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无级变速混联式混合动力客车能量分配策略


第21卷第5期
2008年9月





公路





V01.21

No.5

China Journal of Highway and Transport

Sept?2008



文章编号:1001—7372(2008)05—0115-06

无级变速混联式混合动力客车能量分配策略
郭晋晟 ,王家明, 杨

林,卓斌

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

摘要:提出一种新型的混联式混合动力系统,该系统采用双电机结构,由大功率的主驱电机代替变 速箱实现无级变速。对于客车不同行驶工况的需求,通过整车控制单元改变自动离合器的开合状 态,从而实现混合动力系统在串联和并联2种结构间的转换。根据混联式系统的特点,建立了基于 模糊逻辑控制的能量分配策略,该策略以油门或制动踏板行程、主减速器输入端转速和电池荷电状 态(SOC)为输入来确定发动机和电机的输出转矩。仿真结果表明:模糊逻辑控制比逻辑门限值控 制更加适用于混联系统复杂的能量流;和串联或并联系统相比,该无级变速混联系统在降低客车的 燃油消耗方面具有明显的优势。 关键词:汽车工程;混合动力客车;模糊逻辑控制;能量分配;混联系统;无级变速
中图分类号:U469.7

文献标志码:A

Energy Assignment Strategy for Series-parallel Hybrid Bus with Variable Transmission
GU0
(School of

Jin—sheng,WANG Jia—ming,YANG
Power

Lin,ZHUO Bin

Mechanical

Engineering。Shanghai Jiaotong
hybrid

University,Shanghai 200240,China)

Abstract:A

new series—parallel

system was put forward,which adopted

structure

of

double motors and realized variable transmission by the high—power drive motor replacing the original transmission box.By the different demands of bus under driving cycles,the conversion of series
structure

and parallel

structure on

was realized by the changing

state

of automatic clutch for

bus control element.Based

fuzzy logic
or

control。energy assignment strategy was established

which took the travel of acceleration of battery
as

braking pedal,the rotary speed of final drive and the SOC

inputs

to

determine the output torques of internal combustion engine and motors.

Simulation results show that the fuzzy logic control is more suitable for the complicated energy flows of series-parallel system than logic contr01.Compared with series system
or

parallel of

system,the series-parallel hybrid reducing fueI consumption.

system with variable transmission has obvious advantage

Key words:automotive engineering;hybrid bus;fuzzy logic control;energy assignment;series- parallel hybrid system;variable transmission







分为串联式、并联式和混联式3类,其中混联式混合 动力系统综合了串联式和并联式结构的特点,使混 合动力的优势得到最大程度的发挥Ⅲ。

混合动力系统根据其动力总成结构的不同可以

收稿日期:2008—03—01 基金项目:国家重点基础研究发展计划(。九七三”计划)项目(2007CB209707) 作者简介:郭晋晟(1982一)。男,上海市人,工学博士研究生.E-mail:guojinsheng@situ.edu
cn。

万方数据

116



国公路学报

2008童

混合动力汽车普锐斯(PRIUS)使用的混合动 力系统(THS)采用行星齿轮实现混联结构。随后 相继出现双离合器的混联结构[2],双发动机的混联 结构以及双电机三离合器的混联结构等[3。],这些混 联方式结构复杂,成本也相对较高。 本文中提出一种双电机单离合器的混联系统, 由主驱电机代替机械变速箱与主减速器直接相连, 实现无级变速。自动离合器位于2个电机之间,控 制混联系统在串联结构和并联结构两者间进行切 换。由于混联系统的能量流比串联或并联系统更为 复杂,本文中在整车控制策略的基础上,针对混联系 统的结构特点建立了一种基于模糊控制的能量分配 策略。模糊控制E8-101是一种基于规则的智能方法, 采用模糊逻辑模仿人的思维,对非线性时变的复杂 系统有很好的控制效果,适用于混联式混合动力 系统。 1

根据发动机以及电机的试验数据,可以得到其 工作空间图谱和相应的等效率工作曲线(图2,其中 7为效率)。在客车行驶过程中,应使发动机保持在 高效率的工作区域内,通过对发动机工况点的优化 最大程度地改善客车的燃油经济性。






¥ 墩 癣 暴 蠡 越

发动机转自lt/(r?min。1)
(a)发动机



混联式混合动力系统
混联式混合动力系统由额定功率为132 kW的 r?min-1),额定功率为
300 N?m)




