总756期第二十二期2021年8月
河南科技
Journal of Henan Science and Technology
冯海波1许恩永2
（1.Concordia University，加拿大蒙特利尔H4B IR6；2.东风柳州汽车有限公司，广西柳州545005）
摘要：以某款混合动力商用车为研究对象，分析了基于规则的能量管理策略的不足，将基于规则的能量管理策略与模糊控制理论相结合，提出一种基于模糊控制的能量管理策略。设计以电池SOC和车速为输入变量，以发动机启停控制命令为输出变量的模糊控制器，控制发动机的启停。在MATLAB/Simulink软件中搭建出能量管理策略模型，在AVL Cruise软件中搭建出整车仿真模型，进行NEDC循环工况的联合仿真。仿真结果表明，基于模糊控制的能量管理策略优化能够合理分配发动机与电机的输出转矩，并能够进行合理的行车模式切换。
关键词：混合动力商用车；能量管理策略；模糊控制
中图分类号：U469.7文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）22-0113-04
Research on Energy Management Strategy of Hybrid Commercial Vehicle
Based on Fuzzy Control
FENG Haibo1XU Enyong2
（1.Concordia University，Montreal Canada H4B IR6；2.Dongfeng Liuzhou Automobile Co.,Ltd.，Liuzhou Guangxi545005）
Abstract:Taking a hybrid commercial vehicle as the research object,the paper analyzes the deficiency of rule-based energy management strategy.Combining the rule-based energy management strategy with fuzzy control theory, a new energy management strategy based on fuzzy control is proposed.The fuzzy controller which takes SOC and vehi⁃cle speed as input variables and engine start and stop control command as output variable is designed to control the start and stop of engine.The energy management strategy model is built in matlab/simulink software,and the vehicle simulation model is built in AVL cruise software to perform the joint simulation of NEDC cycle conditions.The simu⁃lation results show that the optimization of energy management strategy based on fuzzy control can distribute the out⁃put torque of engine and motor reasonably and switch the driving mode reasonably.
Keywords:hybrid electric commercial vehicle；energy management strategy；fuzzy control
随着经济的发展和社会的进步，人们的生活水平得到了巨大改善，汽车保有量逐年增加［1］。环境污染问题和能源短缺问题日益显著，促使发展新能源汽车成为汽车行业的新趋势［2］。目前，新能源汽车主要有纯电动汽车、混合动力汽车和氢燃料电池汽车3大类。混合动力汽车具有两个及以两个以上的能量源，相比之下，混合动力技术更能满足商用车的需求［3-4］。
混合动力汽车的能量管理策略主要有基于规则的控制策略和基于优化的控制策略。基于规则的控制策略是通过设定一系列的阈值完成对发动机和电机的控制，控制策略的优良差异性较大，但是控制较为简单，计算量小，得到了较为广泛的应用。基于优化的控制策略分为基于全局优化和基于瞬时优化两种。基于全局优化的控制策略能够实现最优，但是计算量大，目前不适合应用于实车；基于瞬时优化的控制策略能够实现瞬时最优，计算量也相对较小，是可应用于实车的重要方法。目前，众多
收稿日期：2021-07-07
基金项目：柳州市科技开发项目（2020GAAA0403，2021AAA0104）；柳东科技开发项目（20200108）。
作者简介：冯海波（1997—），男，硕士，研究方向：新能源汽车。
通信作者：许恩永（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向：汽车设计。
能源与化学
高校和科研院所对混合动力汽车的能量管理策略进行了研究。燕山大学的李萍等提出一种基于智能优化规则的能量管理策略，根据粒子算法对规则进行优化，达到节省燃油的效果［5］。青岛大学闫松等提出一种转矩协调方法，对发动机转矩和电机转矩进行合理分配，在满足汽车动力需求的同时，使得发动机工作在最优工作区间，实现了节省燃油的目的［6］。太原理工大学的高龙飞等为了提高通过并联混合动力汽车的燃油经济性，对驾驶意图进行识别。仿真结果显示，汽车的燃油经济性得到进一步提升［7］。
本文的并联混合动力汽车能量管理策略采用基于规则的控制策略与模糊控制相结合的方法，通过设计以电池荷电状态（State of Charge ，SOC ）和车速为输入变量，以发动机启停为输出变量的模糊控制器来控制发动机的启停。所研究的能量管理策略使得发动机工作在最佳工作区间，电池SOC 维持在一个合理的区间，为电机提供电能，保持整车的动力性能。
1混合动力汽车系统结构
本文以某款混合动力商用车为研究对象，其动力系统为并联式结构。动力系统包括发动机、离合器、转
矩耦合器、电池、电机、变速箱和主减速器等部件，其中发动机与离合器直接相连，通过转矩耦合器与电机的输出转矩进行耦合。转矩耦合器将电机和发动机的转矩进行耦合，再通过变速箱和主减速器将转矩传输到车轮上。混合动力商用车动力系统的结构如图1所示。
电池 后轮
电机
发动机 后轮
变速箱 主减速器
转
矩耦合器
离合器
