基于模糊控制的氣電混合動(dòng)力客車控制策略研究

李　歡，何　鋒，蔣雪生

基于模糊控制的氣電混合動(dòng)力客車控制策略研究

李歡1，何鋒1，蔣雪生2

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽550025；2.奇瑞萬達(dá)貴州客車股份有限公司，貴陽550025）

基于模糊控制理論，設(shè)計(jì)氣電混合動(dòng)力客車驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式下的模糊控制策略，嵌入到ADVISOR模型中與電輔助控制策略進(jìn)行仿真分析對(duì)比。結(jié)果表明，模糊控制策略優(yōu)于電輔助控制策略，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩的合理分配和制動(dòng)模式下制動(dòng)能量的合理回收，降低了客車耗氣量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率和整車工作效率。

氣電混合客車；模糊控制；ADVISOR；再生制動(dòng)

LNG（液化天然氣）具有清潔、環(huán)保、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，在城市客車和出租汽車上得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，LNG客車在頻繁起停、速度低的城市道路工況下，具有動(dòng)力性不足、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)滯后、NOX排放高的缺點(diǎn)［1］。LNG氣電混合動(dòng)力客車以LNG作為發(fā)動(dòng)機(jī)能源，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，可有效提高LNG客車的動(dòng)力性，降低油耗，減少排放［2］。

1　模糊控制策略制定

混合動(dòng)力汽車采用的控制策略主要有四類：基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略、瞬時(shí)優(yōu)化控制策略、智能控制策略和全局最優(yōu)控制策略［3］。模糊控制屬于智能控制的一種，是以人對(duì)被控對(duì)象的操作經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)制定的，具有很好的魯棒性，適用于混合動(dòng)力汽車這種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制［4］。本文以某客車廠生產(chǎn)的LNG氣電混合動(dòng)力客車為研究對(duì)象，利用模糊控制理論展開控制策略的研究。

該客車的混合動(dòng)力系統(tǒng)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。根據(jù)車輛總需求扭矩，車輛工作模式分為驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式。當(dāng)車輛總需求扭矩T＞0時(shí)，車輛運(yùn)行在驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)總需求扭矩T＜0時(shí)，車輛運(yùn)行在制動(dòng)模式。根據(jù)車輛不同的工作模式，分別制定驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式下的模糊控制策略。

1.1驅(qū)動(dòng)模式模糊控制策略

驅(qū)動(dòng)模式下的控制策略是根據(jù)駕駛員加速踏板位置、電池SOC值、車速等參數(shù)，按照一定規(guī)則確定電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，使其滿足驅(qū)動(dòng)模式下的轉(zhuǎn)矩要求。在氣電混合動(dòng)力客車中，驅(qū)動(dòng)模式下模糊控制策略輸入?yún)?shù)為電池SOC值和總的需求轉(zhuǎn)矩，輸出量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

1）輸入輸出變量隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)。在輸入模糊控制器之前，需要將輸入?yún)?shù)電池SOC值和總的需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行模糊化處理。實(shí)際輸入量SOC值的變化范圍為［0，1］，所對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?，11］，將模糊論域［0，11］劃分為12個(gè)隸屬度函數(shù)。將總的需求轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的模糊論域也都設(shè)定為［0，11］，隸屬度函數(shù)選取為三角形，均為12個(gè)。輸入輸出變量對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖1-圖3所示。

2）模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)。根據(jù)氣電混合動(dòng)力客車的特點(diǎn)，模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)原則是在保證汽車混合動(dòng)力性能的前提下，確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在耗氣量和排放較優(yōu)區(qū)域，且保證動(dòng)力電池充放電平衡和電池SOC值維持在允許范圍內(nèi)。例如，車輛需要加速或爬坡時(shí)，電池SOC值較高，則電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，滿足驅(qū)動(dòng)要求，解決天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不足、驅(qū)動(dòng)扭矩響應(yīng)滯后的問題［5-6］。在上述原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛總需求扭矩和電池SOC，建立發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的分配規(guī)則144條。

1.2制動(dòng)模式模糊控制策略

制動(dòng)模式下，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，總需求制動(dòng)力按照一定規(guī)則實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力的合理分配［7］。氣電混合動(dòng)力客車制動(dòng)力分配控制系統(tǒng)主要由兩部分組成：第一部分為模糊控制器，該部分有三個(gè)輸入分別為制動(dòng)強(qiáng)度、車速、電池SOC值，輸出為再生制動(dòng)比例，再生制動(dòng)比例表示再生制動(dòng)力占總需求制動(dòng)力的比例；第二部分為制動(dòng)力分配部分，實(shí)現(xiàn)前輪摩擦制動(dòng)力、后輪摩擦制動(dòng)力和后輪再生制動(dòng)力的分配。氣電混合動(dòng)力客車制動(dòng)力分配控制系統(tǒng)見圖4。

