摘 要

插电式混合动力电动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）控制策略是PHEV的核心部分，一个合理有效的整车控制策略制定需要我们进行深入研究，这也是实现车辆燃油经济性的关键。

本文以混联式 插电混合动力汽车为研究对象，首先确定了动力系统结构和整车性能指标，然后以Matlab/Simulink为仿真平台，建立了插电式混合动力汽车的车辆动力学、发动机、永磁同步电机、发电机、动力电池组以及变速器等模型，最后建立整车仿真模型，为后面控制策略设计和验证提供了仿真平台。

然后，本文针对所建立的整车模型提出了一种基于逻辑门限的电量消耗-电量维持模式（CD-CS）的能量管理控制策略。并详细介绍了控制原理和规则，包括纯电动驱动、发动机驱动、混合动力驱动以及再生制动等工作模式的控制，同时绘制了控制流程图，实现了对混合动力系统的转矩分配控制。

最后，在MATLAB/Simulink平台上将前文建立的整车和控制策略模型进行了NEDC循环工况仿真，并针对车辆的燃油经济性进行分析并将相应仿真结果与原型车比较，仿真结果表明本文制定的控制策略比较合理，能够有效控制整车运行。

关键词：插电式混合动力电动汽车，逻辑门限，能量管理策略

Abstract

Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) control strategy is the core part of PHEV. A reasonable and effective vehicle control strategy formulation requires us to conduct in-depth research, which is also the key to improving vehicle fuel economy.

In this paper, the series-parallel plug-in hybrid vehicle is taken as the research object. Firstly, the power system structure and vehicle performance index are determined. Then, based on Matlab/Simulink simulation platform, the vehicle dynamics and engine of the plug-in hybrid vehicle are established. Models of permanent magnet synchronous motor, generator, power battery pack and transmission, and finally build the vehicle simulation model, which provides a simulation platform for the design and verification of the latter control strategy.

Then, this paper proposes an energy management control strategy based on logic threshold for charge deplete-charge sustain (CD-CS) mode for the established vehicle model. The control principle and rules are introduced in detail, including the control modes of pure electric drive, engine drive, hybrid drive and regenerative braking. At the same time, the control flow chart is drawn to realize the torque distribution control of the hybrid system.

Finally, based on MATLAB/Simulink simulation platform, the NEDC cycle simulation is conducted to verify proposed control strategy, and the fuel economy of the vehicle was analyzed and the corresponding simulation results were compared with the prototype. The simulation results show that the control strategy proposed in this paper is reasonable and can effectively control the operation of the whole vehicle.

