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并联混合动力电动汽车的模糊能量管理策略


并联混合动力电动汽车的模糊能量管理策略 ——     — 彭 涛 陈全世

文章编号 :1004 - 132 Ⅹ( 2003) 09 - 0797 - 04

并联混合动力电动汽车的模糊能量管理策略
彭      涛 陈全世
     摘要 : 为进一步优化并联的经济性 , 增强其能量管理策略的鲁棒性 , 针 对高混合率

,分析了常用的发动机最优曲线能量管理策略的不足 ,提出了以 功率差 、 电池组荷电状态和电机转速为输入 ,以决定电机功率的比例系数为 输出的模糊逻辑功率分配策略 ,在线计算电机所应承担的功率 ,达到了优化 发动机工作点 、 电机效率和电池组荷电状态平衡的目的 。通过整车循环工 况前向仿真验证了该模糊策略对车辆经济性和工况适应性的改善 。 彭    涛 硕士研究生 关键词 : 电动汽车 ; 并联混合动力驱动系统 ; 能量管理策略 ; 模糊逻辑 中图分类号 :U469. 72. 02     文献标识码 :A    本文在研究发动机最优曲线控制策略的基础 上 ,提出了一种新颖的采用模糊逻辑进行功率分 配的 并 联 式 混 合 动 力 电 动 汽 车 ( parallel hybrid
electric vehicle ,PHEV) 能量管理策略 , 其控制目标 HWFET ( 平均车速 77. 581kmΠ 、 h 最高车速 9614kmΠ ) 工况由美国环保局推荐 , 分别体现了城市和公 h
?797 ?

路两种典型行驶条件的特征 , 常用于轻型载客车 辆的经济性评测 。

量和控制规则都不同于以往的研究 。仿真结果表 明 ,达到了进一步优化车辆经济性的目的 。

2  发动机最优曲线控制策略

1  PHEV 结构 、 工况及参数
PHEV 依其动力复合方式的不同分成转矩复

合式和转速复合式 。本文针对离合器置于转矩复 合装置前端的高混合率 的 PHEV 进行研究 。这 里提出的功率分配策略经过一定的修改也可用于 低混合率的 PHEV 。用于仿真的 PHEV 参数见表
1 。高混合率 PHEV 结构主要用于轿车或多用途
[1 ]

从静态条件下的发动机万有特性出发 , 将一 定发动机转速或一定负荷下的发动机最低比油耗 点连成曲线 ,即为发动机最优曲线 。 当 PHEV 的车速或功率需求达到一定的切换 值 ,车辆即从纯电动模式切换到以发动机为主的 混合驱动模式 。在该模式下 , 通常发动机工作在 发动机最优曲线上 , 其功率和车辆需求功率的差 值依靠电机来填补 , 只有当电池荷电状态 ( SOC)

车 ( multi - purpose vehicle ,MPV) , 其优化目标以燃 油经济性为主 。
表1  用于仿真的 PHEV 参数 整车总质量 电控汽油发动机功率 发动机经济区 感应电机最大功率 电机额定转速 氢镍电池组电压Π 容量 电池 SOC 工作区 电池组峰值功率
1600kg 10~25kW (2000~4000 rΠ ) min 25kW (7500 rΠ ) min 288VΠ6. 5Ah 0. 2~0. 9 > 20kW 3000 rΠ min 41kW (5700 rΠ ) min

   轿车和 MPV 要求车辆对各种常见工况都有 比较好的适应性 。为此 , 本文选用了 FTP - 72 和 HWFET 两种循环工况进行讨论 。FTP - 72 ( 平均 车速 31. 51kmΠ 、 高 车 速 91. 25kmΠ ) 工 况 和 h 最 h

收稿日期 :2002 — — 05 14

基金项目 : 北京市科委资助项目 (954061200)

