串联式混合动力汽车模糊控制策略的研究
段建民，吴艳苹，刘旭东
(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100022)
摘要：针对串联式混合动力汽车特点，提出了恒SOC 模糊逻辑控制策略。一方面，模糊逻辑控制器根据路况功率需求和蓄电池SOC，分配发动机给定功率，实现恒SOC 控制；另一方面，将发动机的工作点控制在发动机最小燃油消耗的高效率区间内，使发动机具有较好的燃油经济性。实例仿真结果表明，恒SOC 模糊逻辑控制具有较好的鲁棒性，能在不同的循环工况下实现恒SOC 控制，且具有较好的燃油经济性。
关键词：串联式混合动力汽车；恒S O C 控制；模糊逻辑控制
中图分类号:U 469.72 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2009)01-0028-03
Study on Fuzzy Logic Control Strategy for Series Hybri d E lectric V ehicle
DUAN J ian m in,WU Yan p ing,LIU Xu dong
房车价格表
(Co llege of E lectronic In f o r m ati on and Contro l Eng i nee ri ng ,Be ijing U n i versity of T echno l ogy ,Be iji ng 100022,Ch i na)
Abstr ac:t A ccord i ng to the character istics of ser ies hybri d e l ectric vehic l e ,the constant SOC f uzzy log ic contro l is
proposed .Based on the pow er request and S O C ,t he fuzzy log ic contro ller can distribute the eng i ne g i v en powe r t o rea lize constant S OC contro.l Furt her m o re ,the eng i ne operati ng po i nts are contro lled on opti m a l fuel consu m pti on curve .T he st udies on case prove t hat the fuzzy l og ic contro ll e r can realize the constan t SOC contro l unde r different road conditi ons ,so that it has t he w ell robust ness .
Key wor ds :Ser i es hybrid e lectr i c vehic l e ;Constant S OC contro;l F uzzy log ic con tro l
混合动力汽车结合了传统内燃机汽车和电动汽车的优点，可以在保证车辆动力性能的同时，减小燃油消耗和废气排放[1]。整车控制策略的设计目标是在满足路况需求前提下，控制发动机、电动机等各个系统工作于最佳状态，从而使整个系统的总体效率最高。正因为此，控制策略的研究成为混合动力汽车开发中的关键问题。
HEV 是一个涉及复杂问题决策和非线性时变系统控制的复杂系统，很难建立起精确的数学模型；同时，行驶路况和驾驶员操作具有的随机性，也增加了控制策略设计的难度，传统方法很难满足控制要求。与之相对应的是，模糊逻辑控制对于非线性、复杂对象具有鲁棒性好、控制性能高的优点，在工业控制、交通领域得到广泛应用[2~4]。因此，本文针对控制目标，以奥运场馆用串联式混合动力汽车(Series H ybri d E l ectric Veh icl e ,SHEV )为实例，研究了其恒荷电状态(State ofCh arge ,SOC )模糊控制策略，并对该控制策略进行了建模仿真。