图1混合动力商用车动力系统结构
混合动力商用车整车参数如表1所示。
表1整车参数
参数名称整车质量m /kg 滚动阻力系数f 空气阻力系数C D 车辆迎风面积A /m 2车轮滚动半径r /m 重力加速度g /（m/s 2）旋转质量换算系数δ
总传动比i 传动系统机械效率ηT
数值4495
0.01320.496.960.359.81.46.142
0.92能量管理策略设计2.1混合动力商用车工作模式
并联式混合动力商用车的动力由发动机和电机提供，根据发动机和电机的工作状态可以将该车的工作模式划分为5种。
一是纯电动模式。发动机为关闭状态，离合器分离，电机处于驱动状态。该模式适用于低速、小转矩且电池剩余电量充足时。二是发动机模式。发动机为工作状态，离合器闭合，电机处于关闭状态。该模式适用于中速且电池剩余电量较多时，发动机工作在最佳工作区间，燃油经济性较好。三是联合驱动模式（混动模式）。发动机为工作状态，离合器闭合，电机处于驱动状态。该模式适用于高速或有加速需求
和爬坡需求的工况。四是行车充电模式。发动机为工作状态，离合器闭合，电机处于发电状态。该模式适用于中低速且电池剩余电量较少时，发动机的动力一方面驱动汽车行驶，另一方面驱动电机进行发电，将电能储存到电池中。五是制动能量回收模式。发动机为关闭状态，离合器分离，电机处于发电状态。该模式适用于汽车进行制动且电池剩余电量较少时。
2.2基于模糊的能量管理策略设计
基于规则的能量管理策略具有简单易实现的优点，但是整车的燃油经济性没有得到充分开发。混合动力汽车能量管理策略的设计准则是发动机工作在最佳工作区间，电池SOC 控制在合理的区间。发动机的开启仅根据阈值设置，无法充分发挥发动机和电机的优点。因此，设计以电池SOC 和车速为输入变量，以发动机开关为输出变量的模糊控制器，控制发动机开关。通过控制发动机的开关进而控制行车模式的转换，实现燃油经济性的提高。
模糊控制器的输入变量是电池SOC 和车速，输出变量是发动机的开关，设计模糊控制器的类型为sugeno 。设置电池SOC 的论域为［0，100］，模糊子集为{VS 极小，S
小，M 中，B 大，VB 极大}，设置车速的论域为［0，90］，模糊子集为{S 小，M 中，B 大}。电池SOC 和车速隶属度函数，如图2所示。设置发动机的论域为［0，1］，模糊子集为{N 开，Y 关}。
20
40
60
80
100
电池SOC/%
VS
S
M
B
VB
1.00.80.60.40.20隶属度函数（a ）电池SOC 隶属度函数
20
40
60
80
车速/（km/h ）S
M
B
1.00.80.60.40.20隶属度函数
（b ）车速隶属度函数
图2隶属度函数
根据专家经验，制定15条模糊规则，模糊规则如表2所示，模糊曲面如图3所示。
表2模糊规则
电池SOC\车速
VS S
M B VB S Y N N N N
M Y Y Y N N
B
Y Y Y Y Y
1.00.80.60.40.2080
60
40
20
20
40
60
80
100
SOC/%
车速/(km/h)隶属度函数
图3模糊规则曲面
3整车建模及仿真分析
整车仿真模型的搭建采用AVL Cruise 软件，能量管理策略模型采用MATLAB/Simulik 软件搭建，进行离线联合仿真。
3.1整车仿真模型搭建
AVL Cruise 软件是一款适用于汽车动力学和经济性
仿真的专业软件，将混合动力商用车的整车仿真模型搭建出来，应用MATLAB DLL 模块输入能量管理策略。整车仿真模型如图4所示。
Vehicle
Vehicle:Front Right Brake
DFMB20A
Clutch
Li-lon Battery
eDrive
6MT
Single
Vehicle:Front Left
Matlab DLL
AMT Control
GB Control
cockpit
Monitor
Vehicle:Rear Left
Vehicle:Rear Left
Brake
Differentifal Brake
Vehicle:Rear Right Vehicle:Rear Right Brake 15东风商用车公司
23
26
19
187
22
16
4
32
12
6
1
8
9
13
17
152514
10
11
AMT
图4整车仿真模型
3.2仿真分析
在NEDC （New European Driving Cycle ）工况下进行
AVL Cruise 与MATLAB/Simulink 的离线联合仿真，对能
量管理策略下的车速、发动机转矩和电机转矩进行了仿真分析。其中，车速的变化曲线如图5所示，发动机转矩变化如图6所示，电机转矩如图7所示。在该能量管理策略控制下，混合动力商用车的车速基本能够达到NEDC 的期望车速，发动机和电机的输出转矩也较为合理。
070.0210.0350.0
490.0630.0
770.0910.01050.01190.0
时间/s
330.0
300.0270.0240.0210.0180.0150.0120.090.060.030.00
转矩/（N ·m ）
图6发动机转矩
070.0210.0350.0
490.0630.0
770.0910.01050.01190.0
时间/s
240.0
210.0180.0150.0120.090.060.030.00-30.0-60.0-90.0-120.0
转矩/（N ·m ）
图7电机转矩
4结语
混合动力商用车的能量管理策略控制发动机运行在最佳工作区间，并维持电池SOC 在一个合理的范围内。以基于规则的能量管理策略为基础，运用模糊控制对发动机进行控制，使得发动机的启停时间和转矩的输出更加合理。设计以电池SOC 和车速为输入变量，以发动机启停为输出变量的模糊控制器，控制发动机的启停。在NEDC 工况下进行AVL Cruise 与MATLAB/simulink 的离线联合仿真，仿真结果表明，
在该能量管理策略下的车速基本能够达到期望车速，发动机转矩和电机转矩分配较为合理。综上所述，该能量管理策略为后续的研究奠定了基础。
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070.0140.0
280.0
420.0
560.0
700.0
840.0
980.0
1120.0
时间/s
车速/（k m /h ）
90.081.072.063.054.045.036.027.018.09.00
期望速度/（k m /h ）90.081.072.063.0
54.045.036.027.018.09.00
期望速度
车速
图5车速的变化曲线
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