混合电动汽车模糊控制策略仿真分析

（研究生课程论文）
汽车动力学
论文题目：混合电动汽车模糊控制策略仿真分析
2014年1 月4 日
混合电动汽车模糊控制策略仿真分析
摘要:本文以ADVISOR软件中本田In sight的整车模型为研究对象，该车型搭载了ISG启动电机，是一款典型的并联式混合动力汽车。

文章首先对其主要模块：车辆动力学、发动机、电机和蓄电池的仿真模型进行了详细地数学建模分析。

然后基于后向仿真的原理在MATLAB/SIMULINK 环境中建立了模糊逻辑的
控制策略。

对ADVISOR软件进行二次开发，将建立的控制策略嵌入到ADVISOR操作系统中进行仿真测
试。

最后，在ADVISOR的GUI界面中选择1.0L、41kW的发动机和10kW的电机，选择典型城市道路循环工况
（UDDS ）对模糊控制策略进行性能仿真，验证该控制策略下车辆的动力性、燃油经济性与排放性能并记录仿真结果。

关键词：混合动力电动汽车、ISG、ADVISOR、控制策略、后向仿真
Abstract: The paper takes Honda In sight parallel hybrid electric vehicle （HEV） as the research subject, which is assisted by an integrated starter generator. We firstly mathematical modelingandanalyzing the main units of
theInsight vehicle simulation model （such as: the vehicle dynamics module, engine module, and motor controller module） in the ADVISOR software, the n formulates the Rule-based Con trol Strategy and the Fuzzy Logic Con trol Strategy in the MATLAB/SIMULINK environmentbased on the Backward Simulation principle. In order to embed the two control strategies into the operating system of ADVISOR, the paper redeveloped the ADVISOR2002 for the off-line simulation of the twocontrol strategies. Finally, we chose1.0L, 41kW engine and 10kW motor in theGUI in terface of ADVISOR, test the vehicle ' fuel economy, emissi on, and power performa nee in the UDDS con diti ons, and recorded the simulati on results in the table.
Keywords：Hybridelectric vehicle; ISG; ADVISOR; control strategy; backward simulatio n
1仿真软件MATLAB/SIMULINK 及ADVISOR的介绍
1.1 MATLAB/SIMULINK 简介
MATLAB的全称是矩阵实验室。

不仅具有强大的数值计算能力，它还可以提供了专业的文字处理、符号计算、实时控制和可视化建模仿真等功能。

SIMULINK是MATLAB软件下的一个模块，它主要是用来
对动态系统各种信号流进行建模、仿真计算和结果分析的MATLAB软件包。

SIMULINK在混合动力汽车模拟仿真过程中的主要作用是：利用提供的现有模块对混合动力系统近似
建模、仿真和分析，可以在设计之初，根据仿真结果对模型进行调整和修改，也对设计的参数选定有一定的帮助，对控制系统也能进行一定的优化。

1.2 ADVISOR 简介
ADVISOR是美国能量部为了便于管理一些关于混合动力的动力系统的项目在二十世纪九十年代基于
MATLAB开发的，并在1998年命名为ADVISOR⑴，ADVISOR的主要功能有以下几点：
（1）ADVISOR的主要功能是模拟各种汽车（传统汽车，电动汽车等）在整个循环工况中的车辆动力性能、经济燃油性指标以及排放指标，并具有强大的动力性分析、能量流分配分析、效率数据分析能力［2］。

（2 ）可用来对设计参数的优化匹配，包括整车质量、滚动阻力系数、变速比等，为优化整车及车辆
各部件参数提供一定的参考，也可输入动力性、燃油经济性等车辆指标，自动优化匹配车辆参数，如变速 器速比等⑴。

（3） 对于电动汽车，可以用来研究其控制策略及参数的匹配，
以及变速器换挡规律和车辆动力性能。

（4） 该软件的开放平台使出了在软件原有的车型外，用户可根据实际情况修改现有车型参数，以及 各部件模块等，建
立用户需求的车型，进行仿真分析。

2混合动力电动汽车主要部件建模分析
本文直接采用 ADVISOR 软件中自带的日本本田
In sight 单轴并联式混合动力电动轿车模型。

In sight
的动力系统以汽油机为主动力，电机为辅助动力，结构特点是发动机和电机在一根轴上混合。

在车辆启动 和加速时，辅助电机发挥了低速大转矩的优点，弥补汽油机低速、启动加速差的缺点；在减速和制动时电 机作为发电机，实现制动能量回收功能。

在车辆短时间停车时，发动机关闭取消怠速，在加速踏板踩下后 重新启动
［2］。

2.1车辆动力学模型
图1车辆动力学模型
该模块根据汽车动力方程 F = v ma
进行计算，其中合力包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度
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阻力。

