并联式混合动力汽车的能量管理系统研究-工程硕士论文

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 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95千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。1 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。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。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）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。（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），则电池组在这段时间所吸收的时间为： （1-1）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：那么电池组在行驶循环结束时的荷电状态SOC不会减少，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、续航能力等都会影响车辆的整体性能，通过改进可以降低油耗及成本。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 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。942 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 Jalil N, Kheir N A, Salman M. A rule-based energy management strategy for a series hybrid vehicleC/ American Control Conference, 1997. Proceedings of the. IEEE, 1997:689-693 vol.1., Lin C C, Kang J M, Grizzle J W, et al. Energy management strategy for a parallel hybrid electric truckC/ American Control Conference, 2001. Proceedings of the. IEEE, 2001:2878-2883 vol.4.，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 Hauer K H. Analysis Tool for Fuel Cell Vehicle Hardware and Software (Controls) with an Application to Fuel Economy Comparisons of Alternative System DesignsJ. 2001.，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。除多了驾驶员模型外，前向仿真的建模方法与后向仿真也不一样，模型的输入输出和状态变量的计算都有所不同，更为重要的是，前向仿真与后向仿真中的车辆控制器模型是不同的，两者的控制算法不一样。前向仿真与汽车的实际工作情况相一致，基于前向仿真模型可以建立起控制系统的硬件在环仿真环境。本章采用前向仿真建模法，在MATLAB/Simulink环境下，建立了混合动力系统以及车辆纵向动力学、车轮（含制动器）、车辆控制器、驾驶员等模型，为研究混合动力系统的控制问题提供了必要的环境。建模过程中为兼顾模型的简单性和精确性，采用以经验模型为主、理论模型为辅的方法，同时理论模型也尽可能采用低阶模型。基于模块化和开放体系的建模方法，还为以后加入精度更高的高阶模型提供了方便。2.2 混合动力系统建模2.2.1 发动机模型在混合动力系统控制设计时用到的发动机模型需要有发动机转矩Te输出、发动机转动惯量Je输出、燃油消耗量mf输出和排放（CO、HC、NOx）输出，要求输入量为节气门开度（对于汽油机）、起动机或起动/发电机的转矩输入Tg以及与传动系相连的转速输入e。汽油机模型的输入输出如图2-3所示。图2-3 汽油机模型的输入输出发动机建模有实验建模法（Empirical Modeling）和理论建模法（Theoretical Modeling）两种方法3。实验建模法利用发动机的实验数据，如不同节气门开度下的转速、转矩、燃油消耗量和排放的数据等，建立数据表，是一种查表性质的模型，其输入输出关系可以精确的表示发动机的稳态特性。