【摘要】 为节约能源、降低排放，油电混合的混合动力汽车得到大力发展，作为电机的储能装置，传统的蓄电池功率密度低、循环寿命短，制约着混合动力汽车的发展。文章针对城市中运行的传统小型客车，首先根据整车的性能完成了电机和复合电源储能装置的匹配设计，通过 DC-DC 模块实现复合电源的功能，从而利用超级电容“削峰填谷”的特性，降低了频繁充放电对蓄电池性能的影响。其次，设计了基于发动机效率的模糊控制器，协调发动机与电机的转矩分配，实现发动机在高效区运行。最后，将各模块嵌入 ADVISOR 软件中，在城市工况下对整车性能进行仿真试验，验证了文章提出的基于模糊控制策略的复合电源后轴驱动混合动力客车的性能。
【关键词】 复合电源 超级电容 模糊控制 ADVISOR 软件 混合动力
0 引言
随着全球能源短缺、人们对于环境问题日渐重视，环境保护与新能源开发问题逐渐成为世界各国重点关注的热点[1]。在这种形势下，汽车行业对新能源汽车技术的研究大力发展，混合动力汽车已经成为解决环境问题和能源危机的重要方向[2]。传统混合动力汽车多采用单一蓄电池作为电源，蓄电池存在重量大、功率密度低、快速充放电困难、循环寿命短等缺点，制约了混合动力汽车的发展[3]。超级电容器则具有比功率大、充放电迅速、寿命长等优点，将其与蓄电池并联，构成复合电源系统，既能发挥两者比能量和比功率的优势，又能利用超级电容“削峰填谷”的特点缓解大电流对蓄电池的冲击，从而延长电池的使用寿命，提高混合动力汽车的性能[4-7]。
提高混合动力汽车的燃油经济性和排放性是混合动力汽车研究的重点和目标，其一方面取决于多动力源系统各部件的效率提高，更取决于整车的能量管理策略( 亦称为控制策略、能量分配策略) 。作为智能控制之一的模糊逻辑控制，以模糊控制器为核心，协调车辆各部件的能量流动，是一种有效的控制技术，能够使整车的性能达到最佳[8]。邓国红在《ISG 混合动力电动汽车的转矩控制》一文中以发动机需求转矩与当前最佳效率转矩的比值和蓄电池 SOC 作为输入，以电机转矩作为输出设计了模糊逻辑控制器[9]; 付主木在《并联式混合动力汽车模糊控制策略及优化研究》一文中以混合动力汽车总需求转矩和蓄电池 SOC 为输入，发动机需求转矩为输出设计了模糊控制器[10]; 鲁子卉在《混合动力电驱动系统的模糊控制策略研究》中以电池 SOC 和车辆负载功率为输入，发动机目标功率为输出设计了模糊逻辑控制器[11]; 李峰在《混合动力履带车辆能量分配控制策略研究》中以电机的需求功率和电池 SOC 为输入，发动机目标功率为输出设计了模糊逻辑控制器[12]; 吴海啸在《混合动力汽车的控制策略优化研究》中以电机转速、蓄电池 SOC 和整车需求扭矩与发动机最佳扭矩的比值为输入，发动机目标扭矩为输出设计了模糊控制器[13]。
本文的目标是建立具有复合电源系统的后轴驱动混合动力客车，设计基于模糊规则的能量管理策略来验证整车性能。首先，建立了客车的后轴驱动仿真模型，根据客车的性能要求，完成了电机和动力电池的匹配计算及建模。其次，设计了蓄电池 - 超级电容的复合电源系统以及 DC-DC 双向变换器，实现复合电源的功率分配。再次，根据整车性能要求和行驶工况，建立基于发动机效率的模糊控制能量管理系统，实现整车能量分配。最后，将建立的整车模型、复合电源模型和能量管理策略嵌入 ADVISOR 软件，进行整车性能仿真试验，验证了控制策略的有效性。
1 混合动力客车动力参数匹配及建模
1. 1 客车后轴驱动建模
以某小型客车为原型，设计混合动力客车，并对其进行参数匹配和建模。该客车原有参数如表 1 所示，其发动机参数如表 2 所示。