该方程首先计算迭代步的加速度来计算所要求的后向驱动力，将迭代步骤开始处和末端处速度的平 均值作为平均速度。

汽车的实际速度可通过车速子模块计算出来。

车辆动力学顶层仿真模型如上图
1所示。

假设汽车在坡度为
t 的路面上行驶，可将整车视为一个整体，对其进行受力分析，如图
mg
图2车辆受力分析图
车辆驱动力设为F v ，空气阻力为F w ，爬坡阻力为F i ，滚动阻力为F f ，根据牛顿第二定律，不考虑 前后轴的负荷转移，则整车的驱动力需求为
F v t = F w t F i t F f t cos t F j (t)( 1)
其中滚动阻力F f t 与车轮负载、形式和结构有关，空气阻力、爬坡阻力、加速阻力和滚动阻力可表 示为[9]:
Fw(t)=^^C D A f
2
』F i
(t )= gmsin Y(t )
F f (t )=gm L 。

+%v 2(t )+c (2V 2(t )+c«3V 2(t )]
F j (t)=亦包
i j
dt
式中，为空气密度，v t 为车速，c D 为风阻系数， A f 为迎风面积，g 为重力加速度， m 为整车 质量，t 为坡度，亠，，…，：
3为滚动系数，：为汽车旋转质量换算系数。

由此得到整车的驱动力
为：
2
F v
t = ——c D
A f
gmsin t F f
t cos t
m
du
（3）
2
dt
2所示。

(2)
块和发动机燃油消耗及排放计算模块。

（1）发动机转矩计算模块
发动机转矩计算模块主要考虑惯性损失和附件负荷的影响，输出转矩通常按下列公式计算:
T out =max(T th ,mi n(「eq ,T max ))- T acc
式中，T out 为该模块的输出转矩，
T
m
为发动机可提供转矩，
T
acc
为附件转矩，T th 为节气门关闭时转
矩，T req 为需求转矩，T max 为发动机最大转矩。

（2 ）发动机转速计算模块
发动机的转速计算要考虑到离合器的状态、需求转速和发动机最大转速之间的关系。

该模块按照以下 几种情况分别对发动机的转速进行估算：
离合器为啮合状态，并且前一个时间步长的轨迹错过了，发动机的估计转速为前一个时间步长的发动 机速度值； 从松开离合器踏板，到离合器接合前，发动机的估计转速为需求速度与发动机可提供的最大转速中的 较小值； 从踩下离合器踏板，到离合器脱离前，发动机的估计转速根据节气门关闭后的扭矩和发动机的转动惯 量来计算； 除了以上三种状态以外，其他情况下发动机的估计转速均等于需求转速、发动机可提供最大转速、发 动机怠速转速三者的最小值。

（3）燃油经济性和排放计算模块
该模块计算发动机的油耗和排放：燃油消耗量为发动机燃油消耗率和发动机温度修正系数的乘积；单 位时间发动机排放为充分预热后发动机排放和温度修正系数的乘积。

2.2发动机模型
图3发动机仿真模型
发动机总成模型 （如图 3所示）还包括三个子系统，分别是发动机转矩计算模块、发动机转速估计模
(4)
TJ 日
图4电机仿真模型
电动机模型采用顺逆序相结合的计算方式，如 4,模型的功能为：在建模对象电机已知的情况下，根
据电机需求转矩和电机需求转速，在一系列性能限制的条件下计算出电机需求输入电功率和电机的功率转 矩特性。

在顺序计算模型中，根据电机实际输入功率在考虑电机热交换影响的条件下，计算出电动机实际 可得到输出转矩和输出转速。

2.4蓄电池模型
图5蓄电池仿真模型
ADVISOR 中的蓄电池内阻模型根据动力总线的功率需求计算蓄电池荷电状态
SOC,并输出可用功率。

功率损失是按内阻损失加上“库仑效率”定律确定的功率损失，自顶向下建立模型，如图 5。

对其中包含 的
子模块功能描述如下：
（1）电池开路电压和内阻计算模块：
2.3电机/控制器模型
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该模块根据给定的当前的SOC值和蓄电池的功率需求来计算单个电池的开路电压和内阻。

