基于SIMULINK 的混合動力汽車動力切換控制仿真研究

□王 寧 郭家田

一、汽車運行工況分析

充分利用混合動力汽車兩動力源的優(yōu)勢，針對不同的動力需求，混合動力系統(tǒng)運行工況可分為純電動工況、純發(fā)動機工況、發(fā)動機/電動機混合驅(qū)動工況、發(fā)動機驅(qū)動電機發(fā)電工況、能量回收工況和停車充電工況，通過各工況的合理分配能夠提高車輛的燃油經(jīng)濟性、降低排放［1］。

車輛起步階段，若蓄電池SOC 值高于最低限值，以純電動起步并由電動機單獨驅(qū)動，若蓄電池SOC 值低于最低限值則采用傳統(tǒng)啟動方式;當車速達到足夠高時由電機啟動發(fā)動機，然后由發(fā)動機單獨驅(qū)動，發(fā)動機啟動后應(yīng)工作在負荷相對較高的高效率區(qū);當汽車處于巡航行駛狀態(tài)時，發(fā)動機的一部分動力可以用來為蓄電池充電;發(fā)電機在汽車減速或制動時回收部分能量為蓄電池充電。

合理設(shè)置混合動力系統(tǒng)的運行工況，通過提高電動機和發(fā)動機之間的配合，達到提高整車系統(tǒng)工作效率，在滿足汽車對動力性要求的同時提高其經(jīng)濟性［2］。

二、邏輯門限值控制的策略

限制蓄電池SOC 值并調(diào)節(jié)發(fā)動機工作條件，使發(fā)動機的工作點能夠圍繞其效率最高曲線波動［3］，同時保證蓄電池SOC值不超過規(guī)定的上下限值。

觸發(fā)器與節(jié)氣門相連接，電動機供電電壓可以通過改變節(jié)氣門的開度進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)電動機的輸出轉(zhuǎn)速使其符合電動機效率曲線，確保在電動機驅(qū)動時獲得較高的傳遞效率。

并聯(lián)式混合動力汽車的邏輯門限值控制策略為，當節(jié)氣門開度小于20%時，采用電動機驅(qū)動的方式。當節(jié)氣門開度大于20%時，切換到發(fā)動機調(diào)節(jié)區(qū)，由發(fā)動機驅(qū)動車輛［4］。當節(jié)氣門開度較大時，發(fā)動機需要盡快投入工作，確保車輛的動力性以獲得較快加速，在確保車輛獲取動力性的同時還要使發(fā)動機盡快達到其穩(wěn)態(tài)工作點，考慮汽車動力性需求的情況下以10km/h 作為動力切換值。當節(jié)氣門開度較小時，應(yīng)盡可能延長汽車電動機的工作時間，此時以汽車的經(jīng)濟性作為主要控制因素，發(fā)動機要避免在低轉(zhuǎn)速、高比油耗下工作，以25km/h 作為動力切換值。

三、模糊邏輯控制的策略

邏輯門限值控制策略在車輛起步階段，因為只有經(jīng)濟性與動力性兩個動力轉(zhuǎn)換控制點，駕駛員想要起步快一點的時候，例如節(jié)氣門開度在40%時可滿足駕駛員對動力性的需求，這時駕駛員就不得不將節(jié)氣門踩到60%以上，否則電動機與發(fā)動機的切換控制將以經(jīng)濟性為目標，仍然以油門開度為20%作為動力轉(zhuǎn)換的控制標準，此時車輛的動力性達不到駕駛員的需求，讓人產(chǎn)生汽車無力的感覺，而如果將節(jié)氣門踩到60%以上時，車輛的動力性超出了駕駛員的需求，超出的動力性必然會降低車輛的經(jīng)濟性。