1 结构及其控制目标
1.1 结构
奥运场馆用混合动力车多行驶于城市路况，具有车辆行驶速度低、起停频繁及对排放和油耗要求严格等特点，因此，该混合动力汽车选用了串联式结构，其系统结构如图1所示，主要包括发动机、发电机、蓄电池和电动机等部件。发动机和发电机同轴连接组
成发动
图1 串联式混合动力汽车结构图
F i g .1Stru ctur e of SHEV
机组，它和蓄电池一起串联起来为电动机提供电量。电动机通过传动机构进行动力输出。1.2 恒SOC 控制目标
恒SOC 控制，即是SHEV 运行时，通过调节发动机组输出功率，使蓄电池快速充放电，由初始SOC 值调节到给定目标SOC 值，并维持该值不变。恒SOC 控制的优点是：一方面，当整车由混合动力运行模式切换到纯电动模式时，蓄电池可以保持较高电量满足路况需求；另一方面，蓄电池SOC 过高时，会影响蓄电池吸收再生制动能量的能力。因此，保持恒定SOC 值可以提高能量利用效率，而且提高了蓄电池寿命，有效避免了过充电。
通过脉冲充放电试验，得到的开路电压U bo c 、充/放电内阻R chg /R dis 与蓄电池SOC 的关系如图2所示，可以得出，蓄电池在SOC 为0.7时，既可以保持较高电量，又具有较小充放电内阻。因此，将蓄电池目标SOC 值设定为0.7。同时，根据蓄电池充电内阻特性，将SOC 上下限设定为cs _h i _soc =0.9与c s _lo _soc =0.5。当SOC 小于其下限时启动发动机组；当SOC 大于其上限时关闭发动机组；当SOC 在
其
图2 蓄电池开路电压和内阻特性
Fig .2Open C ircu it Vo lt age an d I nt e r na lR esist an ce o f Batt e r y
收稿日期:2008-03-12
基金项目：北京市教委、市基金委共同资助重点项目(KZ20041000501)
28 第36卷第1期 拖拉机与农用运输车 V o.l 36N o .12009年2月 T racto r&F ar m T ransporter F eb .,2009
上下限范围之间时，发动机保持原状态。
2 模糊逻辑控制策略
2.1 模糊控制策略思想
S H EV 恒SOC 模糊控制策略的设计目标，即在蓄电池保持恒SOC 的前提下，使发动机具有较好的燃油经济性。将模糊逻辑策略应用于S H EV 控制中具有如下优点：一是模糊逻辑可以表述SHEV 中难以精确定量表达的规则，如 如果需求功率较大，且蓄电池SOC 较小，则发动机输出功率增大!等规则；二是模糊控制可以方便地实现SOC 和需求功率等不同影像因素的折中；三是模糊控制具有良好的鲁棒性，对路况的适应性好。
恒SOC 模糊控制策略主要包括3部分，如图3
所示。
图3 模糊逻辑控制策略
F i g .3Fuzzy Log i c Control S tr a t e gy
第1部分是发动机开/关判断模块，主要根据蓄电池SOC 和其他信号，判断发动机组的开/关状态engi ne_on 。
第2部分是基于SOC 和需求功率模糊分配发动机给定功率P *eng i n e 模块，首先，根据踏板行程大小
、车速等信号计算出需求功率P req ，其与电动机功率P m ot 之差为需求功率偏差 P ；然后, P 与蓄电池SOC 作为模糊逻辑控制器输入量，输出量为调节系数K ；最后,K 与最大调节功率P ^
m ax 相乘作为调节功率P ^
，与发动机原有输出功率P eng i n e 相加，再经过发动机工作区间[cs _m i n _p w r,c s _max_p w r ]和功率变化速率[m ax_pw r _rise _ra t e ,max_pw r _fall _ra te ]的限制，最终输出发动机给定功率P *e ng ine 。
第3部分是发动机工作点确定模块，根据
P *e ng ine ,
按照发动机最
小燃油消耗曲线确定发动机工作点，从而保证发动机的燃油经济性。
模糊逻辑控制器一方面是基于需求功率偏差 P 和蓄电池SOC ，模糊调节输出系数K ，使发动机给定功率随之变化，从而实现恒SOC 控制。另一方面，通过将发动机工作点控制在高效率工作区间内的最小燃油消耗曲线上，保证了发动机具有较好的燃油经济性。P ^
