混合动力车辆建模及优化控制分析研究车辆工程管理专业.docx

《混合动力车辆建模及优化控制分析研究车辆工程管理专业.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混合动力车辆建模及优化控制分析研究车辆工程管理专业.docx（27页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、目录摘要3Abstract4第一章绪论51.1混合动力汽车发展的历史背景和意义51.2混合动力汽车简介51.3国内外发展现状61.3.1国外发展现状61.3.2国内发展现状61.4论文的主要研究内容7第二章混合动力汽车和模糊控制策略概述82.1 混合动力汽车的定义82.2 Simulink技术简介92.3 模糊控制理论简介92.4 本章小结10第三章混合动力汽车的模型建立103.1 混合动力汽车的传动结构模型103.2 混合动力汽车动力学建模113.3 驾驶员模型133.4 传动系统建模133.4.1 发动机模型133.4.2 电机模型143.4.3 电池模型163.4.4 变速箱模型173.

2、5 本章小结19第四章模糊控制策略的制定204.1 引言204.2 模糊控制器的设计204.3 模糊控制规则库的建立214.4 仿真结果分析234.5 本章小结25第五章总结与展望265.1 总结265.2 展望26参考文献27致谢错误！未定义书签。摘要在当今日益严峻的环境污染和资源紧缺的问题挑战下，由于混合动力汽车既具有传统汽车的动力优势又具有纯电动汽车的节能环保的功能，混合动力汽车便成了人们日益关注的焦点。混合动力汽车的研究离不开仿真建模和控制算法的制定。本文以优化发动机的工作区间和提高燃油性为目的，对混合动力汽车的建模以及控制策略的选择与制定展开了详细的研究。本文先是介绍了一些相关的基本

3、理论，选择了本文所研究的混合动力汽车类型和选用的控制策略。其次，本文根据汽车各部件的工作特性曲线、万有特性曲线和各部件的实验数据，在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型，包括整车、发动机、电机、电池、变速箱和驾驶员的模型。再次，本文基于模糊控制理论的定义与特性，建立了一个由双模糊控制结构组成的模糊控制器，分别建立输入变量为电池荷电状态SoC和需求转矩，输出变量为油门开度的模糊控制器1和输入变量为油门开度和油门开度变化率，输出变量为转矩系数的模糊控制器2.并在发动机提供主要动力，电机辅助发动机驱动汽车的原则下，根据汽车在各情况的行驶状况和动力需求相应制定了各自的模糊规则库，用FUZZy

4、工具箱建立模糊控制器模型并加入到整车模型当中完成仿真，并对仿真结果进行分析，总结出本文制定的模糊控制算法能够有效的完成对混合动力汽车的优化控制。关键词：混合动力模糊控制仿真建模能量管理AbstractIntodaysincreasinglyseverechallengesofenvironmentalpollutionandresourcescarcityhybridvehicleshavebecomethefocusofincreasingattentionashybridvehicleshaveboththepoweradvantagesoftraditionalvehiclesandth

5、eenergysavingandenvironmentalprotectionfeaturesofpureelectricvehicles.Researchonhybridvehiclescan,tbeseparatedfromtheformulationofsimulationmodelingandcontrolalgorithms.Inthispaper,thepurposeofoptimizingtheenginesworkingrangeandimprovingfuelperformanceistoconductadetailedstudyonthemodelingofhybridve

6、hiclesandtheselectionandformulationofcontrolstrategies.Firstly,thispaperintroducessomerelatedbasictheoriesthatmakeupthereasonfortheselectionofthetypesofhybridvehiclesstudiedandcontrolstrategiesinthispaper.Secondly,basedontheuniversalcharacteristiccurveandtheexperimentaldataofeachcomponentofthecar,th

7、ispaperbuildsasimulationmodelinMATLAB/Simulinkincludingmodelsoftheentirevehicle;engine;motor;battery;transmissionanddriver.Thirdly,basedonthedefinitionandcharacteristicsoffuzzycontroltheorythispaperestablishesafuzzycontrollercomposedofdualfuzzycontrolstructuresandestablishesfuzzycontroller1withbatte