实验数据建模法简单有效，模型需要的数据可以通过发动机性能试验得到，缺点是不能够反映发动机的瞬态响应特性，而且建立的模型只针对一台发动机。理论建模法是基于理论分析，利用流体力学和动力学原理建立发动机的空气和燃油流量方程以及各运动部件的运动方程，同时还涉及复杂的燃烧理论、各部件间的热传递等。理论模型可以比较好的反映发动机的动态特性，而且只要简单地改变发动机的几何参数值就可以仿真不同大小的发动机。然而，理论建模所需要的许多参数不容易测得，冗长的解析表达式也使模型的计算速度缓慢无比，同时，为建立理论模型而必须的诸多假设条件也会降低模型的精度，使得复杂的理论模型并不比实验模型优越。因此，有必要在模型的简单性和精确性之间进行权衡，选择一种合适的建模方法。在混合动力系统中，我们只关心发动机模型的输入和输出，对其内部的过程可以尽可能地简化，因而在混合动力汽车仿真程序中发动机的模型都采用以实验建模为主、理论建模为辅的混合建模法 Crossley P R, Cook J A. A nonlinear engine model for drivetrain system developmentC/ International Conference on Control. IET, 1991:921-925 vol.2., Hendricks E. Engine Modelling for Control Applications: A Critical SurveyJ. Meccanica, 1997, 32(5):387-396.，这也是本文采用的建模方法。对于混合动力系统，发动机控制的目的是尽可能让其工作于高效区，因此，我们关心的是外部控制变量对于汽油机是节气门开度，对于柴油机是供油系统的控制 Bidarvatan M, Shahbakhti M. Energy Management Control of a Hybrid Electric Vehicle by Incorporating Powertrain DynamicsC/ ASME 2015 Dynamic Systems and Control Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2015.，其内部控制变量如点火提前角、废气再循环（EGR）和空然比等将作为预先标定好的控制变量，建模中不作考虑。因此建模的主要工作是建立节气门开度与发动机转矩特性关系的模型，以及发动机燃油消耗和排放特性模型。图2-4为发动机的Simulink模型顶层系统框图，共有4个模块组成，分别为转矩计算模块、燃油消耗量计算模块、排放计算模块和发动机热模型模块。图2-4 发动机模型顶层系统框图发动机的数学模型有非线性模型和线性模型两种形式，非线性模型是一种多输入多输出的状态空间模型，是最为接近发动机真实模型的一种建模方式，但需要分析发动机的化学反应过程、热能传递方式和机械传动方式才能建立，状态空间模型通过非线性微分方程进行运算，计算时间较长。线性模型是根据大量的实验数据建立起来的，虽然不及非线性模型那样精确，但计算时间段，能满足实时仿真需求，所以可以选取线性模型为发动机模型。在输入输出模型中：用、表示发动机的需求转矩、输出转矩（Nm）；用、表示发动机需求转速、发动机实际转速（rad/s）；用PM、CO、HC、NOx表示尾气排放；用表示发动机的燃油消耗量（L）。发动机模型建立过程中，应尽量减少运算过程。对一些相对比较微弱的影响可以忽略不计，以发动机的几个主要的输入输出变量进行建模，可以分为理论建模和实验建模，而本文采用的是实验建模的方法，使数学模型尽可能的接近理论模型将发动机的参数和特点直观的表示出来。完整的发动机数学模型包含热力学模型、转矩模型、油耗模型、排放模型。发动机的输入输出都是非线性的，根据这类非线性问题，可以采用插值法和查表法近似描述，排放模型用来测量汽车尾气的排放量，热力学模型用来描述发动机的温度变化，发动机的冷启动与热启动燃油消耗和尾气排放都不同，要分别计算，在建立发动机模型时应注意。在计算转矩模型时，由于ADVISOR采用的是后向建模方法. 曾小华, 王庆年, 李骏,等. 基于ADVISOR2002混合动力汽车控制策略模块开发J. 汽车工程, 2004, 26(4):394-396.，所以不考虑负载特点转矩，直接计算外特性转矩 （2-1）用表示发动机工作过程中的最大输出转矩（Nm）；用表示发动机实时转速（rad/s）；用表示一维线性插值函数；建立发动机的油耗模型，必须满足发动机万有特性，当发动机处于热启动状态时，燃油消耗量率公式为： （2-2）表示发动机在转矩为和转速为时的燃油消耗；表示二维线性插值函数；汽车燃油消耗量 可表示为： （2-3）尾气排放量数学模型可表示为： （2-4）当发动机处于冷启动状态时，汽车的燃油消耗和尾气排放量都要大于热启动状态的数值，为了能够精确的描述汽车的油耗模型和排放模型，引入温度补偿系数和 （2-5） （2-6）其中，表示发动机冷却水温度；表示发动机冷启动温度。