Key Words: PHEV, logic threshold, energy management strategy

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 插电式混合动力汽车的特点和分类 3

1.3.1 串联式混合动力汽车 3

1.3.2 并联式混合动力汽车 4

1.3.3 混联式混合动力汽车 5

1.4 本文研究内容及技术路线 5

1.4.1 研究内容 5

1.4.2 拟采取技术路线 6

第2章 插电式混合动力汽车整车模型建立 8

2.1 插电式混联混合动力汽车动力系统结构 8

2.2 整车参数和性能指标 8

2.3 车辆动力系统的模型建立 9

2.3.1 发动机模型 9

2.3.2 电机模型 11

2.3.3 动力电池组模型 13

2.4 传动系统模型建立 15

2.4.1 变速器模型 15

2.4.2 车轮和制动器部分 15

2.5 驾驶员模型 16

2.6 整车控制器模型 17

2.7 整车仿真模型 18

2.8 本章小结 18

第3章 插电式混合动力汽车控制策略 19

3.1 控制策略设计的原则 19

3.2 插电式混合动力汽车工作模式 20

3.2.1 纯电动驱动工作模式 20

3.2.2 混合动力驱动工作模式 21

3.2.3 发动机驱动工作模式 22

3.2.4 再生制动工作模式 24

3.3 工作模式的选择 24

3.4 逻辑门限CD-CS控制策略制定 26

3.5 整车控制策略模型的建立 29

3.5.1 发动机开关控制模块 29

3.5.2 发动机和发电机控制模块 30

3.5.3 发动机和电机转矩分配控制模块 30

3.5.4 制动控制模块 31

3.5.5 混合动力控制系统建立 32

3.6 本章小结 32

第4章 控制策略仿真分析 33

4.1 电机和发动机工作情况 33

4.2 动力电池组SOC变化 35

4.3 仿真工作模式分析 36

4.4 燃油经济性仿真结果 36

4.5 本章小结 37

第5章 结论 38

5.1 全文总结 38

5.2 工作展望 38

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1. 研究目的及意义

遵守全球排放法规是汽车行业迫切需要解决的问题。该要求的最终解决方案应该是将零排放车辆，例如纯电动汽车（Electric Vehicle, EV）或燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）投入实际使用。可是，由于电池技术的进步遇到阻碍，造成纯电动汽车的续驶里程较短、成本较高。虽然燃料电池汽车目前发展似乎非常快，但在成本问题和氢燃料的制备等方面 的问题依然十分棘手，无法在短期内替代传统燃油汽车。它们由于其有限的行驶里程和较高的成本而不能成为传统汽车的合适替代品。 因此，插电式混合动力电动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）应用已经在全球范围内扩展为实用解决方案之一。

插电式混合动力电动汽车主要是在普通油电混合动力汽车基础上增加了动力电池的容量，强化了电机的功率 转矩性能，增强了整车纯电动行驶能力。当车辆在短距离或在低速工况下行驶时，可以进入纯电动驱动工作模式行驶，使车辆的燃油消耗率和有害气体排放为零；当车辆在长距离或在高速工况下行驶时，车辆会进入混合驱动工作模式或发动机驱动工作模式行驶，使车辆能够达到足够的动力需求。在目前普通电动汽车和燃料电池汽车等新能源汽车的关键技术还未取得突破时，插电式混合动力汽车是我们更加合理的选择。

由于插电式混合动力汽车的电能来源有动力电池组、电机发电、再生制动回收三部分组成。从驱动系统工作模式来看有纯电动驱动工作模式、混合动力驱动工作模式和发动机驱动工作模式三种驱动形式。因此对于整车的控制策略是一个重要的研究内容。如何合理的控制整车能量需求是一个需要深入研究的复杂问题。

1. 国内外研究现状

目前国内外有关混合动力汽车控制策略的研究主要有等效能耗最小化策略(Equivalent Consumption Minimization Strategy, ECMS) ^[1]专为电量维持模式而设计，与两个现有的自适应等效消耗最小化策略进行比较，平均表明燃油经济性提高了。还有一种优化的等效消耗最小化策略^[2]，制定了分散模型预测控制框架，考虑燃料经济性和电池荷电状态可持续性的优化问题，结果证明优化了原有的等效消耗最小化策略。还有通过一个单自由度的能量优化策略来解决存在于混合动力汽车动力分配过程中存在的能量管理问题^[3]，该策略与基于Pontryagin最小原理（Pontryagin Minimization Principle, PMP）的全局最优策略之间的燃料消耗差异较小，并且该策略在不同的初始电池荷电状态（State of Charge, SOC），货物质量和路面坡度条件下也表现出良好的适应性。还有自适应PHEV控制策略中采用的ESS荷电状态的近似最佳轨迹，基于实验地图的Pontryagin最小原理控制策略旨在提取不同周期的最佳SOC轨迹^[4]。仿真结果表明，该方法提供了近似最优的SOC轨迹，提高了各种行驶周期内的等效燃油经济性。

有利用经济模型预测控制技术，在网络到车辆和车辆到网络操作期间为插电式电动汽车提出了一种分散优化算法^[5]，结果表明，通过在最佳时间分区内对车辆进行充电/放电，消费者可以利用供应的价格弹性来实现约63％的净节省。还有一种实时有效的级联控制策略，考虑了系统的非线性并符合所有时变约束，包括基于具有长采样时间间隔的非线性模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的监控控制器和基于线性模型预测控制的协调控制器^[6]。