8、rystateofchargeSOCanddemandtorqueasinputandacceleratoropeningasoutputrespectively,andthefuzzycontroller2withthethrottleopeningandthrottleopeningchangerateastheinputtorquecoefficientastheoutput.Intheprinciplethattheengineprovidesthemainpowerandthemotorassiststheenginetodrivetheautomobile,thefuzzyrule

9、sdatabasewasformulatedcorrespondingtothepowerdemand,accordingtothecarinvariousconditionsdrivingconditionsTheFuzzycontrollerwasusedtoestablishthefuzzycontrollermodelwhichwasaddedtothevehiclemodeltocompletethesimulation.Thesimulationresultswereanalyzedandtheconclusionofthepaperwasobtained.Keywords：Hyb

10、rid;FuzzyControl;Simulationmodeling;Energymanagement第一章绪论1.1 混合动力汽车发展的历史背景和意义当今世界的可持续发展仍然面对着环境污染和资源紧缺的考验1。地球上的资源是有限的,但是人们资源的用量却是越来越大。随着科技的发展，汽车逐渐成为人们主要的交通工具，如图1-1所示汽车保有量的逐年增加导致石油的用量也越来越大。然而减少汽车的使用显然是不现实的，不符合潮流的，于是许多国家便把目光转向研发纯电动汽车。但是目前的电池技术不够成熟，研发出电动汽车的性能满足不了人们的需求，短时间内电动汽车无法取代传统汽车，所以混合动力汽车便成了各国的研究重点

11、。混合动力车辆的耗油量较于传统燃料汽车的耗油量能够降低10%-40%左右，并且排放出的污染物和二氧化碳的总量也大大减少，为实现交通领域的健康可持续发展做出了卓越的贡献。在混合动力汽车的研究中不断突破，开发出新的节能技术，不断探索出更加环境友好的新的交通工具，实现人与自然的和谐相处，将中国建立成一个新型的环保大国。图1-1近年来全国汽车保有量近年来国内混合动力车辆的销量节节攀升，混合动力汽车广为人们所认可，是现代汽车研究的热点和主流。它不仅仅是一种过渡性的产品，而是未来汽车产品的风向标。在这种潮流的引导下，国内的汽车产业也逐渐跟国外联系起来。中外合资汽车企业越来越多，并且面临着巨大的竞争。混合动

12、力车辆正处于科研转向产业化的关键时刻，中国的混合动力汽车市场逐步进入快速发展阶段。1.2 混合动力汽车简介在当前的研究水平下，新能源汽车可以分为两大类：第一种称为燃料电池电动汽车,是用其他燃料例如：天然气，甲醇，乙醇等代替石油作为汽车的主燃料；第二种称为纯电动汽车、混合动力汽车等新型动力驱动汽车。其中混合动力汽车既继承了传统内燃机的优势，又有电动汽车的节能减排、效率高的优点，是目前的研究热点。现在的混合动力汽车主要是指燃油和电池共同驱动的汽车，其中发动机提供主要驱动力，电机辅助发动机驱动，并在一定情况下会有电机单独提供驱动力，控制发动机始终处于最优工作状态。电机和电池的加入还能够使汽车更多的消

13、耗电能，减少耗油量和污染气体排放。作为一种新能源汽车与传统汽车相比有以下好处：（1）采用复合动力后可以使汽车发动机始终工作在最优曲线，具有效率高、低油耗、排放小等优点。（2）汽车在电池的帮助下回收制动、下坡、怠速的能量变得十分方便，达到节能的目的。（3）在市区内可以关停内燃机，用电池单独驱动，达成环境友好的“零排放目标。（4）电池可以始终保持优良工作状态，提高了利用效率，减小电池损耗，寿命得到了延长，降低了许多成本。（5）内燃机解决了空调、取暖、除霜能耗过大的问题，使乘坐的舒适性得到了很大的提升。13国内外发展现状1.3.1 国外发展现状自1990年来，混合动力汽车的研究已经渐渐取代了传统汽车

