并联混合动力汽车控制方法*

宫唤春 徐胜云

（燕京理工学院）

混合动力汽车[1]是指同时装备热动力源与电动力源的汽车。混合动力汽车有多种不同驱动模式，要提高混合动力汽车的工作效率，需要在不同动力源之间实现准确的协调与切换，制定良好的控制方法。根据汽车不同行驶工况对混合动力系统的能量管理要求，需要调节和控制功率输出在不同工作部件之间的传动。目前并联混合动力汽车的能量管理控制方法还有待于进一步改进与优化[2-3]。文章利用模糊控制理论，设计了模糊逻辑控制方法，根据混合动力汽车主要车用电源是蓄电池的特点，结合电池使用寿命与充放电电流的影响关系，将超级电容和蓄电池并联使用，避免蓄电池过大电流充放电和提高制动能量的回收。

1 并联混合动力总成系统结构

文章研究的混合动力轿车属于并联轻度混合型，选用小功率的永磁同步电机，主要依靠汽油发动机运行。其主动力源是1.2 L汽油发动机，辅助动力8 kW永磁同步电机和自动变速器传动系统等。永磁同步电机用来实现汽车怠速自动停车和启动功能，在加速过程中为汽车提供辅助动力；或者以发电机模式运行时实现减速，汽车制动时制动能量回收系统将机械能转换成电能储存。这种控制方式结构简单，系统集成化程度高，是一种普遍采用的混合驱动模式。该混合动力汽车的整车基本参数，如表1所示。

表1 某混合动力汽车的基本参数

根据发动机、电动机及变速器等结构参数和工况数据，利用ADVISOR软件平台建立了并联混合动力轿车仿真模型，如图1所示。

2 建立控制方法

2.1 设定电机辅助控制方法

装备自动变速器的永磁同步电机并联型轻度混合动力汽车传动系统，在换挡过程中，可利用永磁同步电动机的辅助动力作用，在换挡过程中控制动力源输出的转矩和转速，减小轻度混合动力自动变速器车换挡冲击和振动，提高换挡品质和效率。

结合汽车工况确定换挡规律为：1）在相同节气门开度下，若相邻挡位加速度倒数曲线相交，且交点为正，则将相交点作为换挡点；2）在相同节气门开度下，若相邻挡位加速度倒数曲线不相交，取各挡的最高车速或次高车速点作为换挡点。

根据换挡试验数据，首先做出节气门开度在0%～100%内的数据点，即利用线性插值法求出插值转矩，目的是为了找出换挡规律车速变化的临界值。由汽车行驶动力模型可以得出：

Ttq——发动机转矩，N·m；

ig——变速器传动比；

i0——主减速器传动比；

ηT——传动效率；

G——汽车车重，N；

f——滚动阻力系数；

CD——空气阻力系数；

A——迎风面积，m2；

ua——车速，m/s；

m——汽车总质量，kg；

δ——旋转质量换算系数；

r——车轮半径，mm；

i——坡度，%。

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

根据上述换挡规律和换挡试验数据，利用Matlab软件编写处理程序，得出换挡规律数据并绘制换挡规律图，如图2所示。

在制定控制方法时应综合考虑发动机和永磁同步的输出效率，在汽车启动时，若用永磁同步电机将发动机转速运行至怠速附近，发动机开始启动点火，这样发动机就可以避免在低负荷区域内工作，从而改善汽车的燃油经济性和尾气排放；而在大负荷时，让发动机保持在中等负荷区，其余功率由永磁同步电动机提供，这样就可以提高经济性和动力性。当汽车长时间处于怠速空载状态时（如堵车或等红灯），发动机长时间怠速运转，为改善汽车的燃油经济性和尾气排放，这时可将发动机自动停机，同时永磁同步电机也停机；当汽车需要起步时，永磁同步电动机用于完成汽车起步运行。

2.2 建立模糊控制方法

模糊逻辑控制器[4]有动力传动部件的请求转矩（Tf）和当前超级电容SOC状态2个输入变量，输出变量为发动机输出转矩（Tq）。文章选择Mamdani法，根据混合动力轿车实际运行工况，确定各输入和输出参数，各参数都采用高斯型隶属度函数[5]。模糊控制器的输入输出参数需要进行模糊量化处理，文章把输入输出参数分成7级，如表2所示。

