混合动力公交车动力系统模糊控制

王谦 何川 何飞

摘 要：石油资源属于不可再生资源，随着人们大量的开采和各种消耗，世界各国已经意识到石油资源被耗尽后，人们将要面对的能源压力。以及越来越强的环保意识都使得全球各汽车公司对新能源汽车的研发投入更多的人力物力。混合动力电动汽车将传统汽车的成熟技术与现有的工业基础相结合。文章中，对混合动力公交的模糊控制系统结构进行了研究，并对模糊逻辑控制进行了改进研究。

关键词：混合动力;公交车;模糊控制

现代，汽车及公共汽车是人们出行的主要交通方式之一，也是能源的主要消耗者。在中国，以北京为例，2005年全年石油在交通运输方面的消耗量占总消费量的45%，产生的污染排放量占总排放量的70%以上，交通事故造成的年度伤亡人数占各中大伤亡的首要位置。因此，有效改善和解决汽车燃料燃烧和尾气排放问题，对缓解城市和人民生活环境的能源压力，改善车辆排放污染具有十分重要意义。

近十几年来，电动，混合动力以及燃料电池汽车等新型车辆的陆续出现，有望在技术上实现这一目标。目前的汽车技术水平与发动机和电动机的混合动力驱动兼容。预计在短期内将出现能量消耗低，污染物排放少汽车的替代科学技术。

一、国内外混合动力公交车使用情况

在中国，城市公交车和私家车的使用情况有很大差异，主要归纳为以下三点：

（1）中国大部分城市公交车都有市政府补贴，公交车是否满足节约燃料和减少排放的要求，是政府考虑采购的重要原则。

（2）从技术角度来看，在城市条件下，公交车频繁启动，加速，制动和停放，都会导致燃料的大量消耗。值得注意的是公交车排放的尾气含有大量的一氧化碳，二氧化硫等有毒气体，不仅会对环境造成污染，而且对人体也非常有害。公交车的频繁启动消耗的燃料约占消耗总量的50%，那么降低公交车的燃油支出成本就有很大的发展空间。

随着石油的供应量日渐减少和由此造成的环境污染也越来越严重，而混合动力车辆具有耗能低，对环境污染小的优点，引起世界各国汽车厂家们的广泛关注。1990年，日本汽车制造商已将混合动力技术迅速发展，由丰田和日野两家公司共同开发的FCHV-BUS2型公共汽车是日本交通部批准的首款燃料型电池混合动力客车。1990年以后，许多发达国家都投入大量的资金与优秀的科研人员，着力研究和发展混合动力型车辆，目前已经取得了一些十分重要的科研成果。2003年，美国Tri-Met公司开始投入使用标准长度的串联混合动力型公共汽车，此后柴油-电动型混合动力公交车就受到人们越来越多的喜爱，同时在美国的其他城市也开始大量投入使用。

二、混合动力汽车分类及特点

具有两个以上的动力源，其中一个动力源可以释放出电能，这样的车辆被称为混合动力型电动汽车。混合动力汽车内部结构比较复杂，因此对混合动力汽车进行的分类也是多样的。目前，最主要的分类使根据混合动力车辆不同的驱动系统内部结构，分为串联，并联和混合三种类型。

其中串联式混合动力车辆的主要构成是：由发动机与发电机组成的发电机组，电池组，电动机以及发电机组通过配电装置连接，然后电动机驱动公交车行驶。

而并联式混合动力车辆在发动机和传动系统之间的机械连接的基础上，电池组-电机动提供的动力与原动力系统处的主电源合并。或者它是完全独立的，从发动机产生的力来驱动不同的驱动桥。混联式混合动力汽车结合了串联和并联的特性。SHEV布局方案结合了串联和并联两个方案的优缺点，具有最佳的综合性能。但是，系统庞大，传输系统难以安排。实现串口和并口支路之间的合理切换，因此，要求控制系统和相关的控制策略很高。

三、模糊控制系统研究及改进

能源减少，环境污染严重，为了改善这两种困境，全球各大汽车公司都或多或少的对电动汽车相关领域的进行了研究和发展。然而，因为科学技术和经济上的种种困难，纯电动汽车想要真正实现商业化，还有很长的一段路要走。由于采用了精湛的机电耦合科技技术和智能车辆控制策略，使得混合动力汽车技术发展相对来说还是比较成熟的。因此，日本和美国等许多汽车公司已经在远期市场推出了各种混合动力车辆的产品。总之，混合动力汽车相关的研究技术仍然处于一个起步阶段，最主要的科研技术能量分配和再生制动还是没有得到很大的提升与改变。然而，国内外专家普遍认为，混合动力电动汽车将很快在整个汽车行业中建立起来。

目前，国内外对车辆控制策略的研究包括：（1）动力辅助驱动;（2）神经网络;（3）自适应以及;（4）模糊逻辑四种控制策略。其中模糊控制是一种基于人们生活经历或活动经验教训而总结得到的一套的方法。该方法在计算机语言中总结出来，形成了基于生活经验和教训的的控制策略。本作者选择了模糊控制策略。

