，作為所需的數據參考模型。整車模型中，分別建立整車，發(fā)動機，電機，電池等

97、主要模塊。</p><h4>　　2.5.1 發(fā)動機模塊</h2><p>　　本例的發(fā)動機數據參考ADVISOR中建立的P-HEB整車模型的發(fā)動機數據和Cruise中卡車模型的發(fā)動機數據。參數的設置見表2-9。</p><p>　　表2-9 發(fā)動機設計的參數</p><p>　　下圖2-7是發(fā)動機的轉矩特性。</p><

98、p>　　圖2-7 發(fā)動機的轉矩特性</p><h4>　　2.5.2 電動機模塊</h2><p>　　本例的電動機數據參考ADVISOR中建立的P-HEB整車模型的電動機數據和Cruise中卡車模型的電動機數據。參數的設置見表2-10。</p><p>　　表2-10 電動機設計的參數</p><p>　　下圖2-8為電動機的效率圖&

99、lt;/p><p>　　圖2-8 電動機的效率圖</p><h4>　　2.5.3 電池模塊</h2><p>　　動力電池組的選擇必須與所選電動機的性能參數匹配，本文所用的動力電池為鋰離子電池，4個單體電池組成一個電池模塊，41個電池模塊組成動力電池組。本例的動力電池組數據參考ADVISOR中建立的P-HEB整車模型的電池數據和Cruise中Hybrid2模型的電池參

100、數。</p><p>　　表2-11 電池設計的參數</p><p>　　下圖2-9是充電時的電壓變化。</p><p>　　圖2-9 鋰離子電池充電時的電壓變化</p><p><b>　　2.5.4整車模塊</b></p><p>　　在AVL Cruise里建立的整車的模塊，定義模塊的屬性。

101、總體設計數據輸入如下表2-8。</p><p>　　表2-8 總體設計數據</p><p><b>　　2.6 本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了基于一汽CA6120URH1的改裝成的P-HEV客車的建模過程。主要計算設計了電動機，發(fā)動機，動力性電池以及傳動比等部件，并在ADVISOR軟件中建立整車參考模型，設置參數后導出需要

102、的相關參數，然后根據參數以及有關資料，在Cruise軟件中建立整車模型，并設置有關參數，連接數據總線，設置循環(huán)工況條件等。為下一步的加入控制策略后的仿真工作做好準備。</p><p>　　第三章 P-HEV客車控制策略設計與建模</p><h3>　　3.1 P-HEV客車動力系統(tǒng)各工作模式下的能量流動</h2><h4>　　3.1.1 P-HEV的工作模式<

103、;/h2><p>　　根據車上電池荷電狀態(tài)SOC的變化特點，可以將P-HEV的工作模式分為電量消耗、電量保持和常規(guī)充電模式，其中電量消耗又分為純電動和混合動力兩種子模式，電量保持也分純電動、混合動力（電機輔助）和發(fā)動機驅動并充電三種子模式?！半娏肯囊患冸妱印薄ⅰ半娏肯囊换旌蟿恿Α焙汀半娏勘３帧蹦Ｊ街g能夠根據整車管理策略進行無縫切換，切換的主要判據是整車負荷需求和電池的荷電狀態(tài)SOC。</p>&l

104、t;h4>　　3.1.2 電量消耗模式的能量流動</h2><p>　　在電量消耗模式中，P-HEV根據整車的負荷需求，具體選擇純電動和混合動力兩種子模式。</p><p>　　在“電量消耗一純電動”子模式中，發(fā)動機是關閉的，電池是唯一的能量源，電池的荷電狀態(tài)將會降低，整車一般只達到部分動力性指標。該模式適合于起動、低速和低負荷時應用。見下圖3-1。</p><p

105、><b>　　表示能量流向</b></p><p>　　圖3-1 電量維持-純電動的能量流向</p><p>　　在“電量消耗一混合動力”子模式中，發(fā)動機和電機同時工作，電池提供整車功率需求的主要部分，電池的荷電狀態(tài)也在降低，若負荷要求高，則發(fā)動機高效區(qū)輸出為主，電機為輔直至電池的荷電狀態(tài)達到最小允許值。該模式適合高速，尤其是要求全面達到動力性指標時采用。見下圖

