CN101708722A - 基于模糊逻辑的串联式混合动力电动汽车整车控制方法 - Google Patents

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丁华杰
李俊杰
孙平
王云开
梁金广
董伟
何玲
刘乐
宫长明
李国良
李军
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Abstract

基于模糊逻辑的串联式混合动力电动汽车整车控制方法属混合动力电动汽车的控制技术领域，本发明根据专家控制原理、工程师经验，依据车辆工作区域特性和驱动电机的工作特性，将驱动电机的需求工作状态分为7个区域，依据动力电池的特性，将动力电池的工作状态分为7个区域，依据发动机的工作性能，将发动机的输出状态分为3-5个燃油经济和低排放点，采用模糊逻辑算法，以动力电池的荷电状态和驱动电机的需求功率为输入变量，并依据输入变量的变化输出发动机的燃油经济和低排放点，让发动机、动力电池和驱动电机工作在高效区；本发明可减少电池参与工作时间，减少能量传动链，提高整车节能效果、经济性和发动机排放性能，并延长整车及各部件寿命。

Description

基于模糊逻辑的串联式混合动力电动汽车整车控制方法
技术领域
本发明属混合动力电动汽车的控制方法技术领域，具体涉及串联式混合动力电动汽车整车控制方法。
背景技术
目前的串联式混合动力电动汽车能量管理方法分为两种：恒温式能量管理方法和功率跟随式能量管理方法。对于恒温式能量管理方法，其发动机的控制单元(ECU)控制发动机工作在一个恒定的工作点(瞬态工作时间忽略)，发动机拖动发电机工作为动力电池提供能量。当动力电池的荷电量(SOC)低于某一限定值时(一般为20％左右)，发动机开启为动力电池补充电量。当动力电池的荷电量高于某一限定值时(一般不高于80％)，发动机关闭。此控制策略的优点就是发动机工作在最优区，从而从源头上进行了节能，降低了整车的油耗和排放。但是由于该控制策略的能量链较长，分别通过发动机、发电机、动力电池、驱动电机、传动系统等，各部件的能量转化效率均小于1，故整体的节能效果并不明显。功率跟随式能量管理策略的控制原理是，当电池的荷电状态SOC在电池最高荷电状态与最低荷电状态之间时，发动机应该保持在一定的范围内输出功率；输出功率在保证车辆正常的行驶需要的同时，对电池进行充电，保证电池的最佳荷电状态。这里的输出功率被称为均衡功率。功率跟随模式主要侧重于控制电池始终保持在最佳状态，使电池处于有利的工作区域内，时刻对电池充电，使电池在设定的范围内以浅循环放电工作，保持电池的较高荷电状态。该策略由于减少了能量链，并保持了电池工作在高效区域，整车的经济性较好。但是由于发动机保持持续工作并且工作区域随着车辆的运行工况变化而变化，所以其排放性能与恒温式能量管理策略相比较差。
目前，在控制领域，随着控制理论的发展及其在现实中的应用，一些大型、复杂和具有不确定性的难以建立精确数学模型的系统，用原有经典的控制理论很难实现系统的有效控制。模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示并以模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。
发明内容
为了克服现有的串联式混合动力电动汽车两种控制策略存在的问题，即恒温式控制策略能量整车经济性差，功率跟随式控制策略整车排放性差等不足，本发明为一种基于模糊逻辑的串联式混合动力电动汽车整车控制方法。它根据专家控制原理，依据工程师的经验将驱动电机的需求工作状态(一般指需求功率)分为不等的若干点，将动力电池的工作状况(一般指荷电量)分为若干点，将发动机的工作状况分为若干个经济和低排放点，采用了模糊逻辑算法，它以动力电池的荷电状态和驱动电机的需求功率为主控制变量，以发动机的输出扭矩为控制变量，随着控制变量的变化，输出优化工况点发动机控制，让发动机、动力电池、驱动电机等部件工作在高效区，提高部件经济性，同时尽量减少电池参与工作时间，减少能量传动链，提高整车经济性，延长整车及各部件寿命，提高发动机排放性能。
本发明包括下列步骤：
1.将发动机2与发电机3连接，并经逆变器与驱动电机5连接，动力电池4经逆变器与驱动电机5连接，驱动电机5与车辆传动系统连接。
2.根据专家控制原理、工程师的经验、车辆工作区域特性和驱动电机5的工作特性，将驱动电机5的需求工作状态分为7个区域。
3.根据专家控制原理、工程师的经验、动力电池4的特性，将动力电池4的工作状态分为7个区域。
4.根据专家控制原理、工程师的经验和发动机2的工作性能，将发动机2的输出状态分为3-5个燃油经济和低排放点；其中3-5个燃油经济和低排放点需满足：1.每个燃油经济和低排放点必须使发动机2处在经济运行区域和低排放区域；2.所有燃油经济和低排放点的选择，需使发电量满足驱动电机5驱动车辆所有状态的要求。