在线能源管理系统的数据驱动分级控制方法，该方法可以利用基于连通性的部分行程信息，利用基于历史累积周期的全局最优解决方案。各种结果表明，与电荷消耗和电荷维持策略相比，所提出的方法可以实现显着的燃料节省（4.99%-14.80%）^[7]。还有基于进化算法的插电式混合动力电动汽车在线能源管理系统的通用框架^[8]，所提出的在线能源管理系统的不同充电状态控制策略都优于传统的控制策略，可以实现最佳的燃油经济性改进，但需要较少的行程信息。

基于驾驶员需求的能量管理控制策略^[9]，与插电式串联混合动力汽车开发“多档位工作模式”相结合形成了完整的能量管理控制策略，实现整车更大比例的利用动力电池组的电能来代替消耗燃油的方法来提高经济性。还有基于自动适应行驶里程的辅助能量管理策略^[10]，仿真显示该能 量管理控 制策略能够同时考虑工况与车辆的信息，控制车辆选择适用于当前工况的工作模式，使动力电池组的电能得以充分利用和合理分配。但是需要大量的计算和对未来行程的准确了解才能实现控制策略找到最佳的功率分配，这对于EMS的开发来说比较困难。因此，提出了一种遗传算法（Genetic Algorithm, GA）^[11]，该算法在能相对较短的时间内计算优化驾驶循环的功率分配控制参数，使此策略计算繁重的问题得以解决了。

还有对动力传动系统参数和控制参数进行匹配研究^[12]，整车策略为以电为辅的控制策略，以该控制策略的参数作为正交设计因素，实现正交实验设计，可以合理的控制两个电机以及发动机的起停和离合器的接闭合，再生制动的能量回收以及发动机、两个电机的转矩分配，使发动机和电机都工作在最佳效率区域，并使动力电池组的SOC维持在预设的上下限内，仿真结果显示实际燃油消耗相比之前有所改善。

此外，还有新的再生制动分配策略，该策略基于多输入模糊控制逻辑^[13]，同时考虑电池的充电状态，制动强度和电机速度的影响。经测试的制动策略满足欧洲的一般安全要求。

从复杂性求解方法的角度研究使用动态规划（Dynamic Programming, DP）的混合动力电动汽车的环保驾驶循环的计算^[14]。降低了复杂性和解耦优化导致燃料经济性的次优性，同时计算时间显著减少。还有先进的基于规则的模式控制策略（Advanced Rule-Based Control, ARBC）^[15]，考虑了驾驶循环特性和当前的SOC，使用DP结果研究了驾驶循环的最佳运行模式的行为，等效燃料经济性提高了1.9-3.3%。

此次毕业论文将以某插电式混合动力轿车作为研究对象，提出一种基于逻辑门限的控制策略并进行仿真分析。

1. 插电式混合动力汽车的特点和分类

插电式混合动力汽车是指可以同时拥有两种不同类型的动力源来共同驱动的车辆，它区别于传统混合汽车的地方在于它动力电池容量和电机功率较大，且能够通过电网进行充电。汽车在运行时，可以通过一个动力源（发动机或电动机）单独提供动力也可以通过两个动力源同时一起提供动力，这主要是由于车辆根据工况不同时，需求扭矩不同而导致的。插电式混合动力汽车根据整车结构不同和控制策略的不同可以分为很多类别。从动力传动系统结构来看，可分为三种结构：串联式、并联式和混联式混合动力汽车。

