基金项目:部级预研项目(C172000C002)
作者简介:耿东(1978-),男,硕士研究生,研究方向为串联型混合动力电动汽车辅助动力单元的控制.
文章编号:10094687(2002)04000704
串联式混合电动汽车发动机转速控制研究
耿 东, 郝利君
(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)
摘 要:介绍了串联式混合动力电动汽车的动力系统控制策略.根据发动机的具体情况,采用先进的模糊控制技术,归纳出模糊控制经验,设计一模糊控制器,用于发动机的恒速控制.台架实验证明该控制器能够较好地实现对发动机转速的控制.关键词:混合动力;发动机;恒速;模糊控制中图分类号:T K41413+1 文献标识码:A
1 串联式混合动力电动汽车辅助动力系统控制策略
串联式混合动力电动汽车的动力系统组成如图1所示[1].发动机带动发电机发电,其电
能通过电动机控制器直接输送到电动机,由电动机产生电磁力矩驱动汽车.串联式混合动力系统的最大特点是其主动力源不再与后续的驱动系统有直接的机械连接,而在发动机与驱动桥之间是通过电实现动力传递的
.
图1 串联式系统结构示意图
目前,串联型混合动力电动汽车采用的典型控制策略[2]有“Thermostat (恒温器)”控制
模式和“Power 2Follower (功率跟随器)”控制模式两种.
恒温器控制策略是根据电池的荷电状态SOC 进行控制的.恒温器控制策略允许发动机2发电机组在电池SOC 高于某一特定值之前按设定的值输出功率.当SOC 达到设定值时,发动机2发电机组关闭,汽车零排放纯电动行驶.当SOC 降到低于最小SOC 点时,发动机2发电机组再次启动输出恒定功率.在这种模式中,LLD (载荷均衡装置,主要指蓄电池)必须满足所有瞬时功率的要求.虽然APU 可以运行在最优效率点,但是如果LLD 过度的循环,那么带来的损失也许会超过APU 优化后的好处.很显然,这种控制策略对APU 有利而对
2002年第4期 车辆与动力技术
Vehicle &Power Technology 总第88期
LLD 不利.当串联型混合动力电动汽车设计成续驶里程延长型车辆时,通常采用这种控制
模式.
正好相反,功率跟随器控制策略强迫发动机在其设计功率范围内跟随路面的负载要求,这样发动机就总是处于运转状态.由于APU 必须跟随车辆功率要求而做出快速响应,因此会影响发动机的效率和排放特性.显然,这种控制策略对LLD 有利而对APU 不利.当串联型混合动力电动汽车设计成功率辅助型车辆时,通常采用这种控制模式.
BJD6100HEV 混合电动公交车的主要设计任务是有效地降低车辆的排放,并利用车载充电器为电池组补充充电来保证车辆一天的行驶里程.因此,BJD6100HEV 混合电动公交车确定为续驶里程延长型,根据上面两种控制策略的适用条件,本设计采用恒温器控制策略.
考虑使发动机2
发电机组输出的功率与整车以驱动循环平均车速行驶需求的功率相对应,同时附加汽车附件如空调消耗的功率和一定的电池充电功率,确定发动机2发电机组的恒定输出功率为50kW.APU 单元中发动机选择由一汽轿车股份有限公司生产的CA4G22E 汽油电喷发动机,其额定功率为70kW 左右.发电机为三相永磁交流发电机,标定转速为3600r/min.由此确定APU 的工作点为:P =50kW ,n =3600r/min.所以,该控制可以归纳为发电机恒功率,发动机恒转速.
2 发动机恒转速的模糊控制[3]
发动机恒转速模糊控制的原理如图2所示.控制系统通过霍尔转速传感器将采集到的发动机转速信号,经模糊化后转变为模糊量,根据这些模糊信息,通过控制规则做出模糊决策,再经过非模糊化过程转变为精确量,通过控制步进电机来实现对节气门的调节.
图2 发动机转速模糊控制原理
211 控制系统输入输出变量的模糊语言描述[4]
选取发动机的实际转速n 与要求转速n 0之差E (E =n -n 0)及转速差的变化率EC
(EC =E (k )-E (k -1))作为系统的输入变量;选取控制节气门开度的步进电机所应走过的步数U 作为系统输出变量.
描述输入变量E 和EC ,以及输出变量U 的语言值的模糊子集为{负大(NB ),负中(NM ),负小(NS ),零(0),正小(PS ),正中(PM ),正大(PB )}.
设E 的论域为X ,将其量化为如下的13个等级:
・8・ 车辆与动力技术2002年
X ={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.