L.A.Zadeh教授提出了模糊集理论，该理论是为了描述和解决事物的模糊性和系统的不确定性，同时模糊人的模糊思维和决策推理。此后，模糊逻辑已广泛用于具有非线性和不确定性系统，复杂的控制。

（1）模糊化：选择合适的模糊控制器的输入，然后转换为系统能够识别的模糊量。具体步骤：首先，为了满足模糊控制要求，对输入量进行处理;其次，转化输入量尺度;最后，确定每个输入量相关的模糊语言的具体取值，隶属函数。

（2）规则库：科学家们具有扎实的理论知识与丰富的实践技能经验，以此为依据建立一个模糊规则库，里面含有大量的控制规则。这是从实际控制体验向模糊控制器过渡的十分重要的一步。

（3）模糊推理：在丰富的理论知识的基础上，来实施相关的推理与策略。

（4）解模糊：最后一部分，将模糊结论转化成精确输出。

模糊推理系统的组成结构示意图如图1所示，可以将模糊控制器简单的看作：输入到非线性映射的输入。理论上来说，只要有足够数量的规则，它就可以近似任何非线性映射来实现任何所需的控制功能。

根据模糊控制系统的输入变量数来说，可以将模糊控制器分为单变量和多变量两大类模糊控制系统。在大量的工程经验的基础上，进行合理的设计与优化策略就是并联电动辅助驱动控制策略。该策略对车辆的相关物理性能的优化能力是有限度的，实际发动机大部分时间都在一个效率较低的時间点工作。与此相比，模糊控制策略是一种在规则基础上的控制策略。这种模糊控制策略不再是简单是依靠系统的既定模式在运行，同时控制的相关自由度也得到了很大的提升，同时鲁棒性非常强，对复杂系统的控制非常有利，还可以减少许多其他控制策略出现的缺点与不足。

混合动力型车辆作为一种作为双能结构，电动机工作过程中的能量损失是二次转换能量损失主要因素。如果电机的工作点没有进行合理的改善与优化，那么电机的平均工作效率很可能会低于60%。但是，上述模糊控制策略没有考虑到电机的工作效率，所以有必要对原有的模糊控制策略进行有利的改进。

文章设计的模糊逻辑控制策略考虑了基于原始设计的起点的电机效率优化。模糊逻辑控制可以通过多个参数的输入并根据一定的规则从而进一步生成多个模糊规则。文章中的输入参数：输出参数为系数K，电机转速n，道路总请求转矩与发动机目标转矩之间的差值△T，电池的充电状态SOC。具体的控制策略如图2所示。

发动机的目标扭矩是在特定速度条件下将发动机的最小特定燃料消耗点与发动机在静态条件下的通用特性曲线连接的曲线，想要消耗更少的能量。由于速度的不同发动机的扭矩范围也是不同的，因此输入参数为差值△T。模糊控制器的输出系数主要由差值△T，电池SOC和电动机效率决定。

输出系数K的不同意义是改进的控制策略的最大优点。原始系数K表示发动机承受目标扭矩的份额，可以通过调节系数K来控制发动机的工作点。车辆驱动控制策略是混合动力车辆的关键技术之一。合理的控制策略应该是各种影响因素的优化与改善结果。改进系数K表明电动机应该要承受差动扭矩的份额。通过调节系数K这种方式，能够使发动机的工作点和电动机的工作点都能得到很好的控制。

四、结语

文章，对混合动力公交的模糊控制系统结构进行了研究，并对模糊逻辑控制进行了改进研究。由于研究受研究时间和研究条件的限制，有些研究需要进一步研究。此外，还要加强对控制策略相关基础知识与实践技能的学习，能够找到解决现阶段在理论研究和实际操作中问题方法。

参考文献

[1] 陈永东，钟绍华.混合动力电动汽车技术现状及发展前景[J].客车技术，2006.

[2] 王平.孙骏混合动力客车概述[J].客车长廊，2007.

[3] 黄振邦.吴森.混合动力电动汽车研究开发及前景展望[J].城市车辆，2007.

[4] 杨孝纶，刘晓康，汪斌.电动汽车技术发展趋势及前景[J].变频器世界，2007.

[5] 彭涛，陈全世并联混合动力电动汽车的模糊能量管理策略[J].中国机械工程，2003.

[6] 邓亚东，陈田俊，苏楚奇.并联混合动力驱动系统模糊控制策略研究[J].武汉理工大学学报，2007.

[7] 过学迅，张靖.混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真[J].武汉理工大学学报，2005.

基金项目：文章为重庆市职业教育学会科研课题的研究成果，项目编号：2017-ZJXH-19008。

作者简介：王谦（1989- ），男，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，讲师，研究方向：汽车电子技术新能源汽车;何飞（1995- ），男，重慶合川人，本科，重庆公共运输职业学院汽;何川（1996- ），男，重庆长寿人，本科，重庆公共运输职业学院汽。