1. 串联式混合动力汽车

该混合动力系统发动机不直接驱动车轮，只有电动机直接参与驱动车轮。其结构如图1.1所示：

图1.1 串联式混合动力汽车结构

当动力电池组电量充足时，车辆可 以当做纯电动车一样运行，且可以在车辆起步或加速时提供很大扭矩，在方便充电的区域或预计运行距离较短时，可以只使用电池组中储备的电能而不消耗燃油。但当动力电池组电量不足时，此结构中发电机先将发动机运行产生的机械能转化为电能储存到动力电池组中，最后再由驱动电机将电能转化为机械能来驱动车轮运行。与其他混合动力结构相比，串联式混合动力汽车的发动机因为不直接驱动轮胎，因此不需要变速箱，成本略有降低，并且发动机可以维持工作在最佳油耗区。并且因为可以通过发动机不断发电，所以即使没有充电装置，但如果有加油站也可以一直行驶，解决普通纯电动车续航里程不足的问题。

但是此结构在高速工况下运行时，燃油消耗一般 会变高。这是因为普通燃油汽车的发动机是可以直接驱动车轮，在高速工况下，发动机刚好可以持续工作在高效率区，不会像在低速工况下工作那么耗油。而串联式混合动力汽车多了一个机械能转换为电能再转化为机械能（能量从发动机到电机再到车轮）的过程，能量转换过程有能量损耗，而发动机和发电机带来的重量并不减少，因此使油耗反而偏高。

1. 并联式混合动力汽车

与串联式混合动力系统不同，并联式混合动力汽车的驱动模式有多种，在普通的燃油车上增加了电动机、动力电池组，电动机与发动机并不是串联工作而是都可以分别单独驱动车轮，也可以共同工作来驱动车轮。并联式结构中只有一台电机，既可以充当电动机又可以充当发电机，在电池组电量充足时，充当电动机来驱动车轮前进，在电池组电量不足时，停止驱动车轮，充当发电机通过发动机提供机械能给电池组充电。其结构简图如图1.2所示：

图1.2 并联式混合动力汽车结构

与串联式混合动力系统结构相比较，并联式结构的发动机不是和电机串联，而是和电机“地位”相同的并联，可以直接驱动车轮，减少了能量转化时的损耗，这样，同时具备了纯电动车和燃油车的优点。在纯电模式下，同样拥有纯电动汽车行驶过程中安静，在起步或加速时扭矩大的特点。由于发动机可以单独驱动车辆，因此在高速工况下的燃油消耗率也更低，但同时也要求发动机必须能在大的转速范围内工作，这对于发动机的有害气体排放和燃油消耗是不利的；而且此结构只有一台电机，虽然可以两用，但不能同时发挥发电和驱动的功能，所以发动机与电动机共同驱动车轮的工况不能长期维持；持续加速时，车辆运行模式会因为动力电池组的SOC下降十分迅速，而变成发动机单独驱动工作模式，并联式混合动力汽车适合于维持在中、高速工况下行驶。

1. 混联式混合动力汽车

混联式混合动力结构通过对整车合理的布局，可以实现将串联式和并联式混合动力结构的特点相结合起来，与串联式混合动力结构比较，它不仅使发动机可以与电动机串联，与串联式结构工作原理一样，通过给动力电池组发电再驱动电动机运行，它还使发动机能够单独驱动车辆运行，就如同并联式结构的工作原理。但与并联式混合动力结构比较，虽然这两种模式都有多个驱动系统，但不同的是，混联式动力结构有两个电机，一个发电机仅用于给动力电池组充电，还有一个电机并联式结构中的电机一样拥有两种工作模式，当动力电池组电量充足充足时，充当电动机，可像纯电动汽车一样单独驱动车辆，若同时需求转矩较大的话，可以与发动机并联驱动车辆以提供更大的转矩；当动力电池组电量不足时，可进入行车充电模式充当发电机，通过电机反转发电给动力电池组充电。混联式混合动力系统的结构更复杂，工作模式更多，但动力性和燃油经济性都更好，是插电式混合动力汽车的理想结构，本文决定选择以这种混联式动力系统结构为基础建立整车模型。其结构简图如图1.3所示：

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