不足或过高以及电机的填补能力不能满足整车功 率要求时 ,发动机的工作点才偏离最优曲线 。 从电池的能量效率和寿命出发 , HEV 的电池 都有一定的 SOC 工作范围 。此外 , PHEV 电池组 电量的维持要靠其发动机带动电机来发电 , 因此 能够 保 持 循 环 工 况 始 末 电 池 SOC 基 本 平 衡 是 PHEV 设计 , 尤其是整车能量管理策略设计的重 要原则 。对 SOC 的控制常采用 SOC 门限值和模 式切换点控制这两种方法 。SOC 门限值 ( 本文采 用的 SOC 下限 0. 2 和上限 0. 9) 限制了 SOC 的变 化范围 , 一旦 SOC 达到门限值 , 即强制充电以恢 复电量或禁止充电以保护电池 。模式切换点控制 则是在行驶中根据 SOC 的高低 ,动态调整纯电动 模式到混合驱动模式的切换点 ,SOC 低则减少纯 电动模式的使用 , 反之多使用纯电动驱动 。本文 中 SOC 对应的切换点车辆功率需求值见表 2 。以 上的 SOC 控制与按发动机最优曲线进行功率分 配一起构成发动机最优曲线能量管理策略 。

中国机械工程第 14 卷第 9 期 2003 年 5 月上半月 表2  纯电动到混合模式的切换功率
SOC
Pd ( kW)

模糊功率分配模块的结构见图 1 。
0. 9 8. 0

0. 2 1. 6

0. 3 1. 6

0. 4 3. 2

0. 5 4. 8

0. 6 5. 6

0. 7 6. 4

0. 8 7. 2

   发动机最优曲线策略从 PHEV 优化发动机工 作点的初衷出发 , 兼顾电池组 SOC 的平衡 , 是比 较直接和常用的 PHEV 能量管理策略 。然而这种 策略存在如下一些缺点 : ①PHEV 不需外部充电 , 其消耗的所有能量都来自发动机 。当车辆的需求 功率与最优曲线上的最优功率差别不是很大时 , 发动机工作点通过电机调节到最优曲线上所获得 的效率的提高不足以克服电机调节所需能量在转 换中的损失 ,此时采用最优曲线策略就是得不偿 失的 。定量分析这种得失比较困难 , 然而可以想 象 ,发动机工作点向最优曲线上下两侧适当延展 是可以减小整车油耗的 。 ② 最优曲线策略只以发 动机为优化对象 ,没有考虑其它部件 ,特别是电机 的效率分布 。本文采用的电机在高转速区 ( 转速 时有最高的效率 ; 而在低转速区整体效率较低 ,且 最高效率曲线位于中等偏小的负荷区 。电机的效 影响就越大 。 ③ 最优曲线策略在功率分配时并不
nm > 3000rΠ ) 整体效率高 , 且在中等偏大负荷 min

三个模糊输入分别如下 : ① 整车的需求功率 和当前发动机转速对应的最优曲线上的最优功率 的差值 ; ② 当前电池组 SOC ; ③ 当前电机转速 。模 糊输出为一比例系数 , 其与前面的功率差值相乘 得到电机应承担的调节功率 。发动机功率等于总 的需求功率减去电机的调节功率 。三个模糊输入 的语言变量和隶属度函数见图 2 。功率差的论域 范围和语言变量的个数根据整车最大功率 、 发动 机最大功率 、 发动机经济功率区和原先设定的模 式切换功率来选择 。其中负表示整车功率需求较 最优功率低很多 ; 零表示整车功率需求与最优功 率差别不大 ; 正小代表整车功率需求大于最优功 率较多但并不比发动机最大功率大很多 ; 正大则 表示整车功率需求很高 , 已经大大超过发动机最 大功率 。电池组 SOC 的正常范围与电池内阻最 低的范围基本重合 。根据电机效率和转速的关系 划分电机转速的语言变量 。各变量的隶属度函数 都选用梯形 ,便于参数的调整 。

率分布越不均匀 , 其工作点的控制对整车效率的 考虑电池 SOC 的高低 。当车辆达到预设模式切 换点的机会较少 , 而 SOC 又变化时 , 如长时间高 速巡航而电机间歇参与驱动 ,电池组的 SOC 会达 到门限值甚至在门限值之间振荡 。这既使电池远 制充电或禁止充电的低效率模式 。 离了其最佳效率区 , 也使车辆不得不频繁进入强