按照并联混合动力汽车的结构，根据发动机的参数及其外特性曲线和万有特性曲线，编写 M 文件，建立该客车的发动机仿真模型。由于 ADVISOR动力驱动形式为前轮驱动，而该客车采用后轮驱动，因此在 ADVISOR 软件中需要对牵引力控制模块进行后轴驱动的再开发，主要对其中两个模块进行重新设计与计算: 其一为汽车牵引力控制模块，主要限制牵引力不超过轮胎与地面的附着力; 其二为整车速度不能超过其最大牵引力所提供的最大车速[14]。如图 1 所示为建立好的牵引力控制模块。
1. 2 混合动力客车电机匹配
混合动力客车整车动力源的功率必须满足汽车动力性能指标包括的最高车速、加速时间及最大爬坡要求的功率需求[14]。本客车的最高设计车速为 95 km /h，加速性能采用客车从初始速度 0 加速至行驶车速 60 km /h 的加速性能进行评价，客车在市区运行，爬坡度为 0. 1，在纯电动模式下的客车车速为 40 km /h。根据车辆性能的要求，计算电机功率应大于 15. 88 kW，因此选择额定功率为20 kW 的无刷直流电机，取其峰值功率为 40 kW。当混合动力客车在纯电动模式下行驶时，电机通过主减速器直接驱动车辆，电机的最大转速应满足纯电行驶的车速要求，经计算并考虑电机的过载系数，确定了电机的额定转速为3 250 r/min。
根据计算确定的电机参数，选择永磁无刷直流电机，电机参数如表 3 所示。
2 复合电源设计
复合电源采用蓄电池与超级电容并联形式蓄电池为主电源，提供电机的平均需求功率，超级电容充分利用其快充快放的优点，作为辅助电源，在混合动力客车起步、爬坡、加速及制动等大电流工况下工作，发挥“削峰填谷”的作用，满足瞬时功率需求，保护蓄电池，减少电流冲击，从而延长蓄电池的使用寿命。
选择中国典型城市工况，在 ADVISOR 中建立循环工况曲线，如图 2 所示，循环时间为 1 304 s，最高车速为 60. 35 km/h，车辆行驶距离为 5. 87 km。
对该循环工况进行需求功率分解，对正负功率需求分别积分，从而求得客车驱动模式与制动模式下对应的正负能量需求，其中正能量需求为 1. 088 × 107 J，负能量需求为 - 2. 160 × 106 J。再对驱动和制动循环时间进行统计求和，得到驱动和制动模式下的平均功率需求约为 10 kW，最大峰值功率约为 36 kW。
2. 1 蓄电池参数匹配
根据整车性能和计算得到的平均功率需求，完成蓄电池的参数匹配计算和建模。参照 GB /T 31466 - 2005《电动汽车高压系统等级》，确定混合动力客车蓄电池组的额定电压等级为 144 V。电池组的参数须满足以下两个条件: 满足车辆纯电模式下续航里程的要求; 满足指定循环工况的平均功率需求。
2. 2 超级电容参数匹配
由 DC-DC 功率转换器的特性可知，当复合电源系统中超级电容与蓄电池组的电压等级接近时，DC-DC 功率变换器效率最高，故根据前文确定的蓄电池组电压 144 V，选择 56 个单体最大电压为 2. 5 V 的超级电容构成复合电源系统的超级电容部分。
为保证超级电容效率，最小电压通常取最大电压的一半，即 1. 25 V。经计算得到超级电容的容量应大于 2 743 F，因此选择 Maxwell 公司生产的超级电容，基本参数如下: 最大电压为 2. 5 V，最小 电 压 为 1. 25 V，电 容 为 3 000 F，电 流 范 围 为- 225 - 225 A。
2. 3 DC-DC 功率转换器设计
根据功率守恒原则，即输出功率等于输入功率乘以 DC-DC 转化器效率，设计 DC-DC 功率转换器。由于功率转换器的效率是蓄电池组与超级电容端电压比值和输入功率的二次函数，因此利用二次插值形式建立 DC-DC 转换器模型，如图 3 所示。