106、3-2。</p><p><b>　　表示能量流向</b></p><p>　　圖3-2電量消耗-混合動力的能量流動</p><h4>　　3.1.3 電量保持模式的能量流動</h2><p>　　在電量保持模式下，P-HEV的工作方式需要考慮發(fā)動機是否開啟。若發(fā)動機關閉且SOC不低于0.3，則就是與電量消耗-純電動狀態(tài)

107、的能量流動一致。若發(fā)動機開啟且SOC不低于0.3，則與電量消耗-混合動力的能量流動一致。</p><p>　　若SOC低于0.3，則發(fā)動機驅動并給電池充電。見下圖3-3。</p><p><b>　　表示能量流向</b></p><p>　　圖3-3 電量保持-發(fā)動機驅動并給電池充電</p><h4>　　3.1.4 再

108、生制動模式的能量流動</h2><p>　　再生制動是指汽車在沒有負荷要求的狀態(tài)下，如果SOC低于0.8時，汽車通過制動回收部分動能轉化成電能儲存到電池之中。因為這部分能量是可再次利用的，所以稱之為再生制動。見下圖3-4。</p><p><b>　　表示能量流向</b></p><p>　　圖3-4 再生制動的能量流向</p>

109、<h3>　　3.2 P-HEV客車動力總成的控制策略</h2><h4>　　3.2.1 控制策略概述</h2><p>　　基于規(guī)則的邏輯門限值插入式混合動力汽車的動力系統(tǒng)的控制策略，優(yōu)勢在于能利用電能，減少燃油消耗，具體有以下這些要求：</p><p>　　1.在SOC允許的狀態(tài)下，使用電池的電量為主要的動力源；</p><p&g

110、t;　　2.控制發(fā)動機的啟動與關閉，避免發(fā)動機頻繁的開閉；</p><p>　　3.控制電池SOC的值，避免出現過放電，而影響電池性能；</p><p>　　4.控制使發(fā)動機工作在高效低排區(qū)。</p><p>　　針對以上要求，本文采用了由SOC狀況來判斷并選擇動力系統(tǒng)（包括發(fā)動機，電機等）的工作模式。在不同的工作模式下，選擇不同的控制策略來合理的安排發(fā)動機與電機的

111、動力輸出或者輸入（給電池充電），以滿足車輛的動力性與經濟性要求。</p><h4>　　3.2.2 本文采用的控制策略</h2><p>　　控制策略的流程圖如下圖3-5。</p><p>　　圖3-5 控制策略流程圖</p><p>　　下面詳細介紹本文的P-HEV客車動力系統(tǒng)控制策略的設計的基本思路，主要分為三個大塊（第四為發(fā)動機工作高效

112、區(qū)的選?。?lt;/p><p><b>　　一、行駛工況</b></p><p><b>　　*符號說明*</b></p><p>　　Treq——需求轉矩</p><p>　　Tm——電機輸出轉矩</p><p>　　Tmmax——電機能輸出的最大轉矩</p>

113、<p>　　Tehe——發(fā)動機高效率區(qū)的當前轉速對應的轉矩</p><p>　　Tehemin——發(fā)動機高效率區(qū)的當前轉速對應的最低轉矩</p><p>　　Te ——發(fā)動機輸出轉矩</p><p>　　Temax ——發(fā)動機的最大轉矩</p><p>　　Tsoc ——電池充電所需轉矩</p><

114、p><b>　　*判斷SOC電量*</b></p><p>　　1）若SOC＞0.5，則屬于電量消耗狀態(tài)</p><p>　　*判斷電機的轉矩輸出*</p><p>　　（1）若需求轉矩小于等于電機能輸出的最大轉矩</p><p>　　即Treq≤Tmmax</p><p>　　則電機輸出轉

115、矩為需求轉矩</p><p><b>　　即Tm=Treq</b></p><p>　　（2）若需求轉矩大于電機能輸出的最大轉矩</p><p>　　即Treq＞Tmmax</p><p><b>　　則轉到下個判斷</b></p><p>　　*判斷發(fā)動機啟停（一）（只要有