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 oftheInsight 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 n1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trsetivs linear(M)花mux■>Ta JVDrtsii 住DemuxT►vt-h_tpd_iSumireq d ccaarsjl ynamig drag (hvetiid-E ： req d ： st end cf time-血p |im®tractive ferae ardr tu_iired of tire and wheel(NJ. g)tu1-e<r>c<yE 却 4 I "Tip h)1(Bate 32 snd<wti>B ,l tire slip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 f2』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 jdt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：2F vt = ——c DA fgmsin t F ft cos tmdu（3）2dt2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，Tm为发动机可提供转矩，Tacc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P TIC n rn r»c in "I bnTc ftOrtBCSCE?Edmm >-eianaw*f*c of n*rli m[Un-ITK>lQ(/[XM7l]ICril±lEp㈣rwto? centra.Il*rflgir jn^fa^frGLMT 1FrOiTi 畑炉WHOTffldT ON?◎W_CH%— nia ■ pwrflrtfrti «rr1iG> puww nec|!diniQ bus (W}essj3wr_cui_f]To 卿or!啊肚儒power avAi^teteTOtMJ^fW]□剂厂Dem LXwiBiL4 and tpMrl IPq d Bt rotor fNrr)irscL's^ti5WE|;ifA l<Hit2-C L-L^jpT ■寻I 霍砂+&rrpurI W IT=2 I 日!：廷;Bim 5 r-£ i sb E mon jr srcccr drl . E ~nrq LE IF pu I ZH 血sr WH-m crvQ torqj a, pd/W Id r ivE icy Lie end 沖oadsigil, d rat»C TI & iiiyul a巧3iniDtnipme. H" B I 匚|ph (wp*«>2^igav«hm ®55JWrj3ULF T D门-| W JW 〔」Ka_d |caul effScrta =4Ti ：n ； c gc>,匸;sdc*es£」2：ial 匚|| tui^cni8豁ch Ecd UnuTilr 芒汩ar tmtp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。