2.2.2 电池模型电池建模采用与发动机建模相同的方法，电池（含管理系统）模型的输入输出关系如图2-5所示，输入为负载电流I，输出有3个，分别是：电池荷电状态系数SOC，电池输出电压U，电池温度Tess。图2-5 电池模型的输入输出电池模型采用了文献 Pesaran A A. Battery thermal models for hybrid vehicle simulationsJ. Journal of Power Sources, 2002, 110(2):377-382.的内阻模型，电池内阻模型分两部分：电气模型和热模型，电气模型由电压源和电阻组成，如图2-6所示。图2-6 电池模型的电气部分图2-7为电池Simulink模型的顶层框图。图2-7 电池模型的顶层框图电池内阻Rint是SOC、温度和电流方向（充电或放电）的函数，按下式求得：Rint = f (SOC,Tess , I )(2-7)电池开路电压Uoc是SOC和温度的函数，按下式求得：Uoc = f (SOC,Tess )(2-8)上面两式中f ()为带插值功能的2维查表函数，电池的充、放电内阻和SOC、温度的关系以及电池开路电压和SOC、温度关系都是根据试验数据建立的查表关系。电池SOC采用安时累计法计算： (2-9)式中SOCinit为初始 SOC，Qcap为电池的安时容量，Quse为用掉的电量，按下式计算： (2-10)式中ess为电池充放电效率，可根据电池内阻和开路电压估算，或采用试验法测定。电池的单模块热模型用于模拟电池的温升，计算电池的温度Tess。电池热模型中，电池模块产生的热量为： (2-11)电池传递到电池箱的热量为Qess case，传递过程中的等效热阻为： (2-12)式中Amod为电池模块的总表面积(m2)，dess_mod为电池模块的导热系数(W/m2 K)，h为空气的导热系数，在冷却风扇开和关时取不同的值：冷却风扇开冷却风扇关 (2-13) (2-14)式中Tess、Tair分别为电池模块温度和电池箱内空气温度（K）。 (2-15)式中Tamb为电池箱外空气温度（K），即冷却空气进口温度，Cp,air为空气的热容（J/kg K）。 (2-16)式中mess_mod为电池模块质量（kg），Cp,ess_mod为电池模块热容（J/kg K）。2.2.3 电机模型电机的输出性能（转矩、功率）是电机和电机控制器的综合性能，因此建模中把电机及其控制器作为一个整体考虑。在混合动力汽车中，电机除了作电动机工作外，还能用作发电机，因此电机模型必须能够同时满足模拟这两种工作模式的要求。根据混合动力系统控制分析的需要，电机及其控制器模型的输入输出如图2-8所示，输入为电机转矩控制指令（电机油门）（0,1），电机工作模式指令mode（电动、发电、空转或者调速模式等），电源总线上的电压U（V），以及与传动系相连的转速m（rad/s）；输出为电机转矩Tm（Nm），电机转动惯量Tm（kgm2），和电机控制器母线端子电流Im（A）。图2-8 电机及其控制器模型的输入输出与发动机建模一样采用实验建模法，重点放在电机模型的输入输出特性上，而略去其内部复杂的物理过程，这种建模方法的优点是适用于所有类型的电机，只要测得该电机的外特性数据即可。图2-9是电机模型的顶层框图。图2-9 电机模型的顶层框图电动机是并联式混合动力汽车的关键部件，是连接发动机与电池的媒介，并联式混合动力汽车能量控制系统的优化，主要表现在能量利用率上，也就是电能与机械能之间相互转化的能力，对于混合动力汽车的电机要求比较严格，质量要尽量轻，性能上还应当能够满足汽车的驱动需求，常用的基本特性如表2-1所示，通过表内数据，分析并联式混合动力汽车采用永磁电机。电动机采用混合建模的方法，通过实验采集的多组电机数据与理论方法相结合的方式建立电机模型。用、表示汽车对电动机的需求转矩和电动机输出转矩（Nm）；用、表示汽车对电动机的需求功率和电动机实际输出功率（W）；用、表示汽车对电动机需求角速度的电动机输出角速度（rad/s）。电机的最大转矩是电机输出转速的函数，因此可用方程求解；电机效率随着电动机工作点的不同而不同，即可表示为电机输出转矩和输出转速的函数；。电动机是并联式混合动力汽车的关键部件，考虑能量控制系统的动能需求和其他要求，选用额定功率为10KW的永磁异步电机。表2-1常用电机基本特性直流电机交流电机永磁电机开关磁阻电机功率密度低中高较高过载能力（%）200300-500300300-500峰值效率85-8994-9595-9790负荷效率80-8790-9285-9778-86功率因数82-8590-9360-65恒功率区1：51：2.251：3转速范围（rpm）4000-600012000-200004000-1000015000可靠性一般好优良好结构坚固性差好优良好点击外形尺寸大中小小电机质量重中轻轻2.2.4 传动系模型车辆传动系包括离合器、变速器和驱动桥（主减速器、差速器、半轴），因此，传动系模型由离合器模型、变速器模型和驱动桥模型组成 吴剑. 并联式混合动力汽车能量管理策略优化研究D. 山东大学, 2008., 熊伟威. 混联式混合动力客车能量优化管理策略研究D. 