3  模糊逻辑功率分配策略

针对发动机最优曲线策略存在的缺点 , 结合

PHEV 能量管理系统的特点 , 在保留原有模式切

换策略的基础上 , 模糊逻辑被采用来建立新的混 合模式功率分配策略 。
3. 1   模糊逻辑的优点

模糊逻辑有以下优点 : ①可以表达 PHEV 控

制中难以精确定量表达的规则 , 如功率要求离最 优曲线较近 , 则尽量少用电机 。 ② 可以方便地实 现不同影响因素 ( 功率需求 、 、 SOC 电机效率等 ) 的 折中
[2 ]

。 ③鲁棒性好 。在 PHEV 的设计中 , 有模

型、 部件参数 、 测量值 、 工作条件或环境等大量不 确定因素 , 这使得 PHEV 的控制系统应有较强的 鲁棒性 。研究表明 , 模糊控制鲁棒性强的特点很 适合在 PHEV 中应用
?798 ?
[3 ,4 ]

图2  模糊输入的隶属度函数



采用 takagi - sugeno 模糊推理 , 输出隶属度类 型为常数 。模糊化使用单点模糊集合 , 清晰化则 使用加权平均法 。and 运算采用最小算子 ,not 运 算为求补 。模糊规则见表 3 。

3. 2   模糊功率分配策略

并联混合动力电动汽车的模糊能量管理策略 ——     — 彭 涛 陈全世 表3  模糊规则 条件 如果 (Δ P 是负) and ( SOC 是 not 高) 如果 (Δ P 是负) and ( SOC 是高) 如果 (Δ P 是零) 如果 (Δ P 是正小) and ( SOC 是 not 低) 如果 (Δ P 是正小) and ( SOC 是低 ) and ( 电机转 速是高) 如果 (Δ P 是正小) and ( SOC 是低 ) and ( 电机转 速是低) 如果 (Δ P 是正大 ) and ( SOC 是 not 低 ) and ( 电 机转速是低) 如果 (Δ P 是正大 ) and ( SOC 是 not 低 ) and ( 电 机转速是高) 如果 (Δ P 是正大) and ( SOC 是低 ) and ( 电机转 速是低) 如果 (Δ P 是正大) and ( SOC 是低 ) and ( 电机转 速是高) 结论
1. 00 0. 50 0 1 0. 50 0. 33 0. 67 1. 00 0. 33 0. 50

图3  发动机最优曲线策略的发动机工作点

   可以看出 ,模糊规则的核心如下 : ① 当功率差 为零时 ,说明功率需求点处于发动机最经济区 ,这 时不用电机进行工作点的调节 ; 而当功率差较大 时 ,使用电机将发动机工作点调至经济区甚至最 优曲线上 。 ②SOC 偏离正常区域 , 则相应增加充 电或用电负荷 ,尽量使 SOC 恢复至正常区 。 ③ 电 机转速较高时 ,可以增加电机调节的功率 ; 反之使 电机工作在中等偏小负荷 。模糊规则的制定主要 根据对 PHEV 工作原理的理解和在仿真 、 试验中 获得的经验 。

图4  模糊能量管理策略的发动机工作点

4  仿真结果
4. 1   FTP - 72 城市工况的结果

( a) 发动机最优曲线策略  ( b) 模糊策略

图5  电机效率的时间比例

将原有的发动机优化曲线策略和新的模糊逻 辑策略都放入在 matlabΠ simulink 中建立的 PHEV 整车前向仿真模型中 , 模型和其余控制参数完全 相同 。仿真车速均能够顺利跟踪 FTP - 72 工况的 目标车速 。 两种策略在 FTP - 72 工况下的发动机工作点 见图 3 和图 4 。可以看出模糊策略既使发动机工 作点向最优曲线两侧延展 , 又保证大多数工作点 集中于发动机经济区 。这是我们预期的效果 。 两种策略在此工况下的电机效率对应的时间 比例见图 5 。可见模糊策略使电机更多的时间处 于效率较高的区域 。 两种策略在 FTP - 72 工况下均能在不达到电 池 SOC 门限值的情况下实现工况始末 SOC 的平 衡 。经过一个 SOC 平衡的 FTP - 72 工况 , 最优曲 线策略总的充电能量约为 5. 53MJ ,而模糊策略总

