PHEV动力总成控制策略及仿真

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PHEV动力推荐度：
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本科毕业设计（论文）

PHEV动力总成控制策略及仿真

PHEV POWERTRAIN CONTROL STRATEGY AND

SIMULATION

摘要

PHEV（并联式混合动力汽车）是近几年在传统汽车的基础上新发展起来的一种汽车，比如丰田的普锐斯，本田的Insight等。由于其燃油经济性突出和优良的排放性能受到全世界的广泛关注。这种新兴的节能环保车辆与传统汽车不同点主要在于采用两种或两种以上动力装置，根据要求可以单独或联合驱动整车。与传统汽车相比，混合动力汽车可以通过合理的匹配和优化控制而获得良好的燃油经济性能和排放性能。

混合动力的核心技术是其动力控制策略，因为控制技术调节两大动力装置的动力输出，决定了发动机与电动机的工作区间，直接影响整车的动力性、经济性及排放性等多项指标。本文的编程思想基于当前SOC值和发动机最佳转矩曲线两个因素：当SOC值较高时，仅用电机驱动，避免发动力低效工作；当SOC值适中时，让发动机尽可能多的工作在最佳转矩曲线上，以获得良好的经济性与排放性能；当SOC值较低时，发动机转矩适当增加，为电池充电；当需求转矩很大时，发动机和电机共同工作。

目前研究出的控制策略有许多，但由于混合动力驱动系统的复杂性，建立精确的

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数学模型非常困难。模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，主要依据工程经验来制定控制规则，并且模糊算法在计算上也不是特别复杂，因此本文采用模糊算法编写控制策略。

本文在MATLAB/ADVISOR/SIMULINK环境下，编写一套PHEV动力总成模糊控制策略。建立控制策略模型后嵌入ADVISOR中进行仿真，通过和ADVISOR自带的电控辅助控制策略的性能对比，分析出两种策略的特点及各自的优缺点。

关键词：并联式混合动力汽车模糊控制ADVISOR SINMULINK

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Abstract

Parallel hybrid electric vehicle (PHEV) is a new kind of automobile which developed in recent years basis on the traditional vehicle, such as Toyota Prius, Honda Insight and so on. Due to its outstanding fuel economy and good emission, it has attracted attention from all around the world, the main difference between new energy saving vehicles and traditional ones is the using of two or more power units, and upon request to drive vehicle individually or jointly. Compared with conventional cars, hybrid cars can get a good fuel economy and emissions performance by a reasonable match and optimizing the control performance.

Power control strategy is the core technology for the hybrid electric vehicle, the power output of he two power plant regulated by the control technology, that determine the workspace of engine and electric motor which directly affect the vehicle's performance, such as power, economy, emission and so on.The Programming ideas mainly based on two factors, the current SOC value and the best torque curve of the engine. When the SOC value is high, use the electric motor only to avoid the inefficient work of the engine.When the SOC value is appropriate, make the engine as much as possible work in the best torque curve to get good economy and emission. When the SOC value is low, the engine torque increase appropriately to charge the battery. When the demand torque is large, the engine and electric motor work together.

Currently, there are many control strategies. Due to the complexity of the hybrid drive systems, establish a precise mathematical model is extremely difficult. Fuzzy control mainly based on engineering experience rather than the accurate mathematical model to develop control rules, and fuzzy algorithm is not particularly complex, so fuzzy control strategy shows a good prospect.

This paper prepare a set of fuzzy PHEV power-train control strategy in the MATLAB/ADVISOR/SIMULINK environment.After the establishment of control strategies model embedded the in the ADVISOR for simulation. By the performance comparison of control strategy established and control strategies auxiliary control electric control strategy in the ADVISOR to analyze the characteristics of the two strategies and their advantages and disadvantages.