14、的研究成为了世界各地各大品牌汽车生产商的发展重点。目前主要是美国、日本和各个欧洲汽车强国侧重于生产和研发HEV。由于混合动力汽车的研究与发展在日本国内受到极其大的重视，具有长期的计划，并且政府也大力支持这项技术的发展研究，出台了一系列的优惠政策与奖励措施，使得日本在混合动力汽车的发展上有着长远的规划和优势，所以目前日本在混合动力汽车上的研究是最为先进的。丰田公司的普锐斯4,作为世界上第一款大量投入生产的混合动力汽车，在循环工况中正常行驶36KM平均仅耗IL油，耗油量较传统汽车大大减少，在世界上一直畅销，至2011年其销量已经超过300万辆。本田公司的思域在相对于其传统款，燃油的消耗减少了大概4

15、0%,在欧洲地区十分受欢迎。虽然美国政府也在政策上提供了一定的帮助而且美国的汽车行业的巨头已经将混合动力汽车的研究开发放在了战略地位，最有名的是雪佛兰公司出品的混合动力汽车，但是限于技术研究的水平不足还无法将混合动力汽车投入大量生产，国内汽车巨头企业的混合动力汽车市场占有率十分低，距离产业化还有很大的距离，其市场主要还是被H本公司占领。总而言之，国外的混合动力汽车技术已经发展许久，并且取得了一定的成绩。各国的政府对于混合动力汽车的发展也十分重视，都颁发了不少扶持政策，全力推广混合动力汽车。混合动力汽车的普及与研究是全世界的潮流，各大汽车厂商都将混合动力汽车的产业化作为自身发展的重点。预计202

16、0年混合动力汽车的市场占额能够达到25%左右。1.3.2 国内发展现状其实我国从上个世纪90年代时就形成了混合动力汽车的概念，不过限于当时的发展水平和经济实力，没有能发展的足够充分。近年来，国内逐渐将生产力和开发的重点转向新能源汽车，国家也出台了许多支持新能源汽车产业发展的政策。例如，在2001年新能源汽车项目被正式列入“8638两个五年计划，并且规划了从混合动力车到氢动力车的大致发展道路。政府还推出了专属车牌，享有不限行、不需要摇号、免费停车等特权9。新能源汽车的发展成为了我国汽车行业研究的重点，得到了政府的大力支持，并且确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵，以整车、电机、

17、电池为三横10的研发布局，产学研相结合，混合动力汽车在国内的发展迅速，已经大致形成了中国自己的混合动力汽车技术开放体系。现阶段我国已经掌握了混合动力汽车开发的关键技术，已经具有了一定的自主开发能力。并且近年来国内各企业在这方面的投入日益增加，将其视为未来的主流竞争产品给予其高度的战略地位，混合动力汽车的科技研究创新速度日益加快，产业化的步伐也在不断的加快，许多公司已经开始大规模量产混合动力汽车。其中比亚迪公司在混合动力汽车方面的研发处于领先的地位，最出名的就是比亚迪秦11,它操控灵活，动力性也不输传统汽车，给予驾驶员的可操作性十分大，可以路况和驾驶员自身的需求来调整驾驶模式。东风公司也完成了我

18、国第一代混合动力商品车的研发工作。虽然国内的混合动力汽车产业发展迅速，展现出我国具有一定的汽车综合实力，但是我国的混合动力汽车产业仍然处在发展的初级阶段，很多方面仅仅只是在理论上能够实现，远远没有达到产业化的标准。尤其的在能量分配策略上，还需要不断的研究和探索。我国只有完成了混合动力汽车的控制策略优化，才能够在这个领域上真正达到顶尖。1.4论文的主要研窕内容本文采用MATLAB/Simulink作为研究工具对并联型混合动力汽车的仿真模型与控制算法进行详细研究，并在不影响汽车正常行驶动力性的前提下，建立模糊控制器，制定合理的模糊控制规则，达到提高发动机工作效率，减少燃油消耗尾气排放的目的。本文的

19、主要内容如下：（1）第一章介绍了本文研究内容的背景，结合全球范围内新能源汽车的研究现状和发展趋势，总结出现在混合动力汽车的发展是大势所趋，但是其发展程度仍处于初级阶段，还不满足真正的产业化标准，尤其是在控制策略方面仍有很大的发展空间，仍需不断的改进与开发。（2）第二章通过对混合动力汽车的定义与分类、SimUlink建模技术的定义和模糊控制的工作原理进行简要的阐述，并说明了不同类型混合动力汽车的特点和模糊控制相对于其他控制策略的优势。重点阐述了选择并联式混合动力车作为本文研究对象的原因和模糊控制策略适用于混合动力汽车系统并选择其作为控制策略的原因。（3）第三章主要针对本文选择的研究对象进行分析，