蓍一
H一

ICE发动机(最高转速2
30

300

kW的ISG电机(最大转矩370 N?m),额定功率

ISG电机转速/(r?rain-1)
(b)ISG电机

为90 kW的DMG主驱电机(最大转矩1

和自动离合器组成,其系统结构如图1所示。







匝盔卜—一囱 幽





DMG电机转速,(r?min-’1 (c)DMG主驱电机

圈1无级变速混联系统结构
Structure of Series-parallel Hybrid System with Vadable Transmission

Fig.1

图2
Fig.2

混联系统各主要动力部件等效率图谱
Equivalent Efficiency

离合器位于2个电机之间,当离合器分离时,由 主驱电机单独和传动系统相连,承担全部驱动转矩, 此时动力系统为串联式混合动力结构;当离合器结 合时,由发动机和主驱电机共同驱动客车行驶,此时 动力系统为并联式混合动力结构。ISG电机主要用 于启动发动机以及保持电池荷电状态(SOC)平衡。 大功率的主驱电机直接和主减速器相连,以取 代原有的变速箱。当客车的需求转矩发生变化时, 由整车控制单元(HCU)控制电机控制器,提高或者 降低主驱电机的输出转矩,以满足客车的行驶需求, 进而实现无级变速。主驱电机的最高转速为2
300

Maps of Main Dynamic

Components of Series-parallel Hybrid System

2能量分配策略
由于混联系统囊括了串联和并联2种结构(图 3),因而在客车行驶过程中其能量流动较为复杂。 客车的基本行驶工况包括启动发动机、加速助力、行 驶/停车充电、怠速停机、减速断油、制动回馈、纯发 动机模式、纯电动模式等。对应于不同的工况,混联 系统将分别采用串联或并联结构,并结合两者的特 点来满足混合动力客车的行驶需求。
2.1混联系统串联结构

r。rain_。,主减速器传动比为5.5,可实现客车最大 行驶车速80 km?h~。

混联系统在启动发动机、停车充电、减速断油、

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郭晋晟,等:无级变速混联式混合动力客车能量分配策略



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发动机所带动,在行驶过程中提供负转矩给电池充 电,用于保持电池SOC的平衡,不提供驱动转矩。 在并联结构下,ICE发动机,ISG电机和DMG
(a)串联结构

主驱电机的输出特性如下



LcE+TISG+TDMG=碾T,eh/i1

‰:∞配。=∞。MG一口咖怕。}
3模糊逻辑控制

心’

混联系统所采用的模糊逻辑控制共有3个模糊 输入变量,分别是客车需求转矩因子、传动系统瞬时 转速和电池SOC;以及3个模糊输出变量,分别是 发动机转矩因子、ISG电机转矩因子和离合器状态。 根据客车的行驶工况,可将客车的需求转矩范 围线性地分为8个部分(一2~6),其中负值表示制 动转矩,0表示客车的需求转矩为0。在行驶过程中 按照驾驶员指令(油f-I踏板或制动踏板行程变化)计 算客车总需求转矩,并根据所划分的8个转矩区间 来确定整车需求因子作为输入。离合器状态有结合 和分离2种,分别用1和0表示。 依照发动机和IsG电机的工作效率图谱,将发 动机以及ISG电机工作范围划分为6个部分,其中 0表示输出转矩为0,即发动机或ISG电机不工作。 计算所得的转矩因子经转矩还原模块后得到最终的 输出值。DMG主驱电机的输出转矩由式(1)或式 (2)计算得到。模糊控制结构如图4所示。

TDMG一垠氏/i1

兰T/=ic 0
TIS(;=一






油门踏板 制动踏板 主减速 嚣转速

蚋SG—cc,IcE

型睦口甓船 —爿熬劁藿鞣鼹
电池soc_J控制器I离合器状态I爆俣联l错鬣篱髫
圈4模糊逻辑控制结构
Structure of Fuzzy Logic Control

Fig.4

将所有的160条模糊规则记为Ki(i=1~ 160)。对应于每条规则的输入(图5),客车需求转 矩因子、传动系统瞬时转速及电池SoC分别用A、 B、C表示;相应的输出中。发动机转矩因子、ISG电

机转矩因子及离合器状态分别用占、口、于表示,则模
糊计算的过程如下: (1)模糊化函数,3个输入值通过模糊隶属函数 进行计算处理,得到相应的模糊输入

触(A)∈{一2,一l,0,1,2,3,4,5,6}1
阳(豆)∈{很低,低,中,高) 心(e)∈{很低,低,中,高,很高}

0 J

(3)

