摘要：随着当今社会经济的快速发展，汽车已成为人们必不可少的交通工具，汽车虽然为人类的进步作出了贡献，但也给全球环境带来巨大的危害。面对日趋严重的能源短缺与环境恶化问题，寻求社会经济与资源环境相互促进与协调发展，世界各国的汽车公司均在开发新型清洁动力汽车。混合动力汽车采用发动机、电机和电池作为混合动力总成。所以，混合动力汽车既具有电动车辆节约能源和超低排放的优点，又解决了电动车辆续驶里程不足的缺点。混合动力汽车按驱动系统布置结构可分为串联、并联和混联3类。
关键词：并联混合动力汽车；模糊逻辑；控制策略
引言
混合动力汽车的能量控制策略是影响车辆能耗的重要因素，也是实现节能减排的关键所在。能量管理策略在满足车辆动力性能的前提下，根据车辆的工作模式以及实时运行工况，实现发动机和电机之间合理的转矩分配，提高整车的燃油经济性，降低尾气的排放。根据混合动力汽车驱动系统以及动力传递方式的不同，对混合动力汽车的三种类型的结构以及控制策略做了介绍和对比，最终确定了以并联混合动力汽车为研究对象。
1.混合动力汽车基本结构
1.1 串联混合动力汽车
串联式混合动力汽车的结构包括发动机、电机和发电机三种动力源。发动机和电机串联在一起，组成车辆的驱动系统。发动机带动发电机发电，所产生的电能驱动电机工作，从而驱动车辆行驶。由于发动机输出的动力并不直接传递到车辆的驱动轴，因此发动机可以始终工作在最佳的工作区间范围附近，以相对稳定的工作状态运行发电。当车辆加速或爬坡时，此时车辆的需求功率较大，发电机和蓄电池共同向电机提供电能，驱动车辆行驶；当车辆处于低速，滑行或停车时，此时车辆的需求功率较小，发电机发出的功率一部分驱动车辆行驶，如果蓄电池 SOC 较低时，剩余部分的功率为蓄电池充电。蓄电池作为调节发动机和电机需求功率间关系的“水库”，与发动机一起提供车辆行驶的需求功率。
1.2 并联混合动力汽车
并联混合动力汽车的结构的传动系统主要由发动机、转矩耦合器、蓄电池以及电动机四个模块组成。与串联形式的结构相比较，并联混合动力汽车的驱动结构没有发电机，发动机和电机作为主要的动力源，通过转矩耦合器耦合后单独或联合驱动车辆行驶。在车辆减速时，电机也可以反过来作为发电机进行制动能量的回收。因此，发动机的能量利用率要优于串联结构，而且在能量的传递过程中，损失较小。由于发动机的能量直接传递给车辆，因此不适合工况变化大的路况。其中转矩耦合器的作用是将两个动力源输出的转矩耦合后传递给传动系，同时控制整车需求转矩在不同动力源之间的分配。
1.3 混联式混合动力汽车
混联式混合动力汽车的动力系统综合了串联式和并联式，因此它又叫做串—并联混合动力汽车。它通过转矩耦合器协调控制驱动力传动系统，可以实现在串联模式和并联模式之间进行自由的切换。发动机发出的能量一方面被用于机械传动，另一方面被用于发电机的发电，发电机主要为蓄电池或电动机/发电机提供电能，电机产生的转矩通过转矩耦合器传递给驱动轮。在低速或匀速的情况下，主要以串联的模式来运行，在高速或加速状态时，以并联模式进行驱动。
2 模糊控制策略
2.1 模糊控制策略的原理
模糊逻辑控制策略的原理是对发动机、电动机和蓄电池同时进行优化控制，尽可能维持发动机在最优曲线上运转。当电池的SOC（电池荷电状态）不足或过高，电机不能满足整车扭矩要求时，发动机会改变最优工作曲线，同时保持电机工作高效和维持电池的SOC在其合理区间内变化。模糊逻辑控制策略的实现就是基于这样一个事实。模糊逻辑控制策略通过对输入输出参数分别进行模糊化和反模糊化处理，避免了常规控制方法中复杂的查表和插值计算，能够提高相应速度和控制精度，能够解决复杂的非线性问题。另外，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的特点，使其更适用于控制车辆这样复杂的系统。根据模糊控制的原理，文中选择整车需求转矩Treq和当前车速下发动机最优输出转矩Te_opt的差Δ T及电池的SOC作为输入变量，输出变量为转矩比例系数Y，Y 是由一系列常数组成。