20、先是对整车进行力学分析，再对汽车传动系统中关键组件的工作原理和实验数据进行分析，建立各组件的仿真模型，并根据整车的运行原理、动力需求和控制策略的要求，在MATLAB/Simulink中用前向仿真的方式建立下文构造的控制策略仿真所需要的仿真模型。（4）第四章根据上文建立的仿真模型，对模糊控制器的设计的思路和过程进行了详细的阐述，解释了模糊控制各个变量的隶属度函数建立的依据和模糊控制规则的制定过程，并进行仿真模拟循环工况下的模型运行状况，对仿真的结果进行分析，表明模糊控制器有效的调整了发动机和电机的工作状况，汽车的能量利用效率提高了，耗油量明显降低。（5）第五章总结了全文的工作内容，在完成工作中遇

21、到的问题和仍需要完善的地方，简要阐述了模糊控制策略在混合动力汽车控制方面的发展前景和对混合动力汽车未来的展望。第二章混合动力汽车和模糊控制策略概述2.1 混合动力汽车的定义混合动力汽车内部拥有多种不同的动力源，并且其使用过程中所消耗的能量由一种或多种动力源提供。在当前各国在混合动力汽车研究中，取得了不小的进展。根据混合动力汽车的驱动系统和发动机与电动机的组合方式各不相同，可分为串联式、并联式、混联式混合动力汽车12。串联式混合动力汽车的结构如图2-1所示，它的驱动系统由发动机和电机串联组成。发动机带动发电机工作，发电机的电能再传输到电机与电池中，电机运行驱动车辆行驶。由于发动机不直接传递动力，

22、发动机可以始终保持在最佳工作曲线上，受到的影响较小，但是能量传输次数过多导致能量的损失比较大，效率较低。图2-1串联式驱动系统结构并联式混合动力汽车的驱动系统的示意图如图2-2所示，发动机和电动机分别通过机械传动装置和动力复合装置与驱动桥相连，车辆在行驶过程中可以根据路况或者周边环境的需求实现纯电力驱动和纯内燃机驱动，或者两者共同驱动。图2-2并联式驱动系统结构混联式混合动力汽车结合了串联式和并联式的特点其结构如图2.3所示，可以再串联和并联之间自由切换。发动机的能量一部分用于传动，一部分用于发电机发电，其中大部分用来电动机提供电能，电机产生的扭矩通过耦合器传输给驱动轮。图2-3混联式驱动系统

23、结构在这三种不同类型的混合动力汽车中，并联型是容易实现发动机的最优工作与燃油消耗效率的提高，但是其结构相对来说比较复杂，导致并联式混合动力汽车行业还需要进一步的优化才能达到理想的作用。因此本文选择并联式混合动力汽车作为研窕对象，制定合理的控制策略。2.2 Simulink技术简介本文中对混合动力汽车系统的模型建立采用的是MATLAB/Simulink技术13。MATLAB是一款用途十分广泛的软件，它的界面和用户调试都十分友好方便，所以我选择使用MATLAB软件来处理本课题。Simulink是MATLAB中一种基于MATLAB框图设计环境的可视化仿真工具，能够实现各种动态模型的建模、仿真和分析。

24、此功能被广泛运用于各类系统的建模与仿真中。Simulink支持各种不同的采样时间进行建模，并且在系统不同部分采样速率不同的情况下也能够正常使用，并且构建在其基础上的其他产品拓展了其建模的领域功能，使得算法研发、仿真分析及可视化，定制建模环境变得更加方便快速。SimUIink提供一个能够方便使用者直接点击和拖动的可扩充预定义模块库，用户的使用十分便捷，仿真结果可以直接显示在界面中，方便用户观察。其模型分析诊断工具能够准确定位模型中的错误，很好的保证了模型的一致性，帮助使用者调整出正确的仿真模型。2.3 模糊控制理论简介正常的理想控制方式是给一个定点就将其反馈给系统进行作用完成控制，然而在实际工作