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国公路学报

2008生

口o=々——- I雎(a)da


I翠二(占)d占
J r

髓 唾 描


I陬口(卢)即
(6)

岛=≮———一
I坤(p)d』9
一 J


(a)客车需求转矩因子

y0=午—_


r一



1y脚(y)d7
I户i(7)d7

模糊输入及输出的隶属度函数以及部分模糊规 则的三维图谱如图5~7所示。

趟 噬0.5 描

-/(r?min 1) (b)传动系统瞬时转速













磊 (a)发动机转矩因子 瑙 唾0 描

毯 唾0 描


(c)电池SOC

图5模糊输入
Fig.S

F眦zy lnpu缸


(b)IsG电机转矩因子

(2)规则匹配,根据由模糊控制器计算所得的每 一条规则K,的执行次数来确定该规则的有效程 度。其有效程度陬确定如下

依=min{帆(A),pB.(B),/se,(C)}

(4)

(3)模糊推理,根据If-then语句确定的模糊规 则及其有效程度来修正规则所确定的结果。对于每 个模糊输出,各模糊规则K。推理所得的所有结果


通过式(5)组合为单一数值输出


(c)离善器状态
图6模糊输出

胨(品)=∑舭吐(占)
^=1 K

F嘻6
(5)

Fuzzy Outputs

坤(口)=∑依魄(声)
^=1 K

4仿真结果
基于Matlab建立混联系统仿真模型,选用中国 城市循环工况进行仿真试验,客车整车质量为
12 000

胁(y)=2j&∥瓦(y) 胁(于)=∑舢气(尹)
(4)采用面积重心法去模糊,从而得到最终的输 出值

kg,电池采用60Ah镍氢电池,初始SOC值

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郭晋晟,等:无级变速混联式混合动力客车能量分配策略

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为0.6,仿真步长为1 S。‘在中国城市工况下,最高 车速约60 km?h~,加减速的时间占全部工况的 60%左右,并且怠速时间较长,电机助力和回馈 频繁。 从图8可以看到,动力系统大部分时间采用串 联式结构运行。此时,离合器分离,由DMG电机承 担了全部的的驱动功率和制动功率,此时ISG电机 主要用于发动机的启动(启动转矩250 N?m)及提 供负转矩以保持电池SOC的平衡,发动机的工况点 保持在高效率区间内且运行平稳,发动机所提供的 功率全部用来驱动ISG电机给电池充电,此时的电 池既向DMG电机输出能量,同时又接受ISG电机 的输入能量。 当离合器闭合时,动力系统为并联式结构,由发 动机和DMG电机共同提供驱动转矩,而ISG电机 几乎无驱动功率输出。为平衡电池SOC,在加速过 程中发动机提供部分功率用于驱动ISG电机充电, 此时的电池既有能量输入,又有能量输出。 在制动过程中,无论是串联还是并联结构,由于 电池当前的SOC值偏低,除了DMG电机回馈的能 量之外,发动机同时也通过ISG电机进行充电,因 而在图8中出现了DMG电机输出负转矩,而同时 发动机输出正转矩的情况。 模糊逻辑控制适用于混联系统更为复杂的能量
图7模糊规则图谱


流。通过在不同典型城市工况下(中国城市工况、美 国城市工况UDDS、日本城市工况1015以及欧洲的

f 詈




糟 冀 稚o
4Ⅱ









耀



阶. 卜.,“1.。L
时间/s (a)中国城市工况


一2 上O

■Ⅲ ■ Ⅲ ■ ●且O一 —4 上0 一O

mⅢ川 Ⅲ 川 川Ⅲ 址
一6

n¨ ¨ ¨止∞ 1 ._-。_.-。.L . 。 . . 。 . L∞
.10 O _1

● ● l 一1 一l



时间/s (b)离合器状态

帅… 删枷
n¨ ¨ ¨ U吣



一● 一4 ,OO

时间/摹 (c)发动机转矩



目 Z










授 廓一




90 ∞
O O

时问/s ‘d)IsG电机转矩

时间/s (e)DMG电机转矩

时间,s 伍)电池sOc值

图8仿真试验结果 F晾8
Results of Simulation Experiment

ECE典型工况)的计算比对可得,模糊控制通过对 发动机工况点的优化,平均可降低百公里燃油消耗

4%~5%。

由于无级变速混联系统所采用的发动机和原发

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公路学报

2008年

动机相比有较大幅度的减小,并且混联系统能够有 效回收大部分制动能量,因而其燃油消耗和原客车 相比有较大幅度的降低。和纯串联式或并联式混合 动力系统相比,燃油经济性也有明显的改善(图9)。