5.采用模糊逻辑算法，以动力电池4的荷电状态和驱动电机5的需求功率为输入变量，以发动机2的输出状态为输出变量，并依据输入变量的变化输出发动机2的燃油经济和低排放点；由发动机2带动发电机3分别为驱动电机5和动力电池4提供能量，当处于发动机2经济和低排放点时，以发动机2工作为主；当处于发动机2经济和低排放点外时，以动力电池4工作为主，最终完成整车的驱动。
通过采用智能的模糊控制，以动力电池的荷电状态和驱动电机的需求功率为主控制变量，以发动机的输出扭矩为输出量，实现了发动机一直工作在燃油经济和排放优化的区域，从而从源头上实现了节能减排，同时通过控制发动机调整几个优化的工作点，有效地避免了电池深度放电和饱和充电，使动力电池一直工作在高效区，在减少能量二次传递损耗的同时，可有效增加动力电池的寿命；对于整车的部件，尽量利用发动机带动发电机，使能量直接传递给驱动电机，显著减少了能量传递环节，从整体上实现了节能。
本发明的有益效果在于：可减少电池参与工作时间，减少能量传动链，提高整车节能效果、经济性和发动机排放性能，并延长整车及各部件寿命。
附图说明
图1为串联式混合动力电动汽车结构示意图(含能量流动方式)
图2为串联式混合动力电动汽车电气元器件连接关系示意图
其中：1.车轮  2.发动机  3.发电机  4.动力电池  5.驱动电机  6.分流电阻  7.发动机控制器(ECU)  8.车辆控制器(VCU)  9.动力电池控制器(BCU)  10.驱动电机、发电机控制器(MCU、GCU)  11.混合动力电动汽车主控制器(HCU)  12.个人电脑  13.车辆监视器
具体实施方式
图1显示混合动力电动汽车主要由发动机2、发电机3、驱动电机5和动力电池4构成，它们以串联方式连接，整车工作时，主控制变量选为动力电池4的荷电量(SOC)和车辆的需求功率(或驱动电机5的需求功率)，由于发动机2的工作区域有着不同的优化区域，分别在发动机2的万有特性上选取三个比较优化的点(根据整车要求的不同及发动机2性能的不同选取的燃油及排放优化点数和具体位置不同)，然后根据控制变量的组合，控制发动机2工作在已设定的优化点。
动力电池4SOC值自20％至80％等分为七个点，驱动电机5的需求功率(Pm)也分为七个点(设为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB，分别对应的为负大、负中、负小、中、正小、正中、正大)。
在整车工作时，当动力电池4的SOC值较大(80％)时，若驱动电机5Pm为NB时，此时车辆需要制动，发动机2关闭，传动系统反过来拖动驱动电机5为电池充电；Pm为NM时，此时车辆需要较小的驱动力，发动机2工作在最小的工作优化点，以便减少能量传动链的同时避免为电池充电；Pm为NS时，车辆需驱动力加大，调整发动机2工作在如此需求功率相近的优化点，不足的部分由电池补充供能；依此类推。
当动力电池4的SOC值较大(70％)时，若驱动电机5Pm为NB时，此时车辆需要制动，发动机2关闭，传动系统反过来拖动驱动电机5为电池充电；Pm为NM时，此时车辆需要较小的驱动力，发动机2工作在适合的工作优化点，以便减少能量传动链的同时为电池充电；Pm为NS时，车辆需驱动力加大，调整发动机2工作在如此需求功率相近的优化点，不足的部分由电池补充供能；依此类推。
当动力电池4的SOC值较大(60％)时，若驱动电机5Pm为NB时，此时车辆需要制动，发动机2关闭，传动系统反过来拖动驱动电机5为电池充电；Pm为NM时，此时车辆需要较小的驱动力，发动机2工作在适合的工作优化点，以便减少能量传动链的同时为电池充电；Pm为NS时，车辆需驱动力加大，调整发动机2工作在如此需求功率相近的优化点，不足的部分由电池补充供能，依此类推。
动力电池4的SOC值一般情况不会低于50％，有且仅当连续Pm连续PM时，发动机2提供能量不能满足车辆需求，动力电池4连续为车辆供电，发动机2则工作在最大的优化点，为驱动电机5提供能量，与此同时，在Pm减小时迅速为动力电池4补充能量，依此类推。
图1中粗实线和粗虚线分别表示能量的流动方向。根据需要，能量的流动方式共有五种：
1.启动、低速行驶，以纯电动机5驱动，此时为了取得较好的尾气排放和燃料消耗率，发动机2关闭，能量从动力电池4流向驱动电机5，完成整车的驱动。
2.行车中动力电池4需要充电和车辆需要较大负荷或急加速时，发动机2和电池4同时工作，能量分别从发动机2、发电机3和动力电池4流向驱动电机5，完成整车的驱动需求。
3.车辆巡航行驶时，发动机2、发电机3直接给驱动电机5供电；能量从发动机2、发电机3传递给驱动电机5。
4.起步前和停车后若电池4SOC很低，驻车充电。能量从发动机2、发电机3流向动力电池4。
5.车辆刹车、减速时，发动机2关闭，驱动电机5反拖制动，给动力电池4充电，能量从车轮1传递给驱动电机5，然后传递给动力电池4。