25、过程中，往往两种情况之间很少有一个很明确的界限。比如，形容一个人头发的数量，起初是O根然后根一根往上加，你不能说哪一根开始这个人的头发就是属于多的那类人，没有一个明确的界限，是模糊的。正如这个例子所述，实际的应用中有一些复杂的控制系统，因为不能建立起数学模型，无法用理想控制方式来操作系统，但是可以通过实践的经验，来对其进行控制，获得的控制效果十分令人满意。这种将操作经验总结成类似上述的语言操作规则，用模糊的规则制定控制策略来实现有效的控制，就是模糊控制14,这也是模糊控制策略区别于其他传统控制方式的关键其控制流程框图如图2-4所示。图2-4模糊控制流程框图模糊控制作为一种智能控制，能在没有精确

26、的数学模型的情况下工作，对计算机使用者十分友好，易于用计算机控制，并且其抗干扰能力强适用范围十分广泛。这就使得模糊控制针对类似机器人控制、空调系统、混合动力汽车等这样的复杂系统有着极好的控制效果，并且在现代产业控制中模糊控制的使用越来越广泛，成为了智能控制领域中最为活跃的一环。但模糊控制仍需要一次理论突破，理论还不成熟，仍需要不断开发研究。模糊控制系统中最关键的就是模糊控制器15,其结构图如图25所示，它是由模糊语句表述控制规则，相对于其他的控制规则有着一定的优势，因此我们选用模糊控制作为本文仿真模型的控制策略。图2-5控制器图一般混合动力汽车的控制策略口6通常是根据电池的SOC、需求转矩、车

27、速和驱动轮的平均功率等参数，按一定的规则控制发动机和电动机的工作情况，在满足驱动轮驱动力矩的要求的前提下，尽量减少发动机提供的扭矩。本文采用的模糊控制策略原理是同时对发电机、电动机和电池进行优化控制，让发动机的运行始终处于最优工作曲线1刀上。当电池的SoC不足或过高导致电机不能满足需求转矩时，发动机会做出相应的调整，改变其最优工作曲线，并保持电机始终处于高效工作状态和SOC在一个合理的区间范围内变化，在不影响车辆的正常工作的前提下，调整发电机、电动机和电池的各自的工作情况，尽可能的减少能量的消耗，实现减少油耗量的目标。2.4 本章小结本章简单介绍了本文研究的需要的一些理论知识储备。简单介绍了混

28、合动力汽车是什么、选用SimUIink建模的优势之处和模糊控制的发展来源、较于传统控制策略的区别与优势。主要叙述了模糊控制策略的基本工作原理与模糊控制系统的构造与其关键部件模糊控制器的定义。第三章混合动力汽车的模型建立3.1 混合动力汽车的传动结构模型混合动力汽车(HEV)大致可以认为由发动机、蓄电池、电机、动力耦合装置、变速箱等部件组成。当其起步时用电机驱动车辆，使车辆加速运行。车辆速度较高的时候，由发动机提供主要动力并保持发动机在最优工作曲线处，加速爬坡时电机辅助发动机提供驱动力。车辆减速时，制动能量回收。本文通过对驾驶员、整车动力学、发动机、电机、蓄电池、变速箱、减速器、模糊控制器等模块

29、进行建模仿真。建模方式本文选择使用前向式建模的方式，这种方式能够更加精确的反映出车辆的动态特性。大致模型18如图3L所示。图3-1混合动力汽车模型框图3.2 混合动力汽车动力学建模本文的研究目标主要是在保证车辆在正常行驶过程中的性能的同时，提高工作效率并且尽量的减车辆油耗量。所以在建立混合动力汽车动力学模型的时候，必须要充分考虑车辆的动力性，依此来建立汽车动力学模型。汽车在角度为的斜坡受力情况如图3-2所示。图3-2混合动力汽车在坡道上的受力分析图由图受力分析可得：(3.1)式中，汽车提供的驱动力；为坡道阻力；为滚动阻力；为空气阻力。(1)汽车驱动力：汽车驱动力的表达式为：(3.2)式中，为车

