宮喚春 徐勝云

（燕京理工學院）

混合動力汽車[1]是指同時裝備熱動力源與電動力源的汽車。混合動力汽車有多種不同驅(qū)動模式，要提高混合動力汽車的工作效率，需要在不同動力源之間實現(xiàn)準確的協(xié)調(diào)與切換，制定良好的控制方法。根據(jù)汽車不同行駛工況對混合動力系統(tǒng)的能量管理要求，需要調(diào)節(jié)和控制功率輸出在不同工作部件之間的傳動。目前并聯(lián)混合動力汽車的能量管理控制方法還有待于進一步改進與優(yōu)化[2-3]。文章利用模糊控制理論，設計了模糊邏輯控制方法，根據(jù)混合動力汽車主要車用電源是蓄電池的特點，結合電池使用壽命與充放電電流的影響關系，將超級電容和蓄電池并聯(lián)使用，避免蓄電池過大電流充放電和提高制動能量的回收。

1 并聯(lián)混合動力總成系統(tǒng)結構

文章研究的混合動力轎車屬于并聯(lián)輕度混合型，選用小功率的永磁同步電機，主要依靠汽油發(fā)動機運行。其主動力源是1.2 L汽油發(fā)動機，輔助動力8 kW永磁同步電機和自動變速器傳動系統(tǒng)等。永磁同步電機用來實現(xiàn)汽車怠速自動停車和啟動功能，在加速過程中為汽車提供輔助動力；或者以發(fā)電機模式運行時實現(xiàn)減速，汽車制動時制動能量回收系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)換成電能儲存。這種控制方式結構簡單，系統(tǒng)集成化程度高，是一種普遍采用的混合驅(qū)動模式。該混合動力汽車的整車基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某混合動力汽車的基本參數(shù)

根據(jù)發(fā)動機、電動機及變速器等結構參數(shù)和工況數(shù)據(jù)，利用ADVISOR軟件平臺建立了并聯(lián)混合動力轎車仿真模型，如圖1所示。

2 建立控制方法

2.1 設定電機輔助控制方法

裝備自動變速器的永磁同步電機并聯(lián)型輕度混合動力汽車傳動系統(tǒng)，在換擋過程中，可利用永磁同步電動機的輔助動力作用，在換擋過程中控制動力源輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，減小輕度混合動力自動變速器車換擋沖擊和振動，提高換擋品質(zhì)和效率。

結合汽車工況確定換擋規(guī)律為：1）在相同節(jié)氣門開度下，若相鄰擋位加速度倒數(shù)曲線相交，且交點為正，則將相交點作為換擋點；2）在相同節(jié)氣門開度下，若相鄰擋位加速度倒數(shù)曲線不相交，取各擋的最高車速或次高車速點作為換擋點。

根據(jù)換擋試驗數(shù)據(jù)，首先做出節(jié)氣門開度在0%～100%內(nèi)的數(shù)據(jù)點，即利用線性插值法求出插值轉(zhuǎn)矩，目的是為了找出換擋規(guī)律車速變化的臨界值。由汽車行駛動力模型可以得出：

Ttq——發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，N·m；

ig——變速器傳動比；

i0——主減速器傳動比；

ηT——傳動效率；

G——汽車車重，N；

f——滾動阻力系數(shù)；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風面積，m2；

ua——車速，m/s；

m——汽車總質(zhì)量，kg；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

r——車輪半徑，mm；

i——坡度，%。

文章取 ηT=0.95，G=15 190 N，A=1.764 m2，CD=0.313，i0=4.317。

根據(jù)上述換擋規(guī)律和換擋試驗數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件編寫處理程序，得出換擋規(guī)律數(shù)據(jù)并繪制換擋規(guī)律圖，如圖2所示。

在制定控制方法時應綜合考慮發(fā)動機和永磁同步的輸出效率，在汽車啟動時，若用永磁同步電機將發(fā)動機轉(zhuǎn)速運行至怠速附近，發(fā)動機開始啟動點火，這樣發(fā)動機就可以避免在低負荷區(qū)域內(nèi)工作，從而改善汽車的燃油經(jīng)濟性和尾氣排放；而在大負荷時，讓發(fā)動機保持在中等負荷區(qū)，其余功率由永磁同步電動機提供，這樣就可以提高經(jīng)濟性和動力性。當汽車長時間處于怠速空載狀態(tài)時（如堵車或等紅燈），發(fā)動機長時間怠速運轉(zhuǎn)，為改善汽車的燃油經(jīng)濟性和尾氣排放，這時可將發(fā)動機自動停機，同時永磁同步電機也停機；當汽車需要起步時，永磁同步電動機用于完成汽車起步運行。