的充电能量仅为 4. 79MJ 。这说明模糊策略减少 了电机的使用 , 相应便减少了能量在转换过程中 的损失 。仿真的 SOC 平衡油耗 ( 不开空调 ) 为最 优曲线策略 7. 93LΠ 100km ; 模糊策略 7. 64LΠ 100km , 经济性提高了 3. 7 % 。 4. 2   HWFET 公路工况的结果 在 HWFET 公路工况下 , 由于整车功率需求 持续较高 ,最优曲线策略仅依靠模式切换点的调 节来控制 SOC 就使得 SOC 持续下降至低门限值 0. 2 。此时 ,车辆不得不强制全力充电 , 这既造成 发动机满负荷的油耗上升 , 也使车辆遇到瞬时大 功率需求时无法使用电机辅助动力 。当连续几个 HWFET 工况时 ,电池组 SOC 便出现在门限值之间 “振荡” 的情况 ,见图 6 中曲线 1 ,SOC 在 0. 2 和 0. 5 ( 强制充电结束标志) 之间 “振荡” 。而模糊策略则 由于有功率分配上的变化使得 SOC 在不达到门 限值的情况下获得平衡 ,见图 6 中曲线 2 。这反
?799 ?

中国机械工程第 14 卷第 9 期 2003 年 5 月上半月

文章编号 :1004 - 132 Ⅹ( 2003) 09 - 0800 - 04

精细积分法在车辆动力学仿真中的应用
彭    栋 殷承良   林柏忠   郭孔辉
     摘要 : Euler 积分方法在解决具有刚性问题的微分方程时不能够很好地 满足车辆动力学仿真的需要 。采用精细积分法 ,将其应用于纯侧向车辆动力 学模型中 ,并与相同工况下 Euler 积分方法的仿真结果进行了比较 , 解决了 Euler 积分方法在车轮低转速 、 积分大步长的情况下无法得到稳定仿真结果 的问题 。 关键词 : 车辆模型 ; 刚性 ; 精细积分法 ; 仿真 中图分类号 :U461. 6     文献标识码 :A    当汽车处于启动 、 、 制动 突然转向等行驶工况 时 ,非稳态轮胎模型微分方程的刚性问题 会表 现得比较突出 ,这时候如果采用 Euler 积分方法进 行车辆动力学仿真计算 ,得到的仿真结果将会
收稿日期 :2002 — — 01 14
[1 ,2 ]

彭    栋 博士研究生

是不稳定的 ,这主要是因为 Euler 积分方法本身的 收敛性是有一定条件的 ,即 | 1 + λ ,2 h | < 1 ,这一 1 求解稳定性条件满足与否直接受到非稳态轮胎模 型微分方程刚性的影响 , 解决这一问题的办法是 缩小积分步长 h ,使求解稳定性条件得到满足 ,但 -4 是积分步长不可能太小 ( 一般认为 h = 10 s 可以 率需求 、 电池组 SOC 和电机效率的模糊逻辑能量 管理策略被提出 。 (3) 在两种典型循环工况下的整车运行仿真 结果表明 ,新的模糊策略较之原有最优曲线策略 有更好的经济性和对不同工况的适应性 。
参考文献 :
[1 ]   杜兴山 . 并联混合动力电动汽车动力系统的建模与