30、辆所有动力源传递到车轮处的扭矩：为驱动力矩传到车轮的效率；为车轮半径。(2)坡道阻力：坡道阻力主要与汽车质量和道路坡度有关，满足：(33)式中，为车辆总质量；为重力加速度；为行驶道路的坡度角。(3)空气阻力：空气阻力主要与车速和汽车的迎风面积有关，满足：(3.4)式中，为空气阻力系数；为迎风面积；为风与汽车的相对速度。(4)滚动阻力：滚动阻力主要受道路坡度、汽车质量和路面摩擦系数影响，满足：(3.5)式中，为滑动摩擦系数.(5)汽车行驶速度：(3.6)其中为汽车行驶中的加速度O根据上述列出的动力学方程即可建立混合动力汽车整车模型，如图3-3所示。图3-3混合动力汽车整车模型3.3 驾驶员模型驾

31、驶员模型是用在仿真模型中模拟真人驾驶情况的特点，使得车速能够跟随我们所预期的标准循环工况运行，本质上是一种速度控制器。该模型的输入是循环工况中的需求车速和混合动力汽车动力学模型中仿真得到的实际车速，对两者之差运用PID算法即可得到车辆所需要的油门开度即踏板信号。图3-4是本文建立的驾驶员模型。图3-4驾驶员模型3.4 传动系统建模混合动力汽车的传动系统主要由发动机、电机、电池和变速箱等部件组成。本节主要是通过实际测量的实验数据和各个部件的工作原理与工作情况的分析来构建模型。3.4.1 发动机模型在并联型混合动力汽车中，虽然汽车是由混合动力驱动的，但是发动机在其中仍然是主要动力源，因此建立的发动

32、机模型是否准确会在很大程度上影响系统仿真的结果。本小节对发动机的建模方法使用的是基于实际测量的实验数据的查表法，用发动机万有特性曲线建立仿真模块所需要的查表函数。图3-5为发动机的万有特性曲线。根据汽车的工作原理，发动机输出扭矩可近似为：(3.乃式中，是发动机能提供的最大输出扭矩：是发动机提供的最小输出扭矩；为驾驶员模块中模拟驾驶员的油门开度指令。其中和需要根据发动机的转速通过上文所述构造的查表函数变化实时更新:(3.8)(3.9)图35发动机的万有特性曲线式中，和为查表函数；为发动机当前运行的角速度发动机的总油耗量可以通过对发动机实时工作的每一个时间点的油耗量进行积分得到,公式如下：(3.1

33、0)式中，表示当前消耗总油耗量，是实时油量查表函数。由上述发动机工作原理及公式，构建出发动机的模型如图3-6所示：图36发动机模型3.4.2电机模型电机模型的建立使用了与发动机建模相类似的，依照电机的工作原理和实验数据与工作特性曲线进行查表的建模方法。这样就避免考虑电机运行的复杂过程，减小我们进行研究的难度，不需要通过各种复杂的方程来建模所需各个量之间的关系，在很大的程度上减小了建模的难度。由于电机拥有两种工作模式一一发电和电动，所以在建模中要将其充分体现出来，根据这两种情况下工作方式的区别来进行建模。本文选择电机扭矩命令、电机的实时转速作为电机模型的输入。将电机的输出扭矩和功率作为模型的输出

34、，作为查表函数依据的电机外特性曲线如图3-7所示。电机的输出扭矩可以表示为：(3.11)式中 是电机实时转速是电机在实时转速下能输出的最大扭矩;是查表函数；是电机输出扭矩。图3-7电动机外特性曲线在电机建模中为了保持模型的准确性，还需要充分考虑电机的效率特性，即电机在工作中机械能与电能转换的效率。由实验测量数据可以发现，电机的效率随着电机输出扭矩和电机角速度的变化而变化，可表示为：(3.12)电机在不同的工作状态下(即发电和电动状态下)，电机的Pm机械功率、Pne电功率、效率之间的关系不相同，公式如下：Pm e = PlJjlm （电动状态）（3.14）P-=PmFm（发电状态）（3.15）由