2.2 遗传算法优化模糊控制器
由于并联混合动力汽车（HEV）具有发动机和电动机两个动力源，必须设定合理的控制策略来保证各个系统工作在最佳状态，来提高燃油经济性，降低污染物排放的目的。模糊控制策略具有超调小，鲁棒性强和实时性好，不需要精确的数学模型，在并联混合动力汽车控制策略的研究上成为热点，受到了越来越多的关注。但是模糊规则的制定与隶属度函数的选取主要依赖于专家知识和经验，没有规范合理的建立方式，一般达不到较为理想的控制效果。而且专家知识与经验只是起到了指导，存在比较大的随意性与主观性，很难选择出出精确地的参数。只能采用“试凑”的方法对参数进行调整，这种过程实际上就是一种寻优的过程，但是从效率通常比较低，所以我们需要制定一个快速的方法，逐步找到最优的控制器设计。
2.3 控制规则设计
1）当混合动力汽车SOC值处于所规定的区间时，发动机单独提供驱动力，除非实际总需求转矩Treq超过发动机所能承受的最大转矩时，电机才会开始协助一起提供驱动力。2）当电池SOC值比较低时，运行中的混合动力汽车，在保证正常的动力性的情况下，发动机单独提供驱动力，并将多余的功率传送给电机，从而为蓄电池补充能量。3）当车辆实际行驶过程中，如果电池SOC值较大，此时可以考虑由电动机辅助发动机为车辆的提供所需的驱动转矩。4）混合动力汽车的电机驱动系统能够实现零排放，因此当实际需求转矩比较小时，可以由电机来提供。5）如果车辆的负荷比较大，可以采用发动机和电机同时驱动的模式，以提高车辆的动力性。
2.4 模糊控制器的设计
文中的模糊控制器是在Matlab软件下的模糊逻辑工具箱（Fuzzy logic toolbox）中进行设计的，在此环境下设计的模糊控制器可以与Mat-lab/Simulink集成进行仿真分析，也可以直接将其嵌入到Advisor控制模块中进行仿真分析。在设计模糊控制器时，对输入变量ΔT、SOC和输出变量Y描述如下。输入变量ΔT的模糊集合为{NM，NS，O，PS，PM}，论域为[-40，40]。其中NM代表负大，NS代表负小，O代表零，PS代表正小，PM代表正大，隶属度函数如图1。
输出变量系数Y采用单值函数来表示，其值为{0，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9，0.95，1，1.1，1.2}。控制规则是整个模糊逻辑控制环节的核心，建立在对被控对象物理特性的理解和关于控制的直觉与经验的基础上，每一条规则必须准确且能够反映设计者的控制意图，应在保证电池充放电平衡的情况下，尽量使发动机工作在最佳燃油消耗线附近。具体格式为：If输入变量ΔT的模糊状态and输入变量SOC的模糊状态then输出变量Y的模糊状态。
结语
综上所述，文中设计的模糊逻辑控制策略，通过一系列工况的仿真显示了模糊逻辑控制策略比电辅助控制策略更进一步提高了并联混合动力汽车的优越性能，燃油经济性能和排放性能也都有一定的提高，并且提高了整车系统的效率。模糊逻辑控制策略实现了需求转矩在发动机和电机之间的最优分配，保证了电池SOC的变化平缓，实现了电池SOC的平衡，具有很好的自适应能力和鲁棒性。
参考文献：
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[2]黄卫华，方康玲，章政. 典型模糊控制器的隶属函数设计及分析[J]. 模糊系统与数学，2010，24（5）：83-89.
论文作者:王素莹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：转矩论文; 模糊论文; 发动机论文; 混合动力论文; 汽车论文; 电机论文; 车辆论文; 《电力设备》2017年第30期论文;