混合电动汽车模糊控制策略仿真分析

（研究生课程论文）汽车动力学论文题目：混合电动汽车模糊控制策略仿真分析2014年1月4日混合电动汽车模糊控制策略仿真分析摘要:本文以ADVISOR软件中本田Insight的整车模型为研究对象，该车型搭载了ISG启动电机，是一款典型的并联式混合动力汽车。文章首先对其主要模块：车辆动力学、发动机、电机和蓄电池的仿真模型进行了详细地数学建模分析。然后基于后向仿真的原理在MATLAB/SIMULINK环境中建立了模糊逻辑的控制策略。对ADVISOR软件进行二次开发，将建立的控制策略嵌入到ADVISOR操作系统中进行仿真测试。最后，在ADVISOR的GUI界面中选择1.0L、41kW的发动机和10kW的电机，选择典型城市道路循环工况（UDDS）对模糊控制策略进行性能仿真，验证该控制策略下车辆的动力性、燃油经济性与排放性能并记录仿真结果。关键词：混合动力电动汽车、ISG、ADVISOR、控制策略、后向仿真Abstract:ThepapertakesHondaInsightparallelhybridelectricvehicle(HEV)astheresearchsubject,whichisassistedbyanintegratedstartergenerator.WefirstlymathematicalmodelingandanalyzingthemainunitsoftheInsightvehiclesimulationmodel(suchas:thevehicledynamicsmodule,enginemodule,andmotorcontrollermodule)intheADVISORsoftware,thenformulatestheRule-basedControlStrategyandtheFuzzyLogicControlStrategyintheMATLAB/SIMULINKenvironmentbasedontheBackwardSimulationprinciple.InordertoembedthetwocontrolstrategiesintotheoperatingsystemofADVISOR,thepaperredevelopedtheADVISOR2002fortheoff-linesimulationofthetwocontrolstrategies.Finally,wechose1.0L,41kWengineand10kWmotorintheGUIinterfaceofADVISOR,testthevehicle’sfueleconomy,emission,andpowerperformanceintheUDDSconditions,andrecordedthesimulationresultsinthetable.Keywords:Hybridelectricvehicle;ISG;ADVISOR;controlstrategy;backwardsimulation1仿真软件MATLAB/SIMULINK及ADVISOR的介绍1.1MATLAB/SIMULINK简介MATLAB的全称是矩阵实验室。不仅具有强大的数值计算能力，它还可以提供了专业的文字处理、符号计算、实时控制和可视化建模仿真等功能。SIMULINK是MATLAB软件下的一个模块，它主要是用来对动态系统各种信号流进行建模、仿真计算和结果分析的MATLAB软件包。SIMULINK在混合动力汽车模拟仿真过程中的主要作用是：利用提供的现有模块对混合动力系统近似建模、仿真和分析，可以在设计之初，根据仿真结果对模型进行调整和修改，也对设计的参数选定有一定的帮助，对控制系统也能进行一定的优化。1.2ADVISOR简介ADVISOR是美国能量部为了便于管理一些关于混合动力的动力系统的项目在二十世纪九十年代基于MATLAB开发的，并在1998年命名为ADVISOR[1]，ADVISOR的主要功能有以下几点：（1）ADVISOR的主要功能是模拟各种汽车（传统汽车，电动汽车等）在整个循环工况中的车辆动力性能、经济燃油性指标以及排放指标，并具有强大的动力性分析、能量流分配分析、效率数据分析能力[2]。（2）可用来对设计参数的优化匹配，包括整车质量、滚动阻力系数、变速比等，为优化整车及车辆各部件参数提供一定的参考，也可输入动力性、燃油经济性等车辆指标，自动优化匹配车辆参数，如变速器速比等[1]。（3）对于电动汽车，可以用来研究其控制策略及参数的匹配，以及变速器换挡规律和车辆动力性能。（4）该软件的开放平台使出了在软件原有的车型外，用户可根据实际情况修改现有车型参数，以及各部件模块等，建立用户需求的车型，进行仿真分析。2混合动力电动汽车主要部件建模分析本文直接采用ADVISOR软件中自带的日本本田Insight单轴并联式混合动力电动轿车模型。Insight的动力系统以汽油机为主动力，电机为辅助动力，结构特点是发动机和电机在一根轴上混合。在车辆启动和加速时，辅助电机发挥了低速大转矩的优点，弥补汽油机低速、启动加速差的缺点；在减速和制动时电机作为发电机，实现制动能量回收功能。在车辆短时间停车时，发动机关闭取消怠速，在加速踏板踩下后重新启动[2]。2.1车辆动力学模型图1车辆动力学模型该模块根据汽车动力方程maF进行计算，其中合力包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。该方程首先计算迭代步的加速度来计算所要求的后向驱动力，将迭代步骤开始处和末端处速度的平均值作为平均速度。汽车的实际速度可通过车速子模块计算出来。车辆动力学顶层仿真模型如上图1所示。假设汽车在坡度为t的路面上行驶，可将整车视为一个整体，对其进行受力分析，如图2所示。