模糊控制器的輸入中制動(dòng)強(qiáng)度的范圍為［0，1］，模糊子集為｛small，middle，large｝；車速范圍為［0，100］，模糊子集為｛small，middle，large｝；電池SOC范圍為［0，1］，模糊子集為 ｛small，middle，large｝；再生制動(dòng)比例K的范圍為［0，1］，模糊子集為｛small，middle，large｝。制定再生制動(dòng)模糊規(guī)則的原則是在保證整車的安全性與舒適性的條件下，盡可能多地回收制動(dòng)能量［8］。所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2　仿真分析

將驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式下的模糊控制模塊鑲嵌到ADVISOR中，并根據(jù)某氣電混合動(dòng)力客車的主要技術(shù)參數(shù)，完成模糊控制策略仿真模型的建立。主要技術(shù)參數(shù)：整備質(zhì)量為11 900 kg；發(fā)動(dòng)機(jī)排量為6.494 L，最大功率為155 kW；電機(jī)類型為永磁同步電機(jī)，最大功率為60 kW；電池為錳酸鋰電池，電池組容量16 Ah。在ECE-EUDC循環(huán)工況下進(jìn)行仿真，得到模糊控制策略的仿真結(jié)果如圖6所示［9］。

由圖6可知，在ECE-EUDC循環(huán)工況中發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)協(xié)調(diào)工作，保證了車輛的正常運(yùn)行，同時(shí)電池SOC值不斷降低。當(dāng)降低到0.2時(shí)，電機(jī)停止工作，防止電池的過度放電。當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，使電池SOC升高。

在相同環(huán)境下，采用ADVISOR中的電輔助控制策略進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果與模糊控制策略進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1　模糊控制策略和電輔助控制策略仿真結(jié)果的比較

由表1可以看出，在模糊控制策略中，為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率、低油耗的區(qū)間，電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出的輔助能源，在工作過程中可能會(huì)出現(xiàn)頻繁起?；蚬ぷ髟诘托蕝^(qū)間的情況，引起電機(jī)發(fā)電效率和電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率的降低。但是相對(duì)于ADVISOR的電輔助控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)效率和總的工作效率分別提高了1%和0.8%，同時(shí)ECE-EUDC循環(huán)工況下的百公里耗氣量降低了10.8%，加速性能提高了35.6%。這說明所設(shè)計(jì)的模糊控制策略比電輔助控制策略更加優(yōu)越［10］。

3　結(jié)束語

針對(duì)某氣電混合動(dòng)力客車的特點(diǎn)，分別制定了驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式下的雙模糊控制策略，將其嵌入到ADVISOR模型中，與電輔助控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明，模糊控制策略滿足該氣電混合動(dòng)力客車正常運(yùn)行要求，并可有效降低百公里耗氣量，實(shí)現(xiàn)加速性能、發(fā)動(dòng)機(jī)效率和整車工作效率的提高。

［1］DART'sLNGBusFleetFinalResults［R］.NREL，NREL/BR 540-28739.U.S.Department ofEnergy，2000.

［2］舒紅宇，王錕，陳齊平，等.天然氣混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（2）：112-117.

［3］付主木，王聰慧，普杰信.PHEV模糊控制能量管理策略建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24（6）：1314-1319.

［4］吳曉剛，王旭東，毛亮.ISG型混合動(dòng)力汽車能量管理模糊控制的研究［J］.汽車工程，2011，33（7）：558-562.

［5］王婷.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的優(yōu)化研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009.

［6］張嘉君，吳志新，喬維高.混合動(dòng)力汽車整車控制策略研究［J］.客車技術(shù)與研究，2007，29（4）：8-11.

［7］李鵬，周云山，王楠.并聯(lián)式混合動(dòng)力再生制動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（12）：361-364.

［8］曾小華，宮維鈞.ADVISOR2002電動(dòng)汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［9］王德倫，周榮寬.ISG經(jīng)度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的制定及仿真［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，（6）：5-9，16.

［10］混合動(dòng)力汽車控制策略優(yōu)化研究綜述［J］.公路與汽運(yùn)，2010，（5）

修改稿日期：2014-07-03

Research on Control Strategy for LNG-electric Hybrid Bus Based on Fuzzy Logic Control

Li Huan1，He Feng1，JiangXuesheng2
（1.School ofMechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang550025，China；2.CheryGuizhou Wanda Bus Corporation Limited，Guiyang550025，China）

Based on the fuzzy control theory，the fuzzy control strategy of drive and braking modes is designed out and embedded intothe ADVISOR model tocompare simulation results with the parallel electric assist controls strategyfor the LNG-electric hybrid bus.The results showthat the fuzzylogical control strategyis superior tothe parallel electric assist controls strategy，which achieves a reasonable torque distribution of the engine and motor under the driving mode and the reasonable braking energy recycling of the braking mode，reduces the bus'LNG consumption，and improves the efficiencyofthe vehicle.

LNG-electric hybrid bus；fuzzylogic control；ADVISOR；regenerative braking

U469.72；TP273+.4

A

1006-3331（2015）01-0007-03

貴陽市工業(yè)振興科技計(jì)劃項(xiàng)目［筑科合同（2012401）11號(hào)］：貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目［黔科合GZ字（2013）3003］

李歡（1990-），男，碩士研究生；研究方向：節(jié)能與新能源汽車的開發(fā)及利用。