1绪论
1.1混合动力汽车的研究背景
汽车自1885年诞生以来，经过上百年的发展，世界汽车工业发生了巨大的变化，同时汽车对世界的发展和社会的进步也产生了巨大的作用和深远的影响，汽车为人们提供了便捷舒适的出行条件，带动了众多的上、下游产业的发展，同时对各国的就业、扩大内需、促进经济发展起着显著的作用[1]。但是，汽车工业的发展离不开地球上有限的资源，并且随着汽车工业的发展，能源消耗将不断增长，同时由于能源的使用带来的环境污染问题日益严重，这都给人类社会的生存和发展带来严峻的挑战。由于认识到汽车对环境的重要影响，世界各国的法规对汽车的排放要求也越来越高，另一方面，随着石油资源的短缺，市场成品油价格不断上涨，政府出于环境保护的目的幵始征收燃油税，也促使成品油价格大幅度上涨，油料费用将成为以后汽车使用的主要成本，而燃油经济性将决定汽车消费者最终的选择。因此在法规和市场的双重推动下，各国汽车公司争相展幵了绿色环保汽车的研究与开发，并不约而同地把新能源汽车作为重点研究对象。纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车是目前对新能源汽车的研发比较成熟的3种车型。蓄电池是纯电动汽车唯一的能量源，其能量密度与燃油相比低很多，并且纯电动汽车的续驶里程受到限制，这些都使得纯电动汽车的性价比较低，远远不能够达到市场量化推广应用的标准，这些障碍都使得纯电动汽车的市场前景较为暗淡。由于燃料电池能量转化效率高，使得燃料电池电动汽车成为极具发展前景的新能源汽车，然而燃料电池汽车需要投入巨大的基础设施，对燃料电池的可靠性和安全性要求也很高，短期内难以实现产业化。混合动力汽车以内燃机作为主要动力单元并配备辅助电力驱动系统，在排放控制区内可以实现零排放行驶，其续航里程和动力性能却优于纯电动汽车且正常行驶时油耗低、排放少，能量利用率也要比燃油汽车高很多而且混合动力汽车没有改变汽车产业结构和能源体系，具有产业化迅速和成本低等优势，使得它成为最具潜力的新能源汽车。
1.2混合动力汽车简介
1.2.1混合动力汽车的定义
1.2.2混合动力汽车的分类
与传统的内燃机汽车相比，混合动力汽车在动力总成结构设计上具有较大的灵活性，为了满足不同的使用要求，可以根据部件类型与性能以及设计目的选择合理的混合动力汽车类型。根据能量合成的形式和动力系统的联结方式不同混合动力汽车可以分为如下 4 种:串联式（Series Hybrid Electric Vehicle,简称 SHEV)、并联式（Parallel Hybrid Electric Vehicle,简称 PHEV)、混联式（Split Hybrid Electric Vehicle,简称 PSHEV)和复合式（Composite Hybrid Electric Vehicle，简称CHEV)。串联式混合动力汽车由发动机、发电机和电机以串联的形式组成。发动机直接驱动发电机发电输送给电池组或电机，由电机产生电磁力矩驱动汽车，在启动爬坡等工况由发电机和电池组提供额外电能与串联结构相比，并联混合动力汽车有发动机和电动机两套驱动系统，以并联的形式组成，它们可以分开单独驱动车辆行驶，也可以通过动力稱合协同工作，但发动机实际工作性能受行驶工况的影响较大，动力总成控制比较复杂。混联式混合动力汽车融合了串联结构和并联结构的特点，驱动系统可以在串联模式下工作，也可以在并联模式下工作，由于驱动系之间是以机械方式联结的，对机械装置的要求较高。复合式混合动力汽车驱动系统与混联式的主要区别是复合式动力系统中的电机允许功率流双向流动，相当于一套完整的串联系统加一套完整的并联系统，其结构较为复杂，控制系统也最为复杂。
2并联混合动力系统结构模型
计算机仿真技术在现代工业设计中有着重要的作用，也是进行混合动力汽车控制策略设计的有力工具。仿真不仅有助于深入理解混合动力系统的工作过程和详细分析影响控制策略性能的主要因素，更可以快速验证控制策略，减少不必要的样车制造和实车测试试验，缩短幵发周期，降低开发成本。在控制策略设计中，系统部件模型还可以用来定量分析整车的能量消耗，建立能量消耗模型，用于算法设计。在整车方案设计时，可以用整车仿真程序来评估整车性能，验证方案设计，以及对方案进行优化设计等，因此，混合动力系统建模的用途有三种：控制策略仿真、能量消耗建模和整车优化设计[13]。本文只用到控制策略仿真的用途。
2.1汽车仿真简介