（2 ）功率限制模块：
蓄电池最大输出功率受：电池组总电压、电动机功率控制器允许最小电压、电池组最小可用电压三个
参数的限制。

蓄电池工作电压不能低于蓄电池最低电压和电动机最小驱动电压。

如果这两个极限都没有超
越，同时电压等于V oc/2，那么将输出最大功率。

根据公式（5）可计算出最大输出功率极限，其中V bus取V oc / 2、最小电动机控制电压和最小电池电压三者中的最大值。

P=V bus Voc严（5）
R
式中，V bus、V oc分别为电机最小工作电压和电池组开路电压，内电阻为R。

（3）电池负载电流计算模块：
该模块根据电功率的定义和基尔霍夫电压定律求解关于负载电流的二次方程。

（4）SOC计算模块：
通过一系列计算，可以得出荷电状态SOC的近似值，从而可以确定电池的剩余电量，这里涉及到的
“库仑效率”和电池最大容量均是电池温度的函数。

（5 ）电池散热模型：该散热模型可以预报车辆在行驶过程中和蓄电池在充电期间的内部平均温度和表面温度。

3模糊控制器的设计
车辆控制器是管理混合动力汽车的整车控制系统，其主要功能是控制动力系统和对整车能量进行管理，指挥各个系统的协调工作，在燃油经济性、整车动力性、污染物排放以及行驶的平稳性之间取得最佳的平衡。

模糊控制器的输出是通过观察的状态和控制过程的规则推理得到的。

该方法将操作人员或专家经验变
成模糊规则，然后对来自传感器的实时信号进行模糊化，经过模糊化处理后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，最后将推理得到的输出量加到执行器上。

模糊控制技术自适应性强，不依赖于精确模型，适用于混合动力汽车系统。

它可对发动机、电动机和蓄电池同时进行优化控制。

其中模糊转矩控制器的设计主要包括以下几个方面的内容：
（1）模糊控制器输入、输出量的确定；
（2 ）模糊变量隶属度函数的计算；
（3）确定模糊控制规则；
（4）模糊转矩控制器输出控制变量的求取。

图6为模糊控制器结构示意图
控制器结构示意图
(1 )输入输出和隶属度函数
根据模糊转矩控制器的设计目标和发动机的
MAP 图效率的高低，将模糊转矩控制器的输入变量确定
为：动力耦合处的整车需求转矩 T 、动力电池的荷电状态值 SOC 。

模糊转矩控制器的输出变量确定为发动
机的需求转矩命令 T r 。

将整车需求转矩 T 分成五个模糊子集：｛负大，负小，零，正小，正大 ｝，其论域限 定在 ［1，11］内，公式为:
51
1 ,
T eff
5(T ~T
eff )
6 ,
T max — T eff
其中，T eff 为当前转速下发动机的最优曲线转矩； T
max
为当前转速下发动机可提供的最大输出转矩。

类似地，根据SOC 的范围把电池SOC 也分成5个模糊子集。

五个模糊子集为： ｛过低，偏低，适中,
偏高，过高｝，论域限定在［1，11］内，公式为:
发动机输出转矩分为五个模糊子集：
｛-2，-1，0，1，2｝，论域限定在［1，11］内。

模糊推理 器
发动机 需求转矩
图6模糊
T 一 T eff
(6)
T ' T eff
10 (SOC-0.8) 11
0.8 -0.6
(7)
5OC
需求转矩T
模糊化
FIS Variables
模糊转矩控制器的输入端的转矩需求、电池 SOC 值以及输出端对发动机的转矩期望的各个隶属度函
数如图7所示。

根据仿真分析经验，输入语言变量和输出语言变量均采用梯形的隶属度函数，此种隶属度 函数运算简单，有利于提高运算速度且又能满足控制精度要求。

（2）模糊控制规则
模糊控制策略的控制规则设计与传统逻辑门限控制策略的控制规则设计方法基本相同，都是建立在对 被控对象的物理特性的理解和关于控制的工程经验基础上的。

控制知识的模糊化，需要用到输入输出的模 糊值分配，在输入论域上分配的模糊值越多，控制规则的细化程度就越高，但控制规则不宜过多，否则运 算量就会过大，影响运算的速度 ⑷。

模糊控制策略的基本控制规律是：
当电池SOC 值处于正常范围内时，车辆驱动转矩首先由发动机提供，只有当需求转矩超出了发动机 的最优转矩一定范围时，电机开始提供助力或者发电。