key words：PHEV Fuzzy Control ADVISOR SIMULINK

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第1章绪论 ............................................................. 1 1.1 问题的提出 ........................................................... 1 1.2 国内外混合动力汽车的发展现状 ......................................... 1 1.3 研究内容 ............................................................. 5 第2章混合动力汽车概述 ................................................. 7 2.1 混合动力汽车概念 ..................................................... 7 2.2 混合动力汽车的特点 ................................................... 7 2.3 混合动力汽车的结构 ................................................... 8 2.4 混合动力汽车的节油原理 .............................................. 11 2.5 混合动力汽车控制策略 ................................................ 11 第3章控制策略设计 .................................................... 13 3.1电动机辅助控制策略 ................................................... 13 3.2 发动机最佳转矩曲线控制策略 .......................................... 15 3.2.1 策略介绍 ......................................................... 15 3.3.2 策略设计 ......................................................... 16 第4章 PHEV模糊控制策略 ............................................... 17 4.1模糊控制理论简介 ..................................................... 17 4.2模糊控制系统的结构 ................................................... 18 4.3 模糊控制方案的设计 .................................................. 21 第5章混合动力汽车的仿真软件 .......................................... 28 5.1 ADVISOR 仿真软件 .................................................... 28 5.2 ADVISOR的仿真策略 ................................................... 30 5.3 PHEV各部件在ADVISOR 2002中的作用 ................................... 31 5.4 ADVISOR 的操作方法 .................................................. 36 5.5 模糊逻辑控制策略在ADVISOR中的实现 .................................. 39 第6章仿真分析 ........................................................ 43

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6.1将模糊控制器加入控制策略 ............................................. 43 6.2 仿真结果及比较 ...................................................... 44 总结 ............................................................... 52 致谢 ............................................................... 53 参考文献 ............................................................... 54 附录 ............................................................... 54

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第1章绪论

1.1 问题的提出

传统车辆的发动机靠百万年沉积在地下的有机物形成的原油提炼的石化燃料（汽油或柴油）运转。石油是不可再生的能源，有资料表明，如果按照现在的开发速度，仅够世界使用50-60年。不断的开采导致其价格不断蹿升，据统计，自2003年以来油价不断上升，现在的原油每桶以达86美元，世界进入了一个高油价时期，石油供应与需求的矛盾日益尖锐，能源供应安全成为许多产业大国面临的重大问题。

内燃机汽车通过排气管排出二氧化碳，碳氢化合物，硫氧化物，一氧化碳和碳氢化合物。这些气体能导致全球温室效应，全球气候变暖正在引起越来越多人的关注。同时这些废气也会污染我们的环境，对我们的生活带来危害，由此越来越严格的排放规章正在世界各国推广。

这一系列的因素要求现代汽车制造商推出更有燃油效率和排放更低的汽车，这就是大家都熟知的混合动力汽车。混合动力汽车是发动机，电动机，制动控制系统，计算机，新能源和新材料等工程技术最新成果的集成产物。从燃油经济角度看，混合动力汽车将使用能源利用多元化和高效化，使用电能代替汽油驱动汽车，使发动机工作长期工作在高效区，大大提高燃油经济性。从排放角度看，由于电池工作不排放废气，而发动机工作在高效区能有效降低废气排放，致使混合动力的排放达到一个新高度。

1.2 国内外混合动力汽车的发展现状

近几十年来，世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。如何避免石油过早枯竭，如何保持良好的生态环境维护人类自身和子孙后代的健康，是全人类共同的责任。推出更加节能减排的汽车产品是所有汽车生产厂商的愿望。目前，混合动力电动汽车由于其高能量效率和低排放性能向传统汽车提出了极大挑战，发展势态迅猛，市场化进程很快，它是新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。那么，我们就来看看混合动力汽车在国内外发展的状况。

1.2.1 国外混合动力汽车发展状况

进入21世纪后，各厂家加快了HEV的概念产品化的进程，相继推出了各种型式的HEV产品，Toyota的PRIUS、Honda的Insight、Ford的Prodigy、Daimler Chrysler 的ESX3、GM的Precept、Nissan的Tino等都是具有代表性的车型，其中PRIUS和

