太阳能混合动力电动汽车驱动系统及模糊控制

新能源汽车A版太阳能混合动力电动汽车驱动系统及模糊控制祁俊荣　钟绍华　(武汉理工大学)【摘要】　能源危机和环境污染是当今世界面临的两大问题,太阳能电动车将对解决面临的能源危机和环境污染具有重大意义。

受技术和天气因素的影响,需要将其和传统的发动机结合成混合动力电动汽车。

文章对太阳能动力电动汽车驱动系统进行简要设计,并对其控制策略进行简要分析,提出了一种变结构模糊控制系统。

【主题词】　电动汽车　混合动力　驱动系统 20世纪90年代以来,全球性的石油危机及大气污染使汽车的节能和环保性能日益得到重视。

特别对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言,汽车频繁起停造成的内燃机变工况(特别是低速怠速)运行是造成尾气排放严重、耗油高的主要原因。

环境保护呼声的高涨和石油储量日益短缺的压力,迫使人们重新考虑未来汽车问题,清洁、环保、节能和可再生的新能源汽车已成为世界汽车工业发展的热点。

相对于石油、天然气等不可再生能源而言,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的“绿色”可再生能源。

因此,本文设计了太阳能电机和内燃发动机混合驱动的太阳能混合电动汽车驱动系统,并对其控制系统进行了分析。

1　驱动系统构成及工作原理太阳能混合动力电动汽车驱动系统的结构如图1图1　太阳能混合动力驱动系统结构图 延,使车市流通业态有了一个很平稳的过渡,厂家和商家均有充足的时间双向选择。

2005年轿车市场的上述积极变化,为2006年轿车市场继续保持平稳增长打下了较好的基础;同时,下面的一些因素也将有利于汽车市场的健康发展:2006年是“十一五”规划的第1年,国家将继续保持宏观经济政策的连续性和稳定性,继续实施稳健的财政政策和货币政策,政策环境总体向好;国家继续执行“鼓励汽车进入家庭”的政策,私车市场将继续发展。

国家综合管理部门的收稿日期:2006-03-06智囊机构建议,2006年将实施“稳房促车”的消费政策;2006年我国的整车关税将降至25%,零部件平均关税降到10%;同时,还取消外资进入我国服务贸易领域的限制。

外资进入汽车分销、汽车信贷和融资租赁等领域,都将有利于促进我国汽车市场的规范发展。

据此我们预测,2006年国产汽车市场总需求有10%～15%的增长,达650～660万辆;其中轿车需求增长幅度为15%～20%,大约为320～330万辆。

(镭射)新能源汽车所示,其动力系统主要由内燃发动机、太阳能电池组、太阳能电动机和动力组合器组成,他们在各自的电控单元管理下协同工作。

太阳光照射在太阳能电池板(阵列)时,太阳能电池产生光伏反应,产生直流电,对负荷和蓄电池供电,电机控制器控制电机的运行。

发动机和太阳能电动机是两套独立的动力系统,这两套独立的动力系统并存,由变结构模糊控制系统进行控制。

保持发动机高效率、低排放地运转,对发动机进行起动-关闭的控制。

根据道路和天气情况用变速器改变车辆行驶速度和选择车辆的驱动模式:在车辆加速或爬坡时,及时控制电动机驱动系统,提供辅助动力;在城市道路低速行驶和天气情况比较好时,及时控制太阳能驱动模式,并对车辆的驱动模式进行自动转换。

2　整车控制系统的描述太阳能混合动力电动汽车的动力系统是一个双能源动力总成系统,包括太阳能电池、蓄电池、太阳能电机、内燃发动机等多种零部件,各部件之间通过电气动力总线实现物理连接。