m ax 根据发动机最大功率和工作区间选取。2.2 模糊控制策略器设计
模糊逻辑控制器利用M ATLAB 中的模糊逻辑工具箱设计。输入变量SOC 在其上下限内分成3个模糊子集{∀负#,∀零#,∀正#}，输入变量 P 根据功率大小将其分成5个模糊子集{∀负大#,∀负小#,∀零#,∀正小#,∀正大#}，输出系数K 在其论域上分成7个模糊子集{∀负大#,∀负#,∀负小#,∀零#,∀正小#,∀正#,∀正大#}。隶属函数采用梯形和三角形函数。输入、输出变量的隶属函数分别如图4~6所示。
模糊控制规则是模糊控制器的核心，恒SOC 模糊逻辑控制器规则的制定原则是在满足路况功率需求的前提下，使蓄电池维持恒SOC 。推理方法采用M amdan i 类型，同时and 运算采用最小算子。具体控制规则如表1
所示。
图4 输入输出变量S OC 隶属函数
Fig .4M e mbe rship Fu nction of I nput Va ria b les
SOC
图5 输入变量 P 隶属函数
F i g .5Me m bersh i p Functi o n o f I nput Va riables
P
图6 输出变量K 隶属函数Fig .6Me m bersh i p Fun ction o f Out pu t Vari a b l e s K
表1 模糊控制规则表
Ta b .1Fuzzy C ontr o l Ru l e s
SOC P
NL N Z O P PL N
NS Z O PS P M PL Z O NM N S Z O PS P M P
NL
NM
NS
Z O
P S
如果总的功率需求与电动机功率偏差 P 是 正大!，且蓄电池SOC 是 负!，则K 输出为 正大!，表明此时功率需求增大，且蓄电池SOC 小于目标值，模糊控制器应增大调节功率，使发动机给定功率既满足路况需求，又为蓄电池充电；如果 P 是 负大!，且SOC 是 正!，则K 输出为 负大!，表明此时路况功率需求减小，且蓄电池SOC 大于目标值，模糊逻辑控制器应输出负的调节功率，使发动机减小给定功率，同时蓄电池放电。
3 模糊控制策略仿真
3.1 仿真参数
采用汽车仿真软件ADV ISOR2002进行仿真试验，将建立的恒SOC 模糊逻辑控制策略嵌入到ADVISOR2002仿真模块中。奥运场馆用串联式混合动力汽车的基本参数如下：满载质量M =4650kg ，空气阻力系数C D =0.5，迎风面积A =4.1m 2，车轮滚动半径r =0.42m，滚动阻力系数f =0.009。发动机为奇瑞SQR372汽油机，额定功率/转速为38k W /6000r/m i n ；发电机为永磁同步发电机，额定功率为30k W；太阳电AC 90异步电机，其最大功率为125kW；蓄电池串联28节水平铅布电池，其容量为85Ah 。3.2 不同控制策略的仿真比较
在UDDS 循环工况下，采用功率跟随控制策略与模糊逻辑控制策略进行仿真对比，得到两种控制策略下，蓄电池初始SOC 值分别为0.5,0.7和0.8时的SOC 变化曲线，如图7，图8所示。可以看出，恒SOC 模糊逻辑控制策略能够较好地将蓄电池SOC 维持在0.7
附近。
图7 功率跟随控制策略SO C 变化曲线
F i g .7SO C C urve of Po w e rFo ll o w in g C ontr o l Strat egy
图9是在UDDS 循环工况下发动机工作点的分布情况，中间虚
线是最小燃油消耗线，可以看出，发动机的工作点多集中在燃油消耗经济高效区。从0.5~0.8的7个不同初始SOC 下的仿真结果，和对
29 段建民等：串联式混合动力汽车模糊控制策略的研究
悦达起亚报价图8 模糊逻辑控制策略S OC 变化曲线
Fi g .8S OC Cu r ve o f Fuzzy C ontr o l Strat
道奇新酷威egy
图9 UDDS 循环工况下发动机工作点
Fig .9Engine Ope r a ti n g Po i n t s un der UDDS D ri v ing Cycl e