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Insight已是成熟的产品。随着各国环境立法的日趋严厉，电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低，混合动力汽车的市场份额逐渐增大，已成为重点发展的新型汽车。现在就让我们来了解混合动力汽车在国外的发展状况。 1.2.1.1 日本

日本丰田汽车公司是目前走在HEV最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行HEV研究的汽车公司之一，早在1997年12月，丰田就将混合动力型PRIUS轿车投放本国市场，PRIUS混联式混合动力电动汽车开拓了混合动力电动汽车技术与应用领域的新天地，创造性地首次采用了两套动力系统混联的方式，采用高度精密的机械装置实现了动力系统的连接和能源的传递。

在日本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也分别研制了混合动力汽车。1999年11月本田公司推出Insight混合动力电动轿车，也进入批量生产。继Insight之后，本田公司于2002年推出Duainote运动型概念车，它追求更强的动力，更低的油耗，百公里油耗只用5.6升。2003年款本田“思域”混合动力轿车，比Insight电池体积减少42%，重量减轻30%，性能更加出色。 1.2.1.2 美国

自上世纪90年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，并以混合动力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1993年9月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划”(简称PNGV计划)，旨在开发新一代高效节能汽车。随着PNGV计划的实施，美国三大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和研制工作。通用汽车公司同时致力于串联式混合动力和并联式混合动力电动汽车的研制。在1998年1月的底特律北美国际汽车展上，通用汽车公司推出了EV型4座混合动力电动汽车。美国通用汽车公司在2000年推出“Precept”混合动力概念车。同时通用公司宣布，将研制雪佛兰Silverado、GMC和sierra皮卡混合动力汽车，每年提供10万套部件，近年至少年产7000辆。更值得关注的是，通用公司总裁格瓦纳声称，通用将在今年成为100万辆的混合动力汽车的生产企业。2000年，福特汽车公司开发出福特P2O00型5座并联式混合动力电动汽车投放于市场;福特开发出的“优异2010”概念车实验平台的性能已达到了PNGV计划的部分目标:每加仑汽油行驶80英里。经过不断地改进提高，福特汽车公司于2002年推出福克斯(Focus)新一代燃料电池混合动力轿车，从2004年开始小批量生产Focus，今年将成批量生产混合动力电动汽车。

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1.2.1.3 欧洲

欧洲也在积极进行混合动力汽车的开发、研制及推广方面的工作。法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合动力电动汽车已经在法国接受了10000km的运行试验，并与1998年研制出电动（汽油）两用车。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达90km。

德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并联式混合动力电动车Duo已小批量生产。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过7L的轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力汽车上。

1.2.2 国内混合动力汽车发展状况

我国在“八五”和“九五”计划间都有计划地展开了电动汽车的关键技术攻关和整车研制工作，国家科技部又将混合动力电动汽车的研究与开发作为“十五”863重大专项的内容。目前，国内己经介入混合动力汽车研究的主要有一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、上海华普汽车和比亚迪等厂家。

“十五”期间，一汽承担了国家“863”计划中的电动汽车重大专项项目“解放牌混合动力城市客车研究开发”和“红旗牌混合动力轿车研究开发”。2005年12月，解放牌混合动力城市客车完成了定型试验和国家汽车产品公告目录，同月在一汽客车公司无锡客车厂完成了解放牌混合动力客车的下线，具备了小批量整车生产能力。2008年初，一汽承担的国家863计划项目顺利通过国家验收。采用新的整车平台后，混合动力客车达到了比传统客车节油38%、排放达到欧W标准的性能水平，并完成了生产准备。奔腾混合动力轿车达到了节油42%、排放低于国m标准，并于2009年完成生产准备。

上汽股份在2005年与上海交通大学、同济大学共同签署新能源汽车战略合作协议，合作加快替代能源、混合动力、燃料电池车等车型的研发。在2007上海国际汽车展上，展出了一辆基于荣威750平台自主研发的混合动力轿车和一款名为“上海”牌的第四代燃料电池轿车。在2008年北京奥运会前已经开始小批量投产自主品牌混合动力轿车，并同步推进合资品牌混合动力轿车、客车的研发。荣威混合动力轿车成为上汽首批投入实际运行的混合动力车型。