其整车控制系统如图2所示。

其中,变结构模糊控制系统是整个控制系统的核心。

图2　太阳能混合动力电动汽车整车控制系统结构图因为整车控制系统的结构比较复杂,这里主要介绍变结构模糊控制系统的设计。

2.1　控制策略的选择由于太阳能电池的输出、蓄电池的自放电及负载(电机)特性均为不定量,难以建立精确的数学模型。

模糊控制策略是基于规则的即时控制策略,它不依赖于系统精确的数学模型,大大增加了控制的自由度,有很强的鲁棒性,在复杂系统的控制中十分有效。

故控制策略选用模糊控制策略。

2.2　变结构模糊控制系统的控制思想及构成一般车辆在各种工况下的模糊控制策略只利用系统的偏差和偏差变化率,而且在整个控制过程中,各变量的论域等级是固定的,控制规律也固定,因此它不但无法使整个控制系统的稳态偏差降到最小限度,而且系统动态品质较差。

若要提高控制精度,就要求控制系统能根据不同条件选择相应的控制策略,即设计出变结构的模糊控制系统,使其能最大程度地抑制系统的震荡,提高系统调节精度及鲁棒特性。

基于上述思想,提出一种基于太阳能混合动力电动汽车运行状态的变结构模糊控制系统。

它先根据车辆运行过程中的不同测量值,确定车辆当前所处的运行状态,选取控制策略,然后在不同的运行状态下根据系统的状态参数确定控制规则,以此来适应车辆行驶过程和环境的要求。

这种变结构的模糊控制系统,实质上是一种分层多规则集的模糊控制系统,其设计思想如图3所示,结构如图4所示。

图3　变结构模糊控制系统控制思想2.3　变结构模糊控制系统的控制规则集控制规则集的描述如下:(1)纯太阳能电动机工作模式当判别器检索到蓄电池里储存的能量足以满足当时汽车运行所需的能量要求时,判别器就做出由太阳能电动机单独工作的决策。

此时,车辆运行过程中的参数经模糊控制器1模糊处理及解新能源汽车图4　变结构模糊控制系统结构图模糊后,驱动电机通过传动系统和动力组合器能够独立地驱动车辆行驶。

(2)纯发动机工作模式当判别器检索到由太阳能转化过来储存在蓄电池里的能量很少,即此时蓄电池的S OC 值比较低时(该量有一个标准),车辆运行过程中的参数经模糊控制器2模糊处理及解模糊后,发动机通过传统的驱动系统和动力组合器带动驱动轮行驶。

(3)混合工作模式当判别器检索到蓄电池里储存的能量不足以满足当时汽车运行所需能量要求时,判别器就做出由太阳能电动机和发动机共同工作的混合工作模式的决策。

此时发动机节气门开度最大,太阳能电动机也输出最大动力,为发动机提供辅助动力。

车辆运行过程中的参数经模糊控制器3模糊处理及解模糊后,发动机的驱动力和太阳能电动机的驱动力在动力组合器中叠加带动驱动轮行驶。

(4)再生制动能量回收模式当车辆滑行、下坡或制动时,汽车是不需要能量的,因此发动机和电动机都是关闭的,若此时电池S OC 比较低,判别器就命令发动机工作,并驱动电动机给蓄电池充电,启动再生制动能量回收模式。

此时,车辆运行过程中的参数经模糊控制器4模糊处理及解模糊后,得到蓄电池充电电流及电动机扭矩大小。

(5)蓄电池充电模式当车辆不运行即静止不动时,判别器就做出蓄电池充电模式的决策。

此时,太阳光照射在太阳能电池板(阵列)上,太阳能电池产生光伏反应,产生直流电,对负荷和蓄电池供电。

此时,车辆运行过程中的参数经模糊控制器5模糊处理及解模糊后,得到此时蓄电池充电电流及充电量。

2.4　判别器判别器的工作目标是根据车辆输入参数决定车辆该以何种工作模式运行。

在进行判别前,首先根据车速传感器来获取车辆的行驶速度V che ;根据油门踏板和车速得到驾驶员需求转矩P d (通过驾驶员意图预测器得到);根据蓄电池当前储能状态和供应商规定的蓄电池极限功率约束得到蓄电池当前状态下所能输出的最大功率P b 。