門限值的模糊化能夠反映出兩個門限值之間存在的過渡區(qū)。模糊邏輯控制不再使用精確參數(shù)，改用模糊參數(shù)。門限值的模糊化使其控制更接近人的思維方式。本文所研究的模糊控制策略的建立是以上述門限值控制策略為基礎(chǔ)的，以節(jié)氣門開度和蓄電池SOC 值為參數(shù)來確定發(fā)動機和電動機的動力切換值。

當汽車節(jié)氣門開度小于20%，或者汽車節(jié)氣門開度在60%以上時，該模糊控制策略與門限值控制策略相同。當汽車節(jié)氣門開度小于20%，以汽車的經(jīng)濟性作為主要控制因素，以25km/h 作為動力切換值。當汽車節(jié)氣門開度大于60%，以汽車的動力性作為主要控制因素，以10km/h 作為動力切換值。

當汽車節(jié)氣門開度在20%到60%之間時，此區(qū)間采用模糊控制策略，隨著節(jié)氣門開度的增大，控制動力切換值由經(jīng)濟性向動力性偏移。

汽車在行駛一定的里程后，如果能夠保持電池的荷電狀態(tài)基本不變，能夠增加混合動力汽車的一次充電續(xù)駛里程。混合動力汽車的電動機只起怠速啟停和功率補償?shù)淖饔茫谄噭蛩傩旭倳r，由發(fā)動機單獨驅(qū)動;汽車在加速、爬坡和高速行駛時，所需功率較大，電動機輔助發(fā)動機驅(qū)動;汽車在制動減速時，發(fā)電機回收能量給蓄電池充電。為了提高蓄電池能量利用效率，保護蓄電池，要控制蓄電池的SOC 值在其工作要求范圍之內(nèi)。當蓄電池的SOC 值較低時，要使發(fā)動機盡快運轉(zhuǎn)并給蓄電池充電。如果蓄電池的SOC 值低于汽車啟動電動機的要求則取消電動機驅(qū)動。

四、整車及其傳動系統(tǒng)仿真建模

圖1 為混合動力汽車在低速擋工況下的整車仿真模型，以檢驗混合動力汽車由電動機驅(qū)動切換到發(fā)動機驅(qū)動的控制策略。仿真模型中發(fā)動機的油門開度信號直接取節(jié)氣門的位置信號。其中發(fā)動機和電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過轉(zhuǎn)矩修正模塊后輸入傳動系統(tǒng)。發(fā)動機和電動機的工作切換由動力切換控制模塊進行控制。

圖1 整車仿真模型

五、Simulink 仿真分析節(jié)氣門開度對轉(zhuǎn)換車速的影響

分別應(yīng)用邏輯門限值控制策略和模糊邏輯控制策略進行整車仿真，用圖1 中所示Simulink 仿真模型，蓄電池SOC 值取0．6，節(jié)氣門開度分別為30%和50%時，可得如圖2 所示的仿真結(jié)果。

圖2 不同節(jié)氣門開度下的車速仿真結(jié)果

六、結(jié)語

從仿真結(jié)果的車速變化可以發(fā)現(xiàn)門限值控制策略下電動機的工作時間相對固定，雖然節(jié)氣門開度由30% 變化到了50%，門限值控制的轉(zhuǎn)換車速并沒有變化。模糊邏輯控制策略下汽車的動力性得到加強，而且隨著節(jié)氣門開度的增加越來越明顯。節(jié)氣門開度由30%變化到50%時，模糊邏輯控制的轉(zhuǎn)換車速明顯降低，汽車的動力性更能滿足駕駛員的要需求。

［1］朱元，韓曉東，田光宇，陳全世．串聯(lián)式混合動力電動汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速新型PID 控制［J］．汽車工程，2001，12

［2］童毅．并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制［D］． 清華大學(xué)，2004

［3］明紹民．并聯(lián)混合動力汽車模糊邏輯控制策略的研究［D］．吉林大學(xué)，2007

［4］孫東野，秦大同．并聯(lián)式混合動力車輛動力轉(zhuǎn)換控制策略研究［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，1(25)