在2003年奇瑞“ISG混合动力轿车”项目便被科技部批准列为“十五，，863计划二期滚动项目，奇瑞也由此成为中国最早启动混合动力车研发项目的企业之一。2007年奇瑞推出以奇瑞AS为平台、匹配混合动力系统的奇瑞ASBSG、生物柴油动力的新车型VS和匹配燃料电池动力系统的B11。同年奇瑞完成ISG、BSG混合动力车的下线，并将其批量生产、投入运营。在2008北京奥运会期间，奇瑞汽车一举拿

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下80辆混合动力轿车中50辆的份额，成为首次亮相奥运会的中国自主品牌汽车。

1.2.3 未来发展预测

1.2.3.1 混合动力汽车废气排放量低，符合“低碳经济”的发展规律

面对全球气候变化，急需世界各国协同减低或控制二氧化碳排放，“低碳经济”在这种形势下应运而生。所谓“低碳经济”是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭、石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式。据资料显示，混合动力汽车的混合动力装置发挥发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以充分利用电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，使汽车的热效率提高10%以上，废气排放改善30%以上，大大降低污染，符合“低碳经济”低污染发展规律。

1.2.3.2 在能源短缺的大环境下，混合动力汽车的发展符合社会发展的趋势

能源危机问题已经是世界范围内的共性问题。尽管混合动力并不是汽车替代能源措施的最终解决方案，但在最终解决方案未定论前，它的出现让人们为之欣喜，并已确确实实在节能技术上有所作为。混合动力技术的问世，是现阶段解决能源问题的有效措施，符合社会节能环保的发展趋势。 1.2.3.3 混合动力汽车的市场推广需要政府的主导

在欧美一些国家以及日本等国，个人购买节能环保型车辆，政府都有一定程度的资金补贴，使得混合动力汽车的购车价与普通的燃油车车价接近。政策的鼓励对混合动力车的市场推进有着推波助澜的作用。在我国，对节能环保车辆也有一定的政策鼓励，如2009 年2月7日下发的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》，在公共服务用乘用车和轻型商用车方面，节油率在40%以上的混合动力汽车，每辆可获5 万元补贴。但目前这样的利好政策，还没有辐射到个人购车的优惠上。所以，混合动力汽车要有更好的市场前景，政府的主导及相关政策的倾斜尤为重要。

1.2.4 总评

混合动力汽车与传统的燃油汽车相比，在正常行驶时油耗低、排放少、对能量的利用率高，有着良好的使用性能；但目前与同类汽车产品相比售价偏高。随着人们环保意识的不断增强，混合动力技术的不断成熟和完善，生产成本的不断降低，混合动力汽车在市场的占有量会不断地增加，具备较大的市场潜力。

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1.3 研究内容

混合动力的核心技术是其动力控制策略，由于混合动力汽车有发动机和电动机两套动力驱动系统，如何去设计好它们的工作次序（即什么情况下发动机工作，什么情况下电动机驱动，什么情况两者同时工作）成为了设计者最关心的问题，因为控制技术调节两大动力装置的动力输出，决定了发动机与电动机的工作区间，直接影响整车的动力性，经济性及排放等多项指标。因此，为了实现混合动力良好的经济性和排放性，需要一套科学合理的能源管理策略。

1.3.1 主要内容

本文的编程思想基于当前SOC值和发动力最佳转矩曲线两个因素：当SOC值较高时，多用电机，避免发动力低效工作；当SOC值适中时，让发动机尽可能多的工作在最佳转矩曲线上，以获得良好的经济性与排放性能；当SOC值较低时，发动机转矩适当增加，为电池充电；当需求转矩很大时，发动机和电机共同工作。目前研究出的控制策略有许多，但由于混合动力系统的复杂性，建立被控对象的精确数学模型非常困难，而模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，主要依据工程经验来制定控制规则，并且模糊算法在计算上也不是特别复杂。因此，本文采用模糊逻辑设计并联混合动力汽车控制策略，以需求转矩与发动机最优转矩的差值、电池SOC为输入，以发动机转矩指令为输出，构建了具有多条控制规则的模糊控制器，用以确定发动机和电机的最佳转矩分配，从而实现系统的总体能量转换效率最高。