统[J].华南理工大学学报:自然科学版,2001,29(8):
90一92. YU

Ming,LU0 Ytrtao,HUANG Rong—qing.A Kind

of Hybrid Electric Vehicle Driving of South China University of

System[J].Journal

Technology:Natural

Science Edition,2001,29(8):90—92.

[4]余群明,周

健,黄伟,等.基于CVT的混联式电动

汽车动力切换平稳性研究[J].汽车工程,2007,29
(3):216-219. YU

Qun-ming,ZHOU Jian.HUANG Wei,et a1.A
on

Study

the

Smoothness of

Power Switching in



Parallel Series Hybrid Electric Vehicle with

CVT[J].

固9
Fig.9

串联、并联殛混联系统燃油消耗对比
Consumptions Among Series-

Automotive Engineering,2007,29(3):216—219.

[5]殷承良.浦金欢,张建武.并联混合动力汽车的模糊转 矩控制策略FJ].上海交通大学学报,2006,40(1):


Comparisons of Fuel

Parallel and Series-parallel Hybrid Systems

157.162. YIN Cheng-liang,PU Fuzzy Torque



结语
(1)无级变速混联式混合动力系统集合了串联

Jin-huan,ZHANG Jian-wu.The
for Parallel of Shanghai Hybrid

Control Strategy

Electric

Vehicles[J].Journal

Jiaotong

式混合动力系统和并联市混合动力系统的优点,通 过对自动离合器的控制,在2种结构间自由的切换, 从而最大程度地发挥了混合动力在降低车辆油耗方 面的优势。此外,该混联系统还具有结构简单、性能 可靠的优点,适应于城市交通的需求。 (2)针对混联式混合动力系统更为复杂的能量 流动,建立了相应的模糊控制策略。仿真试验表明 该策略更加有利于客车燃油经济性的提高。 参考文献:
References:

University,2006,40(1):157—162.

[6]陈健,李彦,吴亚祥,等.混合动力电动汽车模糊 逻辑控制策略的研究与仿真[J].汽车工程,2006,28
(4):322-326. CHEN

Jian。LI Yan,WU Ya-xiang,et a1.Study and
on

Simulation brid

Fuzzy Logic

Control

Strategy for Hy— Engineering,

Electric

Vehicle[J].Automotive

2006,28(4):322—326.

[7]SKIA



A.混合电动车辆基础[M].陈清泉,孙逢春, HEV[M].Translated

译.北京:北京理工大学出版社,2001.
SKIA S A.Basis of by CHEN

Qigg-quan,SUN Feng—chun.Bering:Beijing Institute

[1]

杨宏亮,陈全世.混联式混合动力汽车控制策略研究 综述[J].公路交通科技,2002,19(1):103—107.
YANG Hong-liang,CHEN Hybrid System

of Technology Press,2001.

[8]LEE
oB

H D。KOO E S,SUL S K,et a1.Torque Control for


Quan-shi.Views
Operating

the

Strategy

Parallel-hybrid

Vehicle Using

Fuzzy

Combined

Strategies[J].

Logic[J].Industry
(6):33—38.

Applications

Magazine,2000,6

Journal of Highway and Transportation Research and
Development。2002,19(1):103—107.

[9]TERANO

T,ASAI K,SUGENO

M.Applied Fuzzy

[2]

熊志伟.基于双离合器式的混联式混合动力客车[J].
汽车科技,2006(2):14-16.
XIONG Zhi—wei.A Series Parallel Bus Based
on

Systems[M].New Do]SCHOUTEN


York:Academic Press,1994.

J,SAI.MAN

M A,KHEIR N A.

Hybrid

Electric Technol—

Fuzzy Logic Control for Parallel Hybrid IEEE Transactions
on

Vehicles[J].

Double

Clutch[J].Automotive

Control

Systems Technology,

ogy,2006(2):14—16.

2002,10(3):460-468.

[3]

俞明,罗玉涛,黄榕清.一种混联式电动汽车驱动系

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