上海交通大学, 2009.。2.2.4.1 离合器模型根据混合动力系统控制分析的需要，离合器模型的输入输出如图2-10所示，输入为：离合器接合行程指令Clt，离合器前动力系统的转动惯量Jin、转矩Tin，离合器后变速器的转速in；输出为转矩Tout、转动惯量Jout、和转速out。注意前向仿真模型中转速是向前传递的，离合器模型的转速输入是变速器的转速输出，离合器模型的转速输出则向前传递。考虑到混合动力系统能量分析的实际需要，图2-11所示为简化的模型。 图2-10离合器模型的输入输出 图2-11 离合器简化模型离合器共有3种状态：全分、半离合（摩擦滑动）和全合。在离合器全分状态下，动力传动被切断，主动片侧（输入）和从动片侧（输出）的转矩和转速没有关系。在全合状态下，转速和转矩等值传递，即输入输出转矩、转速相等。在半离合状态时，即主、从动片有转速差，分两种情况：（1）若out in ，离合器传递的摩擦转矩为： (2-17)（2）若out in ，离合器传递的摩擦转矩为： (2-18)式中Clt为离合器行程（不计空行程段），Tc_max为离合器的最大静摩擦传递转矩。输出转速为： (2-19)式中out_0为离合器接合或分离前的主动片转速，t为接合或分离的累计时间。图2-12 离合器模型的顶层框2.2.4.2 变速器模型变速器的作用是将动力系统传过来的转速和转矩通过变速齿轮的减速增扭传递到驱动桥，由于变速器中各部件的摩擦，传动过程中有功率损失，功率损失可以通过专门的试验台测得。根据混合动力系统控制分析的需要，变速器模型的输入输出如图2-13所示，输入为档位指令gn，转矩输入Tin和转动惯量输入Jin，以及与驱动桥相连的转速输入in；输出有转矩Tout和转动惯量Jout，以及向前传递的转速out。由于模型的输入输出关系比较简单，这里不再罗列各项公式。图2-13 变速器模型的输入输出 2.3 车辆控制器模型车辆控制器（VCU）的功能是接收驾驶员的操作指令并实时检测整车运行状态，根据控制程序，计算并输出控制信号，控制混合动力系统执行相应的动作。车辆控制器的Simulink模型如图2-14所示，其核心模块为控制算法程序，控制算法源代码采用C编写，在模型中打包成S-Function，因此控制程序源代码可以无需修改，编译成目标CPU的可执行代码后直接下载到实物控制器即可运行。图2-14 车辆控制器模型2.4 驾驶员模型驾驶员模型实际上是个车速控制器，如图2-15所示，模型中采用了一个PID控制器，将输入的期望车速ud与实际车速ua（来自汽车动力学模型的输出反馈）的差值u转变为加速踏板指令acc或制动踏板指令brk。驾驶员模型的主要变量为驾驶员体重，和描述不同驾驶风格的P、I、D参数。图 2-15 驾驶员模型的输入输出2.5 车辆纵向动力学模型由于这里关心的是汽车的动力性和燃油经济性（包括排放），因此车辆动力学模型只涉及到纵向动力学模型，即汽车的驱动和制动 ManfredMistschke, HenningWallentowitz, 米奇克,等. 汽车动力学M. 清华大学出版社, 2009.，并不涉及车辆振动和行驶的操纵稳定性。车辆纵向动力学模型包括车轮模型和汽车行驶动力学模型。2.5.1 车轮模型车轮（含制动器）模型的输入输出如图2-16所示，输入包括摩擦制动力矩指令fric，从传动系传递过来的输入转矩Tin（Nm）和转动惯量Jin（kgm2），以及从汽车行驶动力学模型传递过来的车速ua（m/s）；输出为车轮驱动力Ft（N），汽车旋转部件的等效平移质量MJ（kg），以及向传动系传递的车轮转速w（rad/s）。图2-16 车轮（制动器）模型的输入输出根据力学理论，车轮的阻力主要与汽车当前的车速、轮毂半径和轮胎半径以及车轮主要参数有关，本次采用美国米其林公司生产的轿车轮胎做测试，根据所测数据，建立并联式混合动力汽车车轮数学模型。 (2-20) (2-21)表示汽车滚动阻力；表示汽车时速（m/s）；、表示车轮模型参数；表示轮毂上得到的相对滚动阻力；表示在轮毂上的实测滚动阻力 表示车轮的轮毂半径；表示车轮外圈半径。、等参数可以根据不同的车轮技术要求进行更改。 (2-22)2.5.2 汽车行驶动力学模型汽车行驶动力学模型的输入输出如图2-17所示，输入为道路坡度值（），驱动力Ft（N），汽车旋转部件的等效平移质量MJ（kg）；输出为车速ua（m/s）。图2-17 汽车行驶动力学模型的输入输出设汽车行驶道路的倾角为，汽车运行过程中，受重力、滚动阻力、加速阻力、空气阻力等力。汽车的受力情况如图2-18所示。图2-18 汽车受力图滚动阻力，受道路状况、车速影响还和汽车质量有关。 (2-23) (2-24)：汽车总质量；：滚动系数；V：所需车速；：车速相关的滚动系数；：路面与水平的夹角；：一个仿真步长结束时的速度；：一个仿真补偿开始时的速度。空气阻力 受汽车车速、空气密度和迎风面积等的影响。 (2-25)：空气密度；：空气阻力系数；：迎风面积。加速阻力 取决于汽车总质量和加速度的乘积。 (2-26)由上可得汽车动力学模型为： (2-27)2.6 附件模型为了能够构建一个完整的混合动力汽车仿真模型，还必须考虑车上的耗能附件，如传统的发动机附件，以及电动真空泵、电动转向泵等耗电量比较大的电气附件。由于附件对车辆的燃油经济性有着不可忽略的影响，因此仿真中必须考虑附件的能耗。车载耗能附件可分为机械附件与电气附件两类，附件功率可通过估算或实际试验测得，附件模型基于这样一个假设，即附件打开以后就以某恒定的功率工作。 图2-19 机械附件模型的输入输出 图2-20 电气附件模型的输入输出图2-19所示为机械附件模型的输入输出，Pma为机械附件功率（W），Jma为机械附件的转动惯量（kgm2），输入输出的关系如下： (2-28)式中on为1，off为0。 (2-29)电气附件模型的输入输出如图2-20所示，输入输出的电压U相等，Pea为电气附件功率，输出电流与输入电流的关系为： (2-30)2.7 本章小结本章采用实验建模为主、理论建模为辅的方法，在MATLAB/Simulink环境中建立了混合动力汽车的前向仿真模型，为整车控制策略的研究和开发提供了必要的仿真平台。本章主要工作包括：(1) 采用基于性能试验数据和查表的方法，建立了发动机节气门开度与转矩特性关系、发动机燃油消耗和排放特性模型，电池的内阻开路电压模型，以及电机的转矩特性和效率特性模型。同时，为发动机、电池和电机建立了各自的温升模型，用以修正试验法得到的部件稳态特性数据，使各部件模型的输出特性更加逼近真实值。基于试验数据的建模法可以十分精确的反映部件的稳态特性，对于以分析能量消耗为主的仿真（不需要高频的瞬态特性），模型的精度是足够的；(2) 从混合动力系统控制分析的实际需要出发，采用了简化的离合器模型，用以仿真传动系的转速和转矩的传递特性；(3) 用一个PID控制器模仿驾驶员的判断和操作，建立了驾驶员模型；(4) 应用经典车辆纵向动力学理论，建立了汽车直线行驶动力学模型；(5) 在基于实测附件消耗功的基础上，建立了恒功率附件模型。3 基于规则的逻辑门限控制策略3.1 引言混合动力汽车兼具传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，是二者的完美结合，这个结合的纽带就是混合动力汽车的整车控制系统，即车辆控制器，车辆控制器的主要功能是进行整车能量管理和动力系统的控制。车辆控制器如同混合动力汽车的大脑，指挥各个系统的协调工作，在燃油经济性、污染物排放、整车动力性以及行驶的平稳性之间取得最佳的平衡。整车能量管理必须通过有效地控制混合动力系统的工作才能实现，此外，能量管理还必须考虑其它车载电气附件和机械附件的能量消耗，主要的如空调、动力转向、制动助力等系统的能耗，以通盘考虑整车的能量使用，最终实现最高效地使用车载燃料。实现整车能量管理与动力系统控制的算法称为控制策略，控制策略与车辆控制器是整车的神经中枢，是混合动力汽车成败的最终决定性因素。由于混合动力系统包括发动机、电机、功率转换器、蓄电池、离合器、变速器等，是一个集成了电气、机械、化学和热力学系统的非线性动态系统，使这些部件有效地协调工作，决定了被控系统的复杂性 Salman M A, Chen J S, Chang M F. Predictive energy management system for hybrid electric vehicles: US, US7360615P. 2008., Ibrahim M, Jemei S, Wimmer G, et al. Nonlinear autoregressive neural network in an energy management strategy for battery/ultra-capacitor hybrid electrical vehiclesJ. Electric Power Systems Research, 2016, 136:262-269.。同时，汽车行驶工况的不确定性也增加了控制策略设计的复杂性 Marquez E D, Nelson D. Control Strategy Development for Parallel Plug-In Hybrid Electric Vehicle Using Fuzzy Control LogicC/ SAE 2016 International Powertrains, Fuels & Lubricants Meeting. 2016., Jin Y, Xie Z, Chen J, et al. PHEV power distribution fuzzy logic control strategy based on predictionJ. Journal of Zhejiang University of Technology, 2015.，车辆行驶中，外界环境和驾驶员操作在不断地变化，即便是同一条线路，每次行驶的工况都可能不同。此外，不同的驾驶习惯和风格，也给驾驶意图的判断和整车控制策略的设计增加了难度。总之，控制策略是一个涉及复杂问题决策和非线性时变系统控制的复杂