设EC 的论域为Y ,同样量化为13个等级:
Y ={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.设U 的论域为Z ,将其量化为13个等级:
Z ={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.
利用NB 、NM 、NS 、0、PS 、PM 、PB 这些模糊量,根据经验和实际情况将连续变化的精确量进行离散模糊化,得到输入量和输出量的隶属函数,如图3所示.(a )转速差E 的隶属度函数
(b )转速差变化率EC 的隶属度函数
(c )控制量U 的隶属度函数
图3 模糊输入量E 和EC ,模糊输出量U 的隶属度函数
212 模糊控制规则的确定[4]
模糊控制规则实质上是将操作人员的控制经验加以总结而得出的一条条模糊条件语句的集合.确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使系统输出相应的动静态特性达到最佳.
当E 为NB 或PB 时,主要任务是消除偏差,应该相应
增大或减少节气门开度,有如下控制规则:
如果E 是NB ,且EC 是NB ,则控制U 为PB ;
如果E 是PB ,且EC 是PB ,则控制U 为NB.
当E 为NS 或0时,主要矛盾转化为系统的稳定性问题,为了防止超调量过大并使系统尽快稳定,就要根据EC 的变化来确定控制量的变化.若EC 为正,表明E 有减小
的趋势,所以可取较小的控制
量,有如下控制规则:
如果E 是NS ,且EC 是PS ,则控制U 为0;如果E 是0,且EC 是PS ,则控制U 为NS.
当EC 为负时,偏差有增大的趋势,这时应使控制量增加,防止E 进一步增加,因此有如下控制规则:
如果E 是NS ,且EC 是NS ,则控制U 为PM ;如果E 是0,且EC 是NS ,则控制U 为PS.
基于以上的分析,可得到发动机转速模糊控制的规则表,如表1所示.
・
9・ 第4期耿 东等:串联式混合电动汽车发动机转速控制研究
EC
E
NB NM NS0PS PM PB
NB PB PB PM PM PM PS0
NM PB PB PM PM PS0NS
NS PM PM PM PS0NS NM
0PM PM PS0NS NM NM
PS PM PS0NS NM NM NM
PM PS0NS NM NM NB NB
3 发动机恒速控制台架试验结果及分析
利用所设计的模糊控制器对发动机转速控制得到的系统响应曲线如图4和图5所示.图4表示发动机进入最佳工况点的转速变化情况,图5是发动机受到外界干扰后转速的变化曲线.从图4可以看到,发动机在较短的时间(约10s)内就可以被控制在最佳工况点周围工作,稳态转速波动范围小(约±15r/min).从图5可以看到,发动机受外界干扰后转速超调量小,且可以在较短时间(约5s)内恢复稳态工作,获得了很好的控制效果.
图4 稳态响应曲线 图5 受干扰后恢复曲线
4 结束语
研制了APU控制系统,并进行了台架试验,试验结果验证了控制方案的正确性,达到了项目的预期目的,解决了混合动力车辆车载APU单元的综合控制问题,为混合动力车辆的设计和实施奠定了一定的基础.
参考文献:
[1] 麻友良,陈全世.混合动力电动汽车的结构与特性分析[J].汽车研究与开发,2000(4):20-23.
[2] 宋 慧,胡 骅.复合动力电动汽车的驱动模式和控制策略[J].世界汽车,2000(7):7-11.
[3] 洪 卫.发动机模糊恒速控制[J].内燃机工程,2000(3):76-80.
[4] 诸 静.模糊控制原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1995.(下转第28页)CAD Method of automobile cab
HUAN G Xu1, DON G Ming2ming3, ZHAN G Zhen2hua2
(1.Beijing Sifang Civcism Technology Development Co.,Beijing 100101,China, 2.School of Mechani2 cal&Vehicular,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)
Abstract:In accordance with the requirement of ergonomics in cab design,the effects of height of H point,steering wheel and angle of back2rest on Man2Machine system of Cab are analyzed.
A method of computer aided design for Cab is presented,and is tested on a automobile.It proves that the method is valid.
K ey w ords:ergonomics;automobile;cab;CAD
(上接第10页)
Study on the E ngine Steady Speed Control for Series
H ybrid E lectric V ehicles
GEN G Dong, HAO Li2J un
(School of Mechanical&Vehicular Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)
Abstract:In this article,the powertrain control strategy of series hybrid electric vehicles is in2 troduced.And according to the engine condition,the advanced fuzzy control technology has been adopted,the experience for engine steady speed control accumulated and a fuzzy controller made to control the engine running underr the steady speed.Test proves that the controller can achieve effective engine steady speed control.
K ey w ords:hybrid electric vehicle;engine;steady speed;fuzzy control下载本文