fFvFwFmg)(t图2车辆受力分析图车辆驱动力设为vF，空气阻力为wF，爬坡阻力为iF，滚动阻力为fF，根据牛顿第二定律，不考虑前后轴的负荷转移，则整车的驱动力需求为[3]：)(costFttFtFtFtFjfiwv（1）其中滚动阻力tFf与车轮负载、形式和结构有关，空气阻力、爬坡阻力、加速阻力和滚动阻力可表示为[9]：dtdumtFtvtvtvgmtFtgmtFActvtFjofifDw)(sin22322212（2）式中，为空气密度，tv为车速，Dc为风阻系数，fA为迎风面积，g为重力加速度，m为整车质量，t为坡度，o，1，…，3为滚动系数，为汽车旋转质量换算系数。由此得到整车的驱动力为：dtdumttFtgmActvtFffDvcossin22（3）2.2发动机模型图3发动机仿真模型发动机总成模型（如图3所示）还包括三个子系统，分别是发动机转矩计算模块、发动机转速估计模块和发动机燃油消耗及排放计算模块。（1）发动机转矩计算模块发动机转矩计算模块主要考虑惯性损失和附件负荷的影响，输出转矩通常按下列公式计算：accreqthoutTTTTT)),min(,max(max（4）式中，outT为该模块的输出转矩，mT为发动机可提供转矩，accT为附件转矩，thT为节气门关闭时转矩，reqT为需求转矩，maxT为发动机最大转矩。（2）发动机转速计算模块发动机的转速计算要考虑到离合器的状态、需求转速和发动机最大转速之间的关系。该模块按照以下几种情况分别对发动机的转速进行估算：离合器为啮合状态，并且前一个时间步长的轨迹错过了，发动机的估计转速为前一个时间步长的发动机速度值；从松开离合器踏板，到离合器接合前，发动机的估计转速为需求速度与发动机可提供的最大转速中的较小值；从踩下离合器踏板，到离合器脱离前，发动机的估计转速根据节气门关闭后的扭矩和发动机的转动惯量来计算；除了以上三种状态以外，其他情况下发动机的估计转速均等于需求转速、发动机可提供最大转速、发动机怠速转速三者的最小值。（3）燃油经济性和排放计算模块该模块计算发动机的油耗和排放：燃油消耗量为发动机燃油消耗率和发动机温度修正系数的乘积；单位时间发动机排放为充分预热后发动机排放和温度修正系数的乘积。2.3电机/控制器模型图4电机仿真模型电动机模型采用顺逆序相结合的计算方式，如4，模型的功能为：在建模对象电机已知的情况下，根据电机需求转矩和电机需求转速，在一系列性能限制的条件下计算出电机需求输入电功率和电机的功率转矩特性。在顺序计算模型中，根据电机实际输入功率在考虑电机热交换影响的条件下，计算出电动机实际可得到输出转矩和输出转速。2.4蓄电池模型图5蓄电池仿真模型ADVISOR中的蓄电池内阻模型根据动力总线的功率需求计算蓄电池荷电状态SOC，并输出可用功率。功率损失是按内阻损失加上“库仑效率”定律确定的功率损失，自顶向下建立模型，如图5。对其中包含的子模块功能描述如下：（1）电池开路电压和内阻计算模块：该模块根据给定的当前的SOC值和蓄电池的功率需求来计算单个电池的开路电压和内阻。（2）功率限制模块：蓄电池最大输出功率受：电池组总电压、电动机功率控制器允许最小电压、电池组最小可用电压三个参数的限制。蓄电池工作电压不能低于蓄电池最低电压和电动机最小驱动电压。如果这两个极限都没有超越，同时电压等于2/ocV，那么将输出最大功率。根据公式（5）可计算出最大输出功率极限，其中busV取2/ocV、最小电动机控制电压和最小电池电压三者中的最大值。RVVVPbusocbus（5）式中，busV、ocV分别为电机最小工作电压和电池组开路电压，内电阻为R。（3）电池负载电流计算模块：该模块根据电功率的定义和基尔霍夫电压定律求解关于负载电流的二次方程。（4）SOC计算模块：通过一系列计算，可以得出荷电状态SOC的近似值，从而可以确定电池的剩余电量，这里涉及到的“库仑效率”和电池最大容量均是电池温度的函数。（5）电池散热模型：该散热模型可以预报车辆在行驶过程中和蓄电池在充电期间的内部平均温度和表面温度。3模糊控制器的设计车辆控制器是管理混合动力汽车的整车控制系统，其主要功能是控制动力系统和对整车能量进行管理，指挥各个系统的协调工作，在燃油经济性、整车动力性、污染物排放以及行驶的平稳性之间取得最佳的平衡。模糊控制器的输出是通过观察的状态和控制过程的规则推理得到的。该方法将操作人员或专家经验变成模糊规则，然后对来自传感器的实时信号进行模糊化，经过模糊化处理后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，最后将推理得到的输出量加到执行器上。模糊控制技术自适应性强，不依赖于精确模型，适用于混合动力汽车系统。它可对发动机、电动机和蓄电池同时进行优化控制。其中模糊转矩控制器的设计主要包括以下几个方面的内容：（1）模糊控制器输入、输出量的确定；（2）模糊变量隶属度函数的计算；（3）确定模糊控制规则；（4）模糊转矩控制器输出控制变量的求取。图6为模糊控制器结构示意图模糊推理器模糊推理器模糊化模糊化反模糊化反模糊化需求转矩TSOC发动机需求转矩图6模糊控制器结构示意图（1）输入输出和隶属度函数根据模糊转矩控制器的设计目标和发动机的MAP图效率的高低，将模糊转矩控制器的输入变量确定为：动力耦合处的整车需求转矩T、动力电池的荷电状态值SOC。模糊转矩控制器的输出变量确定为发动机的需求转矩命令Tr。将整车需求转矩T分成五个模糊子集：{负大，负小，零，正小，正大}，其论域限定在[1，11]内，公式为：effeffeffeffeffTTTTTTTTTT,6)(5,15max（6）其中，effT为当前转速下发动机的最优曲线转矩；maxT为当前转速下发动机可提供的最大输出转矩。类似地，根据SOC的范围把电池SOC也分成5个模糊子集。五个模糊子集为：{过低，偏低，适中，偏高，过高}，论域限定在[1，11]内，公式为：116.08.0)8.0(10SOC（7）发动机输出转矩分为五个模糊子集：{-2，