Claims (2)

1.一种基于模糊逻辑的串联式混合动力电动汽车整车控制方法，其特征在于包括下列步骤：
1)将发动机(2)与发电机(3)连接，并经逆变器与驱动电机(5)连接，动力电池(4)经逆变器与驱动电机(5)连接，驱动电机(5)与车辆传动系统连接；
2)根据专家控制原理、工程师的经验、车辆工作区域特性和驱动电机(5)的工作特性，将驱动电机(5)的需求工作状态分为7个区域；
3)根据专家控制原理、工程师的经验、动力电池(4)的特性，将动力电池(4)的工作状态分为7个区域；
4)根据专家控制原理、工程师的经验和发动机(2)的工作性能，将发动机(2)的输出状态分为3-5个燃油经济和低排放点；
5)采用模糊逻辑算法，以动力电池(4)的荷电状态和驱动电机(5)的需求功率为输入变量，以发动机(2)的输出状态为输出变量，并依据输入变量的变化输出发动机(2)的燃油经济和低排放点；由发动机(2)带动发电机(3)分别为驱动电机(5)和动力电池(4)提供能量，当处于发动机(2)经济和低排放点时，以发动机(2)工作为主；当处于发动机(2)经济和低排放点外时，以动力电池(4)工作为主，最终完成整车的驱动。
2.按权利要求1所述的基于模糊逻辑的串联式混合动力电动汽车整车控制方法，其特征在于步骤4)中所述的3-5个燃油经济和低排放点需满足：1)每个燃油经济和低排放点必须使发动机(2)处在经济运行区域和低排放区域；2)所有燃油经济和低排放点的选择，需使发电量满足驱动电机(5)驱动车辆所有状态的要求。
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