这套PHEV动力总成模糊控制策略是在ADVISOR2002中进行编写，仿真的。A-DVISOR2002所提出的控制策略及方法都基于模块化的编程思想，采用MATLAB/SI-MULINK 语言。因此，我们需要在MATLAB/SIMULINK环境里写一套PHEV动力总成模糊控制策略。建立控制策略模型后嵌入ADVISOR2002中进行仿真，通过和A-DVISOR原有的电控辅助控制策略的对比、分析出两种策略的特点和各自的优缺点。

1.3.2 控制思路

1. 转矩请求很小

（1）在SOC值较高时，由于发动机效率很低，宜采用纯电动模式；

（2）当SOC值较低时，通过主动充电来提高负载，使发动机尽可能靠近最佳区域； 2. 转矩请求适中

（1）在SOC值较高时，采用发动机单独工作模式，发动机工作在最佳转矩曲线上；（2）当SOC值较低时，通过主动充电来提高负载，适当为电池充电； 3. 转矩请求较大

（1）在SOC值较高时，采用电动机和发动机联合的工作模式，让电动机来提供部

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分辅助转矩，大小由电池的电量决定，这样发动机能尽量保持在最佳工作点附近运行；

（2）当SOC值较低时，为了保护电池，这是发动机将不可避免的远离最佳工作点，

浪费一定的动力性。

在模糊优化控制策略中，综合考虑其他动力源的状态和状态约束确定发动机实际输出转矩，再根据汽车驱动需求转矩，发动机与电动机输出转矩的关系确定电动机的工作状态，最终实现HEV油耗和排放的综合优化。

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第2章混合动力汽车概述

2.1 混合动力汽车概念

混合动力汽车英文缩写为 HEV（Hybrid Electric Vehicle）根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议对混合动力汽车的定义为多于一种能量转换器来提供驱动动力的混合型电动汽车，另外也可将HEV 做以下简单定义即将电力驱动和辅助动力单元APU（ Auxiliary Power Unit ）合用到一辆车上，总之HEV 是传统内燃机车辆与电动车辆产生的混血儿，它继承了电动汽车低排放的优点又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性增加了电动汽车的续驶里程。

2.2混合动力汽车的特点

以石油产品为燃料的内燃机，由于其具有高能量密度而成为目前汽车上使用的最广泛的动力源，然而汽（柴）由的排气破坏了人类懒以生存的大气环境，加之石油又日益匮乏，工程师们不得不开始去为汽车研发新的动力装置。

电动机与内燃机相比，具有清洁，安静，效率高的特点，同时它的转速-转矩控制特点也比较灵活。电动机在低速时具有恒转速的特点，高速时具有恒功率的特点，可以在转速-转矩特性曲线下区域内任何一点工作。混合动力汽车将动力驱动与传统的内燃机驱动相结合，充分发挥了二者的优势。同时，它可以从根本上解决现在纯电动汽车动力性能差和续航里程短的问题。混合动力汽车与电动汽车相比，其主要优势是：

（1）电池容量大为减少，进而可以降低整车重量，为提高动力性作出贡献；（2）由于采用辅助动力驱动，打破了纯电动汽车续航里程的限制，其长途行驶能

力可与传统汽车相媲美；

（3）在混合动力汽车上采用高度实时和动态的优化控制策略，优化控制的结果尽

量使动力系统各部分工作在最佳状态和最高效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的尾气排放，大大提高了混合动力汽车的燃油经济性。在排放限制严格的地区，还可以关闭辅助动力，以纯电动方式工作，成为零排放汽车；