系统结构的选择、整车能量管理策略的开发和系统参数的确定是进行混合动力汽车动力系统设计的三大关键因素。由于混合动力汽车系统结构比较复杂，既包含连续环节又涉及到众多离散环节，因此其静态和动态的分析都是建立在仿真的基础上。目前混合动力汽车仿真建模方法主要有后向仿真和前向仿真两类，也称为逆向仿真和正向仿真，它们的区别是仿真过程中控制信号与能量流的传递路线不同[29]。
3行驶工况的马尔可夫随机模型.......... 21
3.1行驶工况的简介........ 21
3.1.1行驶工况概念........ 21
3.1.2行驶工况对控制策略的影响........ 22
3.2马尔可夫预测 ........25
3.2.1马尔可夫链过程........ 25
3.2.2状态转移概率........ 25
3.2.3马尔可夫链特性........ 26
3.3马尔可夫预测模型建立........ 27
3.4本章小结........ 32
4并联混合动力汽车控制策略参数........ 33
4.1电动辅助控制策略参数分析........ 33
4.1.1控制策略参数的分析........ 33
4.1.2控制参数对整车性能的影响........ 35
4.2控制参数的模糊优化设计........ 37
4.3本章小结........ 43
5仿真与结果分析........ 45
5.1仿真模型的建立........ 45
5.2参数设置........ 46
5.3仿真与结果分析........ 49
5.4总结........ 56
结论
本文针对并联混合动力汽车的能量控制策略问题进行了研究，完成的工作和得到的结论总结如下：
(1)首先给出了混合动力汽车的概念，即由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆，随后简单介绍了混合动力汽车的结构，包括串联、并联、混联、复合式，及目前混合动力汽车的发展现状；以并联混合动力汽车为对象，介绍了混合动力汽车的5个工作模式，包括电机单独驱动模式、发动机单独驱动、发动机驱动并发电、发动机与电机共同驱动及再生制动模式，基于此详细阐述了混合动力汽车的节油机理；着重分析了目前并联混合动力汽车的控制策略中存在的问题与难点，对现有的并联混合动力汽车的控制策略进行总结与归纳，提出对控制策略进行改进及优化的关键技术，包括对行驶工况和控制系统参数的改善。
(2)首先分析了计算机仿真技术在混合动力汽车控制策略设计中的作用，简单介绍了汽车仿真的两种建模方法，前向建模和后向建模，进而介绍了本文所选用的汽车仿真软件ADVISOR2002的工作原理及工作流程，然后基于ADVISOR2002重点构建了了并联混合动力汽车的动力系统模型，包括车辆模型、发动机模型、电机模型、控制策略模型及电池模型等，给出了它们在数字仿真分析中的建模流程。
(3)主要介绍了行驶工况的概念，列出4个应用比较广泛的行驶工况：美国行驶工况FTP、欧洲工况ECE+EUDC、高速循环工况HWFET及美国城市循环工况UDDS:根据混合动力汽车控制策略的特点详细分析了行驶工况对控制策略制定及汽车行驶性能的影响，指出基于标准行驶工况制定的控制策略与车辆实际行驶工况“随机性”之间存在一定的矛盾，缺少适应不同行驶工况的能力，并针对行驶工况的特点引进马尔可夫预测模型，对汽车的行驶工况进行预测，建立马尔可夫随机模型。
(4)首先介绍了电动辅助控制策略中的控制系统参数，详细分析了电动辅助控制策略的控制逻辑，得到控制策略参数对整车燃油经济性和动力性的影响和变化趋势，包括发动机最小转矩系数、关断转矩系数、电池<SOC等；选取合适的参数对其进行优化调整，根据前人的经验以及调整的目的，采用模糊逻辑算法动态地改变控制策略的参数，从而调整两动力源的转矩分配关系，达到能量优化管理的目的。
(5)在ADVISOR2002的基础上建立本文所需的并联混合动力汽车仿真模型，将自己所建立的参数调整模型嵌入到控制模块中；在两种控制策略下分别对不同的行驶工况进行仿真分析，结果表明都能够比较好地改善汽车燃油经济性及电量平衡；以马尔可夫随机行驶工况为重点，详细分析了汽车油耗改善的原因，给出了发动机和电机的工作区域图及效率图、参数的变化曲线、能量消耗图，从能量分配的角度说明本文所采取的控制策略在改善汽车行驶性能上的有效性。
参考文献
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