35、上述原理及关系对混合动力汽车电机部件进行建模，所构建的电机模型如图3-7所3.4.3电池模型因为电池在工作状态下，其内部一直在发生多种复杂的化学反应，所以我们不能将电池简单的视为一个线性系统来考虑要把电池当做一个复杂的非线性系统进行分析。本小节采用电池的等效电路对电池的工作原理进行分析建模，本文所选用电池19的等效电路，如图3-9所示。T-号.IV河图3-9电池等效电路电池内阻，电池电压的计算公式如下：V=/T禺(3.16)K=f(SOC,ib)(3.17)V=f2(SOO(3.18)其中(SOcm)为Ri根据SoC和瞬时电流的查表函数，K(SOC)为根据SoC的查表函数。电池的剩余电量会0随

36、着放电时间1、负载电流工和电池温度的变化而变化，关系如下：观3*=QM-/3600)次(3.19)0其中，QO)为每一时刻电池的剩余电量，表示电池容量(小)；虱”为每个时刻的充放电电流(4)。由于电池的温度在实际运行中变化不是很大，对仿真结果的影响不是很大，几乎可以忽略不计，所以我们可以省略电池温度的计算部分，将电池的温度设定为一个常数值，简化我们的建模。电池SOC计算公式如下：ISOC=SOC0-i/f/(36000&)(3.20)0其中SOG为电池初始阶段SOC值。由上述原理及关系对混合动力汽车电池部件进行建模，所构建的电池模型如图3-10所示。3.4.4变速箱模型变速箱20的整个构造会对

37、汽车的动力和油耗量造成很大的影响，所以变速箱的构造就十分重要。本文基于6档自动变速箱设计了一种单发动机、单电机的混合动力传动结构，并且利用行星齿轮排和离合器组合成动力耦合装置，以此达成在满足车辆动力的前提下，降低油耗量并且提高传动效率的目的。混合动力汽车自动变速箱分析如图3-11所示。图3-11自动变速箱动力学分析(3.21)各级行星齿轮计算如下:第一级行星齿轮排：(3.22)KK + Tmg _ 巴$2 - F3S3 = COrlIrlTe-FlS例+%S=%(+s)(3.24)第二级行星齿轮排：cl+(,2-6凡=/”r2(3.25)外S2+%-F3R3=c2(3.26)以2$2+=以2(

38、$2+火2)(3.2乃第三级行星齿轮排：F3S3+F3R3-Touf=Ic3c3(3.28)以3S3+用3R3=43(S3+R3)(3.29)(3.23)4OO0OOSlO0、Zq1OOOOOO0)(T.)O41O0OOaOO0OOOO1OOOOO4.0OO-RS2S30OOOOO1OOOO042OOOOO0O11OOOOOOO0OOO-h仆=0OOO1OOOO(3.30)OO0OO心OO-C0OOOOOO-1OS-aROOOOOO0OOOOOOOOOOS2R2-bOOOO0OOOOOOOOOOS3O-COOO；23/10OOOOOOO0)是齿轮的转速上式中，a=Si+Rl,h=S2+R2,S

39、ads);为齿轮的转动惯量；分别为各级行星齿轮之间的内力；分别对应各行星齿轮齿圈齿数，太阳轮齿数和行星架齿数。联立上述三级行星齿轮动力学方程，得到式(3.28),根据式(3.28),建立变速箱模型，如图312所示。图3-12变速箱模型3.5本章小结本章对混合动力汽车的各个重要部件进行详细分析，根据各部件的工作原理与工作特性和实验数据，建立了准确的混合动力汽车的整车模型，为下一章模糊控制策略的制定好了准备工作。第四章模糊控制策略的制定4.1 引言在混合动力汽车的研究上，用的最多的几种方法有：逻辑门限策略、优化控制策略和模糊控制策略。因为逻辑门限策略在工况下的调整适应能力较差，优化控制策略的实现较

40、为复杂困难，而模糊控制模糊能够依靠其较好的实时性和鲁棒性有效的克服了上述其他两种控制策略的缺点，并且展现出良好的自适应性，基于带有模糊性的控制规则，增加了控制的自由度，十分适合用于混合动力汽车的控制。所以本文所采用的控制策略是模糊控制策略。4.2 模糊控制器的设计为了便于用于建模仿真分析，模糊控制器是在MATLAB软件中设计的。本文设计的模糊控制器，选择需求转矩和电池的作为输入变量，油门开度指令作为输出变量。构建出的模糊控制系统如图4-1所示。图4-1混合动力汽车模糊控制系统在模糊控制器1中，输入变量定义了7个模糊子集，其模糊集合为NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB),根据汽车运行中的实际