（4）空调系统等附件由内燃机直接驱动，有充分的能源供应，保证了汽车的乘坐

舒适性；

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（5）在控制策略的作用下，辅助动力可以向储能装置（一般为电池组）提供能量，

从而保证混合动力汽车无需停车充电，因此可利用现有的加油站，不需要进行专用的充电设施的建设；

（6）由于混合动力汽车的电池组在使用过程中是浅充浅放，所以可以延长电池的

使用寿命。

混合动力汽车正在成为实用的先进动力汽车。混合动力作为一种技术，在不久的将来是燃料电池替换内燃机的重要过渡技术，对燃料电池混合动力汽车的开发将会起到重要作用。各大汽车公司竞相开发和推出自己的混合动力汽车产品，表明他们看好其产业前景。

2.3混合动力汽车的结构

由于混合动力汽车的组成部件，布置方式以及控制策略不同，所以形成了多种多样的结构形式。根据发动机和电动机的功率比的大小，分为里程延长型，双模式型和动力辅助型；根据发动机运行模式不同，可以分为发动机开/关模式型和发动机连续运行模式型；根据发动机是否布置在同一轴线上，分为单轴型和双轴型；根据动力源的数量以及动力系统结构形式的不同，有串联式布置(Series Schedule 又称SHEV)，并联式布置（Parallel Schedule 又称PHEV ）以及混联式（Series-Parallel Combined Schedule又称SPHEV）布置三种方案。最后一种分类是最为广泛的分类形式，这里进行详细介绍。

2.3.1 串联式HEV 动力传动系

串联式 HEV 动力传动系的结构组成如(图2-1) 所示通常发动机与发电机集成为一个总成即辅助动力单元APU。

图 2.1 串联式HEV 动力传动系结构简图

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串联式是混合动力汽车中结构形式最简单的一种，发动机输出的机械能通过发动机转化成电能，转化后的电能一部分经由电动机和传动装置启动汽车，另一部分可以存储到蓄电池中，供汽车加速时或在其它工况下使用。由于串联式 HEV 动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况，对发动机进行控制的优点结果使发动机可稳定于高效区域或低排放区附近工作，该结构尤其适合于难与驱动轮进行机械连接的发动机发电机。但串联式HEV 动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用来驱动汽车，途经两次能量转换中间必然伴随能量损失。尽管其传动结构简单，但它需要三个驱动部件（发动机，发电机和电动机）会给系统总布置带来困难。如果串联式混合动力汽车设计时考虑大爬坡度和频繁加速情况，则对三个驱动部件的要求相应都较高。

2.3.2 并联式HEV 动力传动系

PHEV 是由发动机、电动机两大动力总成采用并联的方式组成的驱动系统。与串联动力系统布置不同的是,并联式布置保留了发动机和后续传动系统的机械连接,汽车可以由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动(见图2-2) 。

图 2-2 并联式HEV 动力传动系统结构简图

与串联式混合动力汽车不同，并联式混合动力汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动汽车。发动机和电动机通常采用不同的离合器驱动汽车，可以采用发动机单独驱动，电力单独驱动以及发动机和电动机混合驱动三种不同的工作模式。并联式是一种电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当发动机提供的

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功率大于驱动汽车所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入蓄电池。因此，并联混合动力汽车动力传动系统它具有如下优点：（1）由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥中间没有能量转换，与串联式布

置相比系统效率较高燃油消耗也较少；

（2）假定汽车所要求的最大功率为P ，则每台动力总成的功率总和往往在P~2P 之

间，由于设备功率较小附加的设备费用也较小。

但由于发动机与车辆驱动轮直接机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车行驶工况的影响，要维持发动机工作在最佳工作区则需复杂的控制系统和控制策略。

2.3.3 混联式HEV 动力传动系

典型的混联式 HEV 动力传动系布置方案简图如(图2-3) 所示。在该系统上既装备有电动机又装备有发电机，具有了串，并联各自的特点。

图（a）所示的开关式结构通过离合器的结合与脱离来实现串联分支与并联分支间的相互切换：离合器分离，切断了发动机和电动机与驱动轮的机械连接，系统以串联模式运行；离合器结合，发动机与驱动轮有了机械连接系统以并联模式运行。