将建立好的蓄电池模型、超级电容模型和 DCDC 功率转换器模型嵌入 ADVISOR 软件中，其中复合电源系统内部结构如图 4 所示。复合电源的控制策略采用逻辑门限滤波控制策略，在文中不做详述。
3 整车模糊控制策略设计
将模糊控制策略应用于混合动力汽车，通过对发动机实际输出转矩进行调节，在满足蓄电池充放电平衡的前提下，使发动机尽可能工作在高效区，输出转矩接近发动机最佳转矩，以提升发动机工作效率。模糊控制策略采用双输入单输出形式，以发动机目标转矩与当前需求转矩之差和蓄电池 SOC 为输入，以发动机实际输出转矩为输出。
为使发动机实际工作点靠近发动机高效区，发动机的目标转矩应根据发动机的万有特性曲线来决定。在万有特性曲线上，按照不同转速，选择最小比油耗点，以此作为发动机最优转矩曲线。在控制策略中，根据当前发动机的需求转速，参照制定的最优转矩曲线，确定发动机工作于高效区对应的目标转矩。该混合动力汽车万有特性曲线如图5 所示。
由万有特性曲线可知，发动机最大转矩值为 350 N·m，与理想最小转矩的差值为 350 N·m，考虑临界值，将模糊控制策略的转矩差 ΔT 的模糊论域确定为[- 360 360]N·m。在模糊控制器中将输入量转矩差 ΔT 的模糊语言变量值分为 7 档，分别为“正大”、“正中”、“正小”、“零”、“负小”、“负中”、“负大”，分别用字母 PB、PM、PS、 ZO、NS、NM、NB 表示。选择梯形隶属度函数，计算语言变量中语言值的隶属度程度，完成对精确量的模糊化。模糊控制器的另一个输入为蓄电池 SOC 值，SOC 值的取值范围为[0，1]。将 SOC 的模糊语言变量值分为 5 档，分 别 为“正 大”、 “正小”、“零”、“负小”、“负大”，分别用字母 PB、 PS、ZO、NS、NB 表示。同样选择梯形隶属度函数完成模糊化。
模糊控制器的输出为发动机输出转矩因子 K。输出转矩因子 K 是发动机输出最大转矩与最佳转矩的比值，根据万有特性曲线，输出转矩因子的取值范围为[0，1. 4]。模糊控制器采用 Sugeno 的类型，将去模糊化结合到模糊推理中，得到最后的输出量为精确量。因此 K 取值定为[0 0. 2 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 75 0. 8 0. 85 0. 9 0. 95 1 1. 05 1. 1 1. 15 1. 2 1. 25 1. 3 1. 35 1. 4]，分别用 K1、K2，…，K21 表示。
按照上文确定的输入输出量，建立模糊规则如表 4 所示。将设计完成的模糊控制模型嵌入 ADVISOR 软件中，在图 4 的基础上替换原有的电机辅助控制，建立混合动力客车顶层模型如图 6 所示。
4 仿真验证
为了验证本文所建立的复合电源系统和整车模糊控制策略适用于后轴驱动混合动力客车的有效性，在 ADVISOR 仿真环境下进行建模和仿真分析，选择图 2 所示的中国典型工况为测试工况，同时与 ADVISOR 原有的整车转矩控制策略进行对比研究。
首先，在原有的电机辅助控制策略基础上，验证复合电源的有效性。整车的实际运行车速如图 7 所示，图中两条曲线分别表示循环工况的要求车速和实际车速。从图中可以看出，实际车速很好地跟随了工况的要求车速，说明设计的复合电源系统应用于该混合动力客车，可以满足循环工况要求。
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单一电源下电机的需求功率全部由蓄电池提供，其功率曲线如图 8 所示。由图可知，蓄电池提供的最大功率达到 23 kW。蓄电池工作电流如图 9 所示，图中蓄电池须承受较大的放电和充电电流，最大放电电流接近 250 A，最大充电电流接近 90 A，并且充放电电流波动明显，不利于蓄电池的使用寿命。