映了模糊能量管理策略较 “发动机最优曲线” 策略 对于不同工况有更强的适应性 。

仿真 : [ 硕士学位论文 ] . 北京 : 清华大学 , 2000
1. 发动机最优曲线策略的 SOC 振荡 2. 模糊策略的 SOC 平衡

[2 ]  Salman M , Schouten N , Kheir N. Control Strategies for can Control Conference , Chicago , 2000 Parallel Hybrid Vehicles. Proceedings of the 2000 Ameri2 Transactions on Industrial Electronics , 1998 , 45 (4) : 625 ( 编辑   马尧发)

图6  两种策略下的 SOC 变化

[3 ]  Wang A , Chen Y, Zhang R. A Novel Design of Energy

5  结论

比较两种策略在多个连续 HWFET 工况下的 SOC 平衡油耗知 , 最优曲线策略 6. 50LΠ 100km , 模 糊策略 6. 18LΠ 100km , 经济性提高了 4. 9 % 。可见 在 SOC “振荡” 情况下的多次强制充电是很不经济 的。 理策略的基础上 ,一种鲁棒性更强的兼顾整车功
?800 ?

Management System for Hybrid Electric Vehicles Using hicle Symposium , Berlin , 2001

[4 ]  Lee H , Sul S. Fuzzy - Logic - Based T orque Control

Strategy for Parallel - Type Hybrid Electric Vehicle. IEEE

~632

(1) 整车能量管理策略对混合动力电动汽车

的性能有很大影响 , 合理的能量分配应当是多种 影响因素的优化结果 。 (2) 在常用的 PHEV 发动机最优曲线能量管

作者简介 : 彭   ,男 ,1977 年生 。清华大学 ( 北京市   涛 100084) 汽 车工程系硕士研究生 。研究方向为电动车与混合动力汽车系统
1945 年生 。清华大学汽车工程系教授 。

建模仿真 、 控制策略及参数匹配 , 发表论文 2 篇 。陈全世 , 男 ,

Evolutionary Comutation. Proceedings of 18th Electric Ve2

CHINA MECHANICAL ENGINEERING Vol. 14 ,No. 9 ,2003 the first half of May been adjusted according to the length of elements edge that con2 tained the node. It not only simplifies the program , but is reason2 able as well. The program is stable and can be used to obtain the blank shape of a square cup with high precision effectively and rapidly. Key words :finite element   stamping    yielding rule    sheet metal forming    blank sults of forward - looking vehicle driving cycle simulation have shown the potential improvement of fuel economy and flexibility to different drive cycles. Key words : electric vehicle    parallel hybrid powertrain    energy management strategy    fuzzy logic Application of Direct Time Integration in Vehicle Dynamic Simulation   Peng Dong ( Shanghai Jiaotong University ,Shang2 hai , China ) Y Chengliang   in Lin Baizhong  Guo K onghui  p 8002803 Abstract : For Euler integration method cannot satisfy the need of vehicle dynamics simulation when the stiffness differential equation is to be solved. In this paper ,a Direct Time integration method is put forward which is applied to treat the lateral vehicle dynamics model. Comparing the simulation results with that ob2 tained by Euler integration method under the same conditions , the problem is solved that using Euler integration method ,the steady simulation results under high integration interval and low wheel speed are not obtained. Key words : vehicle model    stiffness    direct time in2 tegration    simulation