图（b）所示的分路式结构中，串联分支与并联分支都始终处于工作状态，而由行星齿轮传动在串联分支（从发动机到发电机）和并联分支（从发动机到驱动轮）间进行发动机输出能量的合理分配。此结，构可通过发电机对串联分支实施各种各样的控制，同时又可通过并联分支来维持发动机与驱动轮间的机械连接，最终实现对发动机的转速控制。

图2-3 混联式HEV 动力传动系统结构简图

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混联式HEV 布置方案综合了串，并联两种布置方案的优缺点，具有最佳综合性能，但系统组成庞大，传动系布置困难。另外，实现串，并联分支间的合理切换对控制系统和相关控制策略也提出了很高的要求。

综上所述，三种不同的混合动力系统在结构与性能上各有优缺点。串联式布置优势在于它解放了热机（内燃机等），并联式布置则保证了整车的动力性；而混联式布置在性能上超过了前二者，但它设计要求高。

2.4 混合动力汽车的节油原理

混合动力电动汽车与传统汽车相比，其节油的主要原因在于：

1. 为了满足急加速，以很高的车速行驶与快速上坡对驱动功率的要求，传统的汽

车所配备的发动机功率往往相当大。这样大的功率储备主要是用于大加速度，高车速以及坡道等行驶工况。因此，在一般条件下，发动机节气门开度小，负载率低，发动机常常工作在一个不经济的区域，相应的燃油消耗率高。然而，对于混合动力汽车，其储能原件（如蓄电池）的补偿作用平滑了发动机的工况波动，在汽车的一般行驶中能够吸收，储存电能，而在需要提供大功率时提供电能，从而在混合动力驱动系统中可以使用小型的发动机，并可以使发动机的工作点处于高效的最优工作区域内。

2. 混合动力汽车可以在汽车停车时或在低速滑行时关闭内燃机，节约燃油。 3. 在混合动力汽车的电力驱动部分中，电动机能够作为发电机工作。当汽车减速滑

行或紧急制动时，可以利用发电机回收部分制动能量，转化成电能存入蓄电池，从而进一步提高汽车的燃油经济性。

2.5 混合动力汽车控制策略

近年来，由于混合动力汽车的快速发展，越来越多的研究人员投入到其控制策略的研究中来，不断有新的控制方法被提出，使得混合动力汽车控制策略的种类变得纷繁复杂，但总体上可以归纳成为逻辑门限值控制策略、模糊逻辑控制策略、自适应控制策略和神经网络控制策略，下面分别对这几种控制策略作简要的介绍。

2.5.1 逻辑门限值控制策略

逻辑门限值控制策略也被称为简单的基于规则的控制策略，其基本思想是优先保证发动机在较高效率区间内工作，在该区间以外（当发动机转矩或转速较小时）利用电机替代发动机工作，而电机的能量来源是回收部分制动能量和发动机发电为电池充电。基于规则的控制策略是一种简单易行、应用广泛的混合动力汽车控制策略，也是

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目前主要应用到混合动力汽车实车控制中的控制策略。

2.5.2 模糊逻辑控制策略

从本质上说，模糊逻辑控制策略也是一种基于规则的控制策略。两种控制策略的控制目标大致相同，主要区别是各种门限值的表示方式，逻辑门限值控制策略是基于布尔逻辑，用精确值描述控制规则，后者是基于模糊逻辑，用模糊值描述控制规则，门限值的模糊化更能反映各种控制模式之间存在过渡区这一客观事实。由于模糊控制方法本身具有良好的控制品质，其在混合动力汽车领域的应用日益受到人们的重视。近年来发表的研究成果较多，其中多数应用了基本的模糊控制理论，也有些文献进行了更深入的研究，模糊逻辑在混合动力汽车控制策略中应用具有光明的前景。