41、需求转矩确定论域为0,1200O其中NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，Z表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。另外一个输入变量，定义了五个模糊子集，其集合为TL,L,N,H,TH,根据电池实际适合的工作情况确定论域为05,0.7o其中TL表示过低，L表示低，N表示正常，H表示高，TH表示过高。根据驾驶员模型工作原理与仿真结果可以得到，油门开度在小于。时发动机不工作，论域为0,1,定义了五个模糊子集，其模糊集合为NB,NS,Z,PS,PBo模糊控制器1中的各输入输出变量构造的隶属度函数如图4-2所示。在模糊控制器2中，输入变量油门开度的论域为0,1,定义了5个模糊子集，其模糊

42、集合为NB,NS,Z,PS,PBo同理输入变量的论域为卜5,5,其定义了5个模糊子集，模糊集合为NB,NS,乙PS,PBo输出变量转矩系数的论域为01,定义了七个模糊子集，其模糊集合为NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB。模糊控制器2中的各变量的隶属度函数如图43所示。1. SoC隶属度函数2. 隶属度函数3. 隶属度函数图4-2模糊控制器1隶属度函数图Ce(a)隶属度函数(b)隶属度函数/1隶属度函数图4-3模糊控制器2隶属度函数图4.3模糊控制规则库的建立模糊控制器的一切控制策略都基于模糊规则21的作用，模糊规则的制定的好坏会直接影响到控制结果。由于模糊控制规则的制定没有固定的套路，更多

43、的是依赖于经验。本文研究是混合动力汽车在循环工况下的运行状况，在如今的混合动力汽车中，依然是由发动机提供汽车的主要驱动力，电机在特定情况下辅助发动机工作，提供一定量的动力使发动机工作在最优曲线上，提升能量的利用效率，达到节能减排的目的。由于电机的最优工作区间比较广，而发动机的最优工作区间较小，所以本文的控制策略的主要目的就是利用电机的最优工区间的优势来优化发动机的最优工作区间，使发动机更多的工作在最优工作区间内，提高燃油的经济性。控制策略大致如下：(1)汽车低速运行，电池较高时，汽车的需求动力都由电机提供，发动机处于关闭状态，减少燃油的消耗。(2)在汽车中等载荷下，并且发动机工作在最优曲线附近

44、时，电机不工作，由发动机单独提供汽车需要的扭矩。(3)汽车重载情况下，汽车需求的扭矩大于发动机的最优工作曲线，其余下的部分转矩由电机补充。(4)当电池过高的时候，可以相应的减少发动机提供的转矩，增加电机输出的动力。(5)当电池过低的时候，电机的动力不足以提供给汽车驱动，发动机必须运行，提供动力，并且输出的功率大于汽车运行所需功率，其中一部分用来驱动汽车行驶，另一部分用来给电机电池组充电，调节使其在合理的工作区间内。(6)在制动中，控制器通过电机对电池组进行充电，将部分能量返还到电池组中。根据上文所述的控制策略的规则，制定模糊控制策略规则。表4.1是模糊控制器1的模糊规则库，表4.2是模糊控制器

45、2的模糊规则库。表4.1模糊控制器1规则库TLLNHTHTreqNBNMNMNMNBNBNMNSNSNMNMNMNSZZZNSNMZPSPSZZNSPSPMPMPSPSZPMPBPMPMPSPSPBPBPBPMPMPS表4.2模糊控制器2规则库NBNSZPSPBdC3ZNBNBNBNSZZNSNBNSNSZPSZNBNSZPSPSPSNSZPSPSPBPBNSZPSPBPB图4-4,4-5为模糊控制器1和模糊控制器2的三维规则图。图5-5模糊控制器1三维规则图图5-5模糊控制器1三维规则图4.4仿真结果分析根据上文建立的模糊控制策略建立模糊控制工具箱模型，并将其加入上文所建立的混合动力汽车整车模型，在MATLAB/Simulink中进行循环工况下的仿真。图4-6为车辆循环工况下的仿真结果。1.油门开度变化曲线(b)汽车速度变化曲线(C)发动机转矩变化曲线(d)电机转矩