2.2 建立模糊控制方法

模糊邏輯控制器[4]有動力傳動部件的請求轉(zhuǎn)矩（Tf）和當前超級電容SOC狀態(tài)2個輸入變量，輸出變量為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩（Tq）。文章選擇Mamdani法，根據(jù)混合動力轎車實際運行工況，確定各輸入和輸出參數(shù)，各參數(shù)都采用高斯型隸屬度函數(shù)[5]。模糊控制器的輸入輸出參數(shù)需要進行模糊量化處理，文章把輸入輸出參數(shù)分成7級，如表2所示。

表2 混合動力轎車模糊控制規(guī)則量化表

控制規(guī)則是整個模糊控制器的核心，根據(jù)被控對象實際運行特性建立了49條控制規(guī)則。部分控制規(guī)則表述如下：

if（請求轉(zhuǎn)矩Tfis NL）and（超級電容SOC is NS）then（發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Tqis NM）；

if（請求轉(zhuǎn)矩Tfis NS）and（超級電容SOC is NS）then（發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Tqis Z）；

if（請求轉(zhuǎn)矩Tfis NS）and（超級電容SOC is Z）then（發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Tqis PS）；

if（請求轉(zhuǎn)矩Tfis NL）and（超級電容SOC is PM）then（發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩TqisPL）；

if（請求轉(zhuǎn)矩Tfis NM）and（超級電容SOC is PS）then（發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Tqis NS）。

2.3 建立組合電源模型及控制方法

利用ADVISOR軟件建立組合電源系統(tǒng)，如圖3所示，主要包括功率總線模塊、蓄電池模塊、超級電容模塊及組合系統(tǒng)控制方法。

組合電源系統(tǒng)的具體工作原理：1）在低功率時，蓄電池滿足永磁同步電機的功率要求，或者在滿足電機功率要求的同時給超級電容補充充電；2）在高功率時，蓄電池和超級電容同時滿足永磁同步電機的功率要求；3）在制動時，超級電容回收制動能量，或者在超級電容不能回收能量時，由蓄電池回收制動能量。

3 仿真結果分析

3.1 建立仿真模型

表3示出混合動力轎車性能仿真結果與實車試驗結果對比。通過表3可以發(fā)現(xiàn)，仿真結果與實車試驗結果相比存在誤差，誤差產(chǎn)生的原因主要是混合動力汽車模型簡化的結果，但是誤差變化范圍在5%左右，建立的整車模型精度比較準確。

表3 混合動力轎車性能仿真結果與實車試驗結果對比

3.2 不同控制方法的比較

仿真分析采用典型城市循環(huán)工況（UDDS）和中國公交循環(huán)工況（CHINA）。以CYC-UDDS循環(huán)工況為例，對2種控制方法進行分析對比試驗。圖4和圖5分別示出電輔助和模糊控制下發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線。從圖4和圖5可以看出，在電輔助控制過程，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩為60～80 N·m，而在模糊邏輯控制過程中，發(fā)動機運行時轉(zhuǎn)矩為40～60 N·m，因此，采用模糊邏輯控制方法控制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩比電輔助控制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩經(jīng)濟性更高。

不同循環(huán)工況下汽車燃油經(jīng)濟性對比分析，如表4所示。由表4可知，采用2種不同控制方法的混合動力轎車在2種不同道路循環(huán)工況下燃油經(jīng)濟性有所區(qū)別。采用模糊邏輯控制下的汽車燃油經(jīng)濟性與電輔助控制下的燃油經(jīng)濟性相比，分別提高了10.1%和8.6%，因此，模糊邏輯控制方法的燃油經(jīng)濟性明顯優(yōu)于電輔助控制方法。即使采用同種控制方法，工作于不同循環(huán)工況下汽車的燃油消耗也不相同，主要是因為中國公交循環(huán)工況的平均行駛車速比較低，導致油耗增大。

表4 不同交通運行工況下的燃油消耗 L/100 km

3.3 不同儲能裝置的比較

對組合電源和單一蓄電池電源進行仿真分析，電池的充放電電流對比測試，如圖6所示。

由圖6可知，組合電源中電池的充放電電流比單一電池的充放電電流波動更小，因此，當超級電容引入混合動力汽車電源系統(tǒng)時，能夠有效降低蓄電池的供電壓力，同時避免蓄電池過大電流充放電帶來的沖擊和損壞，使蓄電池使用壽命得以提高。

4 結論

文章利用ADVISOR軟件建立混合動力轎車模型，分別在UDDS和CHINA2種不同行駛工況下對電輔助控制方法和模糊邏輯控制方法進行仿真分析，仿真結果表明，采用模糊邏輯控制方法的綜合燃油經(jīng)濟性優(yōu)于采用電輔助控制方法。對組合電源和單一的蓄電池電源進行仿真分析，分析結果顯示，組合電源中電池的充放電電流比單一蓄電池的充放電電流波動要小，有利于提高蓄電池的使用壽命和續(xù)能。