表2 混合动力轿车模糊控制规则量化表

控制规则是整个模糊控制器的核心，根据被控对象实际运行特性建立了49条控制规则。部分控制规则表述如下：

if（请求转矩Tfis NL）and（超级电容SOC is NS）then（发动机输出转矩Tqis NM）；

if（请求转矩Tfis NS）and（超级电容SOC is NS）then（发动机输出转矩Tqis Z）；

if（请求转矩Tfis NS）and（超级电容SOC is Z）then（发动机输出转矩Tqis PS）；

if（请求转矩Tfis NL）and（超级电容SOC is PM）then（发动机输出转矩TqisPL）；

if（请求转矩Tfis NM）and（超级电容SOC is PS）then（发动机输出转矩Tqis NS）。

2.3 建立组合电源模型及控制方法

利用ADVISOR软件建立组合电源系统，如图3所示，主要包括功率总线模块、蓄电池模块、超级电容模块及组合系统控制方法。

组合电源系统的具体工作原理：1）在低功率时，蓄电池满足永磁同步电机的功率要求，或者在满足电机功率要求的同时给超级电容补充充电；2）在高功率时，蓄电池和超级电容同时满足永磁同步电机的功率要求；3）在制动时，超级电容回收制动能量，或者在超级电容不能回收能量时，由蓄电池回收制动能量。

3 仿真结果分析

3.1 建立仿真模型

表3示出混合动力轿车性能仿真结果与实车试验结果对比。通过表3可以发现，仿真结果与实车试验结果相比存在误差，误差产生的原因主要是混合动力汽车模型简化的结果，但是误差变化范围在5%左右，建立的整车模型精度比较准确。

表3 混合动力轿车性能仿真结果与实车试验结果对比

3.2 不同控制方法的比较

仿真分析采用典型城市循环工况（UDDS）和中国公交循环工况（CHINA）。以CYC-UDDS循环工况为例，对2种控制方法进行分析对比试验。图4和图5分别示出电辅助和模糊控制下发动机输出转矩变化曲线。从图4和图5可以看出，在电辅助控制过程，发动机输出转矩为60～80 N·m，而在模糊逻辑控制过程中，发动机运行时转矩为40～60 N·m，因此，采用模糊逻辑控制方法控制发动机转矩比电辅助控制发动机转矩经济性更高。

不同循环工况下汽车燃油经济性对比分析，如表4所示。由表4可知，采用2种不同控制方法的混合动力轿车在2种不同道路循环工况下燃油经济性有所区别。采用模糊逻辑控制下的汽车燃油经济性与电辅助控制下的燃油经济性相比，分别提高了10.1%和8.6%，因此，模糊逻辑控制方法的燃油经济性明显优于电辅助控制方法。即使采用同种控制方法，工作于不同循环工况下汽车的燃油消耗也不相同，主要是因为中国公交循环工况的平均行驶车速比较低，导致油耗增大。

表4 不同交通运行工况下的燃油消耗 L/100 km

3.3 不同储能装置的比较

对组合电源和单一蓄电池电源进行仿真分析，电池的充放电电流对比测试，如图6所示。

由图6可知，组合电源中电池的充放电电流比单一电池的充放电电流波动更小，因此，当超级电容引入混合动力汽车电源系统时，能够有效降低蓄电池的供电压力，同时避免蓄电池过大电流充放电带来的冲击和损坏，使蓄电池使用寿命得以提高。

4 结论

文章利用ADVISOR软件建立混合动力轿车模型，分别在UDDS和CHINA2种不同行驶工况下对电辅助控制方法和模糊逻辑控制方法进行仿真分析，仿真结果表明，采用模糊逻辑控制方法的综合燃油经济性优于采用电辅助控制方法。对组合电源和单一的蓄电池电源进行仿真分析，分析结果显示，组合电源中电池的充放电电流比单一蓄电池的充放电电流波动要小，有利于提高蓄电池的使用寿命和续能。