复合电源下电机的需求功率由复合电源系统提供，其中蓄电池提供平均功率，而峰值功率由超级电容提供，其功率对比曲线如图 10 所示。由图可知，蓄电池提供的最大功率仅为 10 kW，与单一电源需提供 23 kW 功率相比，降低 50% 以上。超级电容提供了电机需求功率的瞬态部分，充分发挥其快充快放的特性。复合电源下蓄电池和超级电容的工作电流如图 11 所示，图中蓄电池在承受放电电流相对于单一电源时明显减小，最大放电电流仅为 70 A，并且放电电流波动较小，有利于提高蓄电池的寿命。在图 11 中负电流表示充电电流，从图中可以看出蓄电池充电电流很少，超级电容的充电电流相对较多，即几乎全部的充电电流由超级电容回收，因此导致蓄电池 SOC 值略有下降，但 SOC 曲线整体变平稳，说明蓄电池较好地保持了充放电的平衡。单一电源和复合电源中蓄电池 SOC 对比如图 12 所示。
其次，在验证了复合电源系统有效性的基础上，继续验证本文设计的整车模糊转矩控制策略的有效性。此模糊控制策略旨在满足整车性能的同时，能提高发动机工作效率，从而降低排放，提高经济性。图 13 中的两个图分别为 ADVISOR 原有电机辅助控制策略下和模糊控制策略下发动机实际工作效率点图，能够明显看出，在原有策略下，发动机效率最高虽达到近 0. 4，但是工作点分散，整体效率不高。在模糊控制策略下，发动机的工作点更为密集，效率集中在 0. 3 - 0. 4 之间的工作点更多，说明发动机整体效率有所提升。图 14 中的两个图分别为 ADVISOR 原有电机辅助控制策略下和模糊控制策略下发动机实际工作点图。两图对比也可明显看出发动机工作点更靠近高效区。
将模糊控制策略下的复合电源中蓄电池 SOC 曲线加入图 12 中，得到单一电源、复合电源和模糊控制策略下复合电源的蓄电池 SOC 曲线对比图，如图 15 所示。由于在模糊控制策略下，发动机接近高效区，同时发动机实际输出转矩有所提高，因此对电机的需求有所降低，并且在蓄电池 SOC 较低时，以满足整车动力性能之外的发动机转矩，用来为蓄电池充电，即有更多的充电电流为蓄电池充电，因此有利于保证蓄电池 SOC 平稳。图中通过模糊控制下蓄电池 SOC 曲线可以明显看出，与电机辅助策略下蓄电池 SOC 曲线相比，模糊控制下蓄电池 SOC 曲线变化平稳，且终止时刻 SOC 值较高，蓄电池在整个循环工况中消耗较小，有利于蓄电池保持更高的后备能量。
5 结语
本文在原有普通燃油客车的基础上，在满足车辆性能的前提下，首先完成了储能装置和电机的匹配设计，其次开发了蓄电池 - 超级电容的复合电源系统，最后提出了应用于复合电源混合动力客车的模糊转矩分配策略，将建立的整车模型、复合电源模型、能量管理策略嵌入 ADVISOR 软件中，进行整车性能仿真，结果表明:
( 1) 配备有合适参数的电机和蓄电池的混合动力客车，能够满足原有客车对行驶性能的要求，证明设计的混合动力客车具有实际使用价值。
( 2) 建立的蓄电池 - 超级电容复合电源系统，能够发挥超级电容“削峰填谷”的优势，DC-DC 功率转换器能够实现功率分流，避免了蓄电池频繁大电流充放电，延长了蓄电池使用寿命。
( 3) 提出的基于发动机效率的模糊转矩分配策略，能够使发动机工作于高效区，提高了发动机工作效率，同时有利于蓄电池充放电平衡，在保证整车性能不变的前提下，降低了排放，延长了蓄电池寿命。——论文作者：牛晓燕、冯国胜
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