当电池SOC 值偏低时，发动机在尽可能的情况下提供比驱动需求更多的转矩为电池充电。

但当需求 转矩超过发动机可提供的最大转矩时，发动机不再有能力提供额外的转矩为电池充电，此时必须优先保证 车辆的行驶需求。

当电池SOC 值偏高时，车辆驱动转矩一般仍然由发动机提供，当需求转矩超过发动机最优工作曲线 时，发动机工作在最优曲线上，剩余转矩由电机提供，这样不仅可以保持发动机在高效区工作，同时也可 以使电池SOC 尽快回到正常范围内，当需求转矩超出发动机的最大转矩范围时，
当总转矩需求为负值时，由原来的逻辑门限值控制策略进行控制。

此时电机必须提供助力。

图7模糊转矩控制的输入、输出参数的隶属度函数
根据条件，建立“ IF — THEN ”型的规则库，模糊逻辑控制表如下表 1，将此表中定义的规则按照
MATLAB 中模糊逻辑控制模块的标准写入，最后保存为 fuzzyl .fis 文件。

表1模糊控制规则表
负大 负小 零 正小 正大
过低 0 0 1 1 2 偏低 -1 0 0 0 1 中 -2 -1 -1 -1 0 偏咼
-2 -2 -2 -2 -1 过高
-2
-2
-2
-2
-1
4 ISG 型混合动力汽车基于模糊的控制策略仿真结果分析
仿真技术在电动汽车的设计中具有关键的作用，它可以缩短设计周期，降低研制费用，提高汽车的性 能。

工程中常用的仿真方法有：后向仿真方法、前向仿真方法、
ADVISOR 勺混合仿真方法。

ADVISOR 本身含有In sight 车型的控制策略，如果要将第三章中所提出的控制策略嵌入到
ADVISOR
的整车模型中，并在其控制面板上面进行仿真。

既把所修改模块嵌入到
ADVISOR2002的GUI 界面中。

通
过这个界面可方便地配置汽车参数，进行汽车的性能仿真，修改后的仿真界面如下图
图8仿真界面
8所示:
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将基于模糊的控制策略模型与 ADVISOR 中In sight 整车模型结合进行离线仿真。

仿真采用 UDDS 循
环工况，SOC 初始值设定为0.7,所得仿真结果如图:
15C
图9需求转矩图
图10模糊控制发动机输出转矩图
图11模糊控制电机输出转矩图
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图13模糊控制仿真结果输出界面
由图9、10、11中转矩耦合装置输入端的需求转矩，以及发动机和电机的实际输出转矩可以看出：当需求负荷为正时，主要有发动机提供动力，在电池SOC满足要求的情况下，电机可以提供部分辅助力；当需求转矩为负时，若电池的SOC 小于限定的最大值，则主要有电机提供制动力，同时回收制动能量，
发动机提供部分制动力，符合其动力性能要求。

图12显示的电池SOC的最大值约为0.705,最小值约为0.665,波动为0.040,在整个循环过程中保扌寺在0.7左右，满足电池的寿命要求。

图13仿真结果输出界面可以看出该控制策略下的车辆百公里油耗为 4.7L/100km , HC排放为0.29g/km, CO的排放为1.115g/km , NO x的排放为0.173g/km , PM的排放为零。

符合HEV节能减排的设计初衷。

1 000 2000 3000
4000 5000 6000
Speed (rpm)
图14模糊策略下发动机工作区域
由图14中可以看出模糊控制策略下的发动机工作点整体向高效区移动， 且分布较为集中，一般在28%
左右。

说明模糊控制策略在控制发动机工作在高效区。

从图10、11中可以看出模糊控制的电机和发动机的输出曲线具有较好的鲁棒性，在加速和制动的过 程中，电机提供了较多地助力和制动力。

5结语
模糊逻辑是在多值逻辑的基础上发展起来的，多值逻辑首先突破了二值逻辑的两极性，承认真值的中 间过渡性，还认为事物在形态和类属方面具有亦此亦彼性、模棱两可性，或者说是模糊性
[5]
,相邻之间是
z
uel Converter Operation - Geo 1 .OL (41 kW) SI Engine - transient data
100
80
60 40 20 0
-20
-40
---- max torque cuive x output shaft
op. pts(ineludes inertia & accessories)
相互交叉和渗透，其真值也是模糊的。

它不依赖于精确的数学模型，门限值的模糊化更好地反映了各种控制模式之间存在过渡区这一客观事实。

因而理论上，控制效果更好。

另外，模糊控制技术特别在测量不精确和部件特性有变化的时候有很强的鲁棒性，控制性能稳定可靠。

6参考文献
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