2.5.3 自适应控制策略

自适应控制是一种具有一定适应能力的控制方法，它能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，以达到最优或接近最优的控制效果。对于混合动力汽车来讲，动态自适应控制，就是根据发动机的经济性和排放运行要求，利用最优控制原理，考虑发动机的燃油经济性和各排放物的特点，建立相应的目标函数，并使目标函数值最小来实现燃油消耗和各排放物都较小的目标。动态自适应控制要实时采集大量的发动机运行数据，并计算发动机的最佳油耗点和最优排放点，并在运行中实时跟踪两点数值得变化。优化过程复杂，计算量大，这对实时性要求高的汽车控制系统不利，并使控制系统的软件和硬件都过于复杂。这些阻碍了自适应控制策略应用到实车控制中的发展。

2.5.4 基于神经网络的控制策略

一些文献基于混合动力汽车控制的非线性特征，提出将神经网络技术应用于这一领域的方法，但是，鉴于神经网络固有的外推情况下的不确定性，这种控制在混合动力汽车上的实际效果尚有待检验。严格意义来讲，以上四种应叫做控制目标实现的手段，控制目标和其控制手段的结合才叫做一个完整的控制策略，现在研究过程中大都把这两大类放在一起进行讨论，因此对控制策略的分类比较混乱，本文中特别指明控制目标和其实现手段的不同，以便对控制策略更详尽、明朗的分析研究。

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西南交通大学本科毕业设计（论文）第13页

第3章控制策略设计

通过上面的介绍可知，混合动力电动汽车具有两个以上的动力源，因此为了管理好混合动力汽车多动力源所引起的模式切换和功率分配，就需要引入一个动力总成控制策略对系统的能量流动进行合理的分配。动力总成控制策略应遵循选定的能量管理策略并对其进行优化，以实现混合动力汽车要达到的目标。一般来说，应达到的几个主要设定目标是：

（1）使燃油经济性最优；（2）使排放最低；

（3）为了保持整车价格能够被市场接受，是驱动系统的成本最小化；

（4）在实现上述功能的同时，维持或者提高整车的性能（加速性能，续航里程，

操作灵活性等）。

通常，控制策略的方案是很多的，并且随着混合动力新技术的发展而变得更加丰富。但其策略的主要目的大多一致，就是让发动机尽可能多的工作在各自策略选定的高效区，低效区采用电机驱动，高负荷时发动机和电机共同工作。

下面先介绍ADVISOR附带的控制策略，即电动机辅助控制策略。再来设计出另一种控制策略。

3.1电动机辅助控制策略

电动机辅助的能量控制策略采用发动机作为主动力源，电动机和蓄电池协作提供峰值功率。这种控制策略容易对发动机运行工况进行优化。与发动机相比，电动机响应快，控制灵敏，容易实现不同的控制方法。这种控制策略在大多数并联式混合动力系统中采用。电动机辅助控制策略的控制算法示意图如（图3-1）所示。首先，根据驾驶员的指令（加速踏板和制动踏板）求得系统对功率的需求；根据功率需求，控制器决定混合动力系统中的能量流；然后根据车速，负载和蓄电池荷电状态，由SOC来划分发动机和电动机的运行状态。

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西南交通大学本科毕业设计（论文）第14页

图3-1 基于规则的电动机辅助方式能量控制策略示意图

如图3-1所示，此种策略将整个工作区间分成四大块：（1）低转速区；

（2）低于发动机关闭曲线区；（3）高于发动机最大转矩曲线区；

（4）发动机理想工作区（介于关闭转矩曲线和最大转矩曲线间）。

根据当前SOC值的情况分为两种情况，即分出a）、b）两图。现在我们来介绍这种控制策略的工作过程：

1.当SOC大于下限值cs_lo_soc时（图a）

（1）位于低转速区时，此时发动机转速低于起动转速，或者系统需求转速过，发

动机效率太低，此时关闭发动机，由电动机提供全部驱动转矩。

（2）低于发动机关闭曲线区，发动机效率太低，此时关闭发动机，由电动机提供

全部驱动转矩。