Numerical Simulation of Grain Evolution During Isothermal Forging of a TC6 Titanium Alloy    Xiong Aiming ( North2 western Polytechnical University , Xi ’ ,China )   an Lin Hai   Li Miaoquan p 7912794 Abstract : In this paper , isothermal compression tests were conducted on Thermecmaster - Z , with 800~1040 of deformation temperature , 0. 001~ 50 of strain rate and 50 % of reduction in hight. Grain size of phase was measured on Leica LABOR LUX12MFSΠ microscope for quantitative metallography with ST QUANTIMET 500 software of image analysis. According to the present experimental results , constitutive relationship of the TC6 alloy was established and a model for microstructure evolution with the help of Yada ’ equation was investigated. Combining s FEM and the present model for microstructure evolution , grain evolution phase is simulated during isothermal disk forging of TC6 alloy. The present results illustrate grain size and distribution of phase during disk forging of TC6 alloy in detail. The simulation results show that height reduction , temperature and strain has more significant effect on grain size of phase than that of friction between deformed body and die. Key words :titanium alloy disk    forging    grain size     simulation A Fuzzy Energy Management Strategy for Parallel Hybrid Electric Vehicles    Peng T ( T ao singhua University , Beijing , China)   Chen Quanshi p 7972800 Abstract :Multi - energy - source Powertrain Energy Man2 agement Strategy is one of the key problems in research on hybrid electric vehicles ( HEV) . T further improve the fuel economy o and robustness of energy management strategy of parallel hybrid electric vehicles ( PHEV) , the shortage of the ” Optimal Engine Curve”energy management strategy in common use for PHEV is analyzed. Based on that , a fuzzy logic power split strategy , with the difference between desired vehicle power and ” engine optimi2 zation power” the state of charge of the batteries and the motor , speed as inputs and a scaling factor of motorΠ generator power as an output , is presented. A set of fuzzy logic rules has been de2 veloped to determine the motorΠ generator power target value coor2 dinating the engine operating points. The engine operating points , motor efficiency and balance of battery SOC are optimized. Re2 6

Research on Cryogenic T reatment on the Properties of W9Mo3Cr4 V cutting tools     Zeng Zhixin ( South China Univ. of T . , Guangzhou ,China )   Y  Zhou Zhibin   ech Li ong Zhang Yang p 7942796 Abstract : In the paper , HSS ( W9Mo3Cr4V ) cutting tools treated in an ultra - low temperature equipment controlled by computer were studied. Wear resistance and hardness of the treated tools were compared with that of the untreated ones ,in the meantime , their microstructure changes were also studied. The results show that deep cryogenic treatment can improve micro2 structure and increase hardness of the cutting tools ,and enhances their wear resistance. Finally , the changing mechanism is ana2 lyzed. Key words :deep cryogenic treatment       tool wear re2 sistance    Matensite

Research Survey and Development T endency of Wire - Driv2 en Parallel Manipulators   Zheng Yaqing ( Huaqiao Universi2 ty , Quanzhou ,Fujian ,China)   Xiongwei p 8082810 Liu Abstract : Wire - driven parallel kinematic manipulators ( PK ) have been given more and more attention in the last two Ms decades , due to their advantages comparing with strut supported PK ,such as simple structure , low apparent massΠ Ms inertia ,large workspace and high speed. Research on wire - driven PK Ms throughout the whole world was surveyed in this paper. Thereafter the authors research about mechanism configuration ,workspace , stiffness and actuation redundancy of six DOF wire - driven PK Ms in the past two years was presented. Then the promising applica2 tion and development tendency of wire - driven PK has been Ms analyzed. It was pointed out that it is potential to introduce wire - driven PK to the following applications , such as crane ro2 Ms bots , force - reflecting devices and haptic devices in virtual reali2 ty , large - scale motion simulators , giant steerable radio tele2 scopes , super - high speed robots ,light parallel robots with large - scale workspace ,and scale models for wind tunnels. Moreover , the future research on issues such as workspace analysis ,dynam2 ics and motion control scheme were discussed in detail. Finally , the authors research planning on wire - driven PK in the near Ms future was described. Key words :wire - driven    parallel kinematic manipula2 tor    research survey    development tendency

Overvie w of Research on Mathematical Modeling of Deep Penetration Laser Welding    Xiong Jiangang ( Huazhong Uni2 versity of Science and T echnology , Wuhan , China )  Hu Qiang   Zhiyuan   Li Wang Liqun   Duan Aiqin   8032807 p Abstract : The interaction of laser beam with the target ma2 terials is a complex , multi - dimensional , multi - parametric phenomenon. Numerous studies have been performed in the past decades by using either analytical or numerical approaches , or both combined. In this paper , the state - of - the - art of the re2 search on modeling of deep penetration laser welding is reviewed. Some different types of mathematical models are introduced , as well as the modeling methods are discussed. Key words : deep penetration laser welding    mathemati2 cal model    keyhole    molten pool


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