天津选号燃油消耗值和SOC 变化值进行的线性回归分析，得到了SOC 变化值为零(即试验前后SOC 平衡)时对应的校正油耗[5]，功率跟随控制为15.1L /100km，模糊控制为14.8L /100km 。可见，模糊逻辑的恒SOC 控制不仅控制效果更为显著，而且具有更好的燃油经济性。3.3 不同路况下仿真结果
分别在UDDS,ECE _EUDC,10153个不同循环工况下，对该实例连续进行了仿真，蓄电池初始SOC 为0.7。其中，城市循环道路工况UDDS 最大速度91.25k m /h 、平均速度31.51k m /h 、行程20km，有17次停车;ECE _EUDC 工况最大速度120k m /h 、平均速度62.44km /h 、行程10.93km，有13次停车;1015工况最大速度69.97km /h 、平均速度22.68km /h 、行程4.16k m，有7次停车。3个循环工况下模糊逻辑控制与功率跟随控制的蓄电池SOC 变化及等效燃油消耗的仿真结果如表2所示。
表2 3个循环工况仿真结果
Tab .1S m i u l a tion R esu lt s of Th r ee D rivin g C yc l e s
循环工况功率跟随控制策略SOC 燃油消耗
/[L (100km )-1]
模糊逻辑控制策略
SOC 燃油消耗
/[L (100km )-1]
UDDS
0.67989
15.10.6975614.8ECE_E UDC 0.66503
15.90.6782715.910150.77465
14.8
0.70072
14.7
3.4 仿真结果分析
在实现恒SOC 的控制效果上，通过不同的控制策略仿真结果可以看出，功率跟随控制策略采用的根据线性公式调节SOC 的方法[6]
不如模糊逻辑控制效果好。在UDDS 循环工况下，模糊控制使蓄电池SOC 由初始的0.7，始终保持在0.68~0.71范围间变化，基本实现0.7恒定。在不同初值SOC 值的情况下，模糊控制都能快速的调节SOC 到给定目标值，而功率跟随控制却调节缓慢，效果不显著。通过不同的循环工况的仿真结果可以看出，模糊逻辑的恒SOC 控制效果也要比功率跟随控制显著，说明了模糊逻辑控制具有很好的鲁棒性，能适应于不同循环工况。
分析燃油经济性可知，运行工况中发动机工作点被控制在燃油消耗高效率区间内。3个循环工况下等效燃油消耗，相比原有车型的红叶内燃机客车的燃油消耗16.5L /100km，模糊逻辑控制实现了较好的燃油经济性。此外，模糊逻辑控制等效燃油消耗相比功率跟随控制策略的燃油消耗提高不是很明显，主要因为功率跟随控制策略也是将发动机工作点控制在最小燃油消耗曲线附近。
综上所述，模糊逻辑控制能在满足路况需求的情况下，实现蓄电池的恒SOC 控制，并且能将发动机工作点控制在燃油经济性高效区间内。
4 结论
1)串联式混合动力汽车控制的关键是发动机和蓄电池功率的合理分配，针对混合模式运行时的控制目标，设计了恒SOC 模糊逻辑控制策略。
2)通过对多种不同的循环工况和不同的控制策略进行仿真分析，恒SOC 模糊逻辑控制具有一定的鲁棒性，能实现不同循环工况下的恒SOC 控制，同时还兼顾了燃油经济性。参考文献:
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汉兰达汽车(编辑 郭聚臣)
作者简介：段建民(1959-)，男，河北石家庄人，教授，博士生导师；吴艳苹(1982-)，女，北京人，硕士；刘旭东(1975-)，男，河北石家庄人，博士。
(上接第27页)
5 结论
半车模型能很好地仿真实际车辆的直线制动工况，以半车制动模型为对象，采用基于趋近律的滑模控制方法不仅能获得较好的控制效果，还能大大削弱控制系统中出现的系统抖动。参考文献:
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(编辑 姜洪君)
作者简介：刘显贵(1973-)，男，江西都昌人，讲师，硕士。
30 拖拉机与农用运输车 第1期2009年2月
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