其判别流程图如图5所示。

图5　判别器工作流程图驾驶员的意图预测器是通过驾驶员的输入信号和当前的汽车运行状况进行预测。

它通过车速、加速踏板行程及其变化比例,来反映驾驶员加速或减速时的转矩要求,因此其输入是车速、加速踏板行程和它的变化比率,输出为转矩。

确定其输入、输出隶属函数及推理规则,便可以得到驾驶员意图预测器。

其结构如图6所示。

2.5　各个工作模式下模糊控制器的设计思想(1)太阳能电动机工作模式的模糊控制器1该模糊控制器的的控制目标是确定该模式下电动机输出转矩、功率、转速及保持电池的充电平衡。

因此,其输入为车辆的速度和电池的S OC 状新能源汽车图6　驾驶员意图预测器态,输出为电机的输出转矩。

(2)纯发动机工作模式的模糊控制器2该模糊控制器的控制目标是确定该模式下发动机的输出转矩、功率及转速。

因此,其输入为车速和油门踏板,输出为发动机的输出转矩。

(3)混合工作模式的模糊控制器3该模糊控制器的控制目标是确定该模式下电机和发动机各自的输出转矩,进而确定他们的转速。

因此,其输入为踏板开度、踏板开度速率和电池的S OC状态,输出为发动机的节气门开度和电机的节气门开度。

(4)再生制动能量回收模式的模糊控制器4该模糊控制器的控制目标是保持整车的安全性和舒适性,回收更多的能量。

因此,其输入车速、制动踏板行程,输出为发动机给电动机充电的充电量,进而将充电电流转化为电机的扭矩。

(5)蓄电池充电模式的模糊控制器5该模糊控制器的控制目标是太阳能电池将太阳能转化为电能后存入蓄电池,使蓄电池得到更多的能量。

因此,其输入为太阳能电池的输出端电压和电流,输出的为蓄电池的充电量。

最后,确定各个工作模式模糊控制器的输入、输出隶属函数及推理规则,得到各个模糊控制器。

3　研究展望(1)尽管太阳能电池的光电转换效率低,天气等因素还远远达不到太阳能电动车适用标准,但太阳能电动车是最清洁、最有发展前景的绿色环保汽车,其推广是非常有前景的。

(2)电动汽车控制技术的不断发展,使智能控制方法的应用不断增多,虽然模糊控制等智能控制方法的运用使电动汽车的某些性能得到了优化,但无论是控制算法还是控制器的结构都有待进一步研究。

(3)由于电动汽车驱动系统结构复杂,影响系统性能的因素很多,而模糊控制方法又往往会受到人为因素的影响。

因此,合理地确定控制器的输入、输出参数以及处理输入、输出数据,对提高控制器的性能有重要意义。

(4)将模糊控制等多种智能控制理论与现代控制理论综合起来,可研制出性能更好、结构更简单的控制器,提高电动汽车的整车性能。

参考文献1　徐顺余.太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析.南京理工大学,2004.32　张　戎.太阳能车能量管理系统的研究.清华大学汽车工程系,19983　王　群等.并联式混合动力电动汽车模糊优化控制的仿真研究.系统仿真学报,2004.74　陈清泉,孙逢春,祝嘉光编著.现代电动汽车技术.北京:北京理工大学出版社,2002.25　陈清泉,孙逢春编著.混合电动车辆基础.北京:北京理工大学出版社,2001.116　何　平,王鸿绪编著.模糊控制器的设计及应用.北京:科学出版社,1997.1AbstractThe energy crisis and envir onmental polluti on are the t w o maj or p r oble m s nowadays,s olar hybrid e2 lectric vehicle means a l ot t o s olve these p r oble m s. Due t o the effect of technique and weather,s olar en2 ergy should work t ogether with traditi onal energy on the hybrid electric vehicle.I n the article,the design of the drive syste m on s olar hybrid electric vehicle and its contr ol strategies are intr oduced in brief.I n the end,a kind of variable-structure fuzzy contr ol is advanced.。