混合動力公交車動力系統(tǒng)模糊控制

王謙 何川 何飛

摘 要：石油資源屬于不可再生資源，隨著人們大量的開采和各種消耗，世界各國已經(jīng)意識到石油資源被耗盡后，人們將要面對的能源壓力。以及越來越強(qiáng)的環(huán)保意識都使得全球各汽車公司對新能源汽車的研發(fā)投入更多的人力物力。混合動力電動汽車將傳統(tǒng)汽車的成熟技術(shù)與現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)相結(jié)合。文章中，對混合動力公交的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并對模糊邏輯控制進(jìn)行了改進(jìn)研究。

關(guān)鍵詞：混合動力;公交車;模糊控制

現(xiàn)代，汽車及公共汽車是人們出行的主要交通方式之一，也是能源的主要消耗者。在中國，以北京為例，2005年全年石油在交通運(yùn)輸方面的消耗量占總消費(fèi)量的45%，產(chǎn)生的污染排放量占總排放量的70%以上，交通事故造成的年度傷亡人數(shù)占各中大傷亡的首要位置。因此，有效改善和解決汽車燃料燃燒和尾氣排放問題，對緩解城市和人民生活環(huán)境的能源壓力，改善車輛排放污染具有十分重要意義。

近十幾年來，電動，混合動力以及燃料電池汽車等新型車輛的陸續(xù)出現(xiàn)，有望在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。目前的汽車技術(shù)水平與發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的混合動力驅(qū)動兼容。預(yù)計(jì)在短期內(nèi)將出現(xiàn)能量消耗低，污染物排放少汽車的替代科學(xué)技術(shù)。

一、國內(nèi)外混合動力公交車使用情況

在中國，城市公交車和私家車的使用情況有很大差異，主要?dú)w納為以下三點(diǎn)：

（1）中國大部分城市公交車都有市政府補(bǔ)貼，公交車是否滿足節(jié)約燃料和減少排放的要求，是政府考慮采購的重要原則。

（2）從技術(shù)角度來看，在城市條件下，公交車頻繁啟動，加速，制動和停放，都會導(dǎo)致燃料的大量消耗。值得注意的是公交車排放的尾氣含有大量的一氧化碳，二氧化硫等有毒氣體，不僅會對環(huán)境造成污染，而且對人體也非常有害。公交車的頻繁啟動消耗的燃料約占消耗總量的50%，那么降低公交車的燃油支出成本就有很大的發(fā)展空間。

隨著石油的供應(yīng)量日漸減少和由此造成的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，而混合動力車輛具有耗能低，對環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，引起世界各國汽車廠家們的廣泛關(guān)注。1990年，日本汽車制造商已將混合動力技術(shù)迅速發(fā)展，由豐田和日野兩家公司共同開發(fā)的FCHV-BUS2型公共汽車是日本交通部批準(zhǔn)的首款燃料型電池混合動力客車。1990年以后，許多發(fā)達(dá)國家都投入大量的資金與優(yōu)秀的科研人員，著力研究和發(fā)展混合動力型車輛，目前已經(jīng)取得了一些十分重要的科研成果。2003年，美國Tri-Met公司開始投入使用標(biāo)準(zhǔn)長度的串聯(lián)混合動力型公共汽車，此后柴油-電動型混合動力公交車就受到人們越來越多的喜愛，同時(shí)在美國的其他城市也開始大量投入使用。

二、混合動力汽車分類及特點(diǎn)

具有兩個(gè)以上的動力源，其中一個(gè)動力源可以釋放出電能，這樣的車輛被稱為混合動力型電動汽車。混合動力汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此對混合動力汽車進(jìn)行的分類也是多樣的。目前，最主要的分類使根據(jù)混合動力車輛不同的驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分為串聯(lián)，并聯(lián)和混合三種類型。

其中串聯(lián)式混合動力車輛的主要構(gòu)成是：由發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)組成的發(fā)電機(jī)組，電池組，電動機(jī)以及發(fā)電機(jī)組通過配電裝置連接，然后電動機(jī)驅(qū)動公交車行駛。

而并聯(lián)式混合動力車輛在發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)之間的機(jī)械連接的基礎(chǔ)上，電池組-電機(jī)動提供的動力與原動力系統(tǒng)處的主電源合并。或者它是完全獨(dú)立的，從發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的力來驅(qū)動不同的驅(qū)動橋。混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的特性。SHEV布局方案結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，具有最佳的綜合性能。但是，系統(tǒng)龐大，傳輸系統(tǒng)難以安排。實(shí)現(xiàn)串口和并口支路之間的合理切換，因此，要求控制系統(tǒng)和相關(guān)的控制策略很高。

三、模糊控制系統(tǒng)研究及改進(jìn)

能源減少，環(huán)境污染嚴(yán)重，為了改善這兩種困境，全球各大汽車公司都或多或少的對電動汽車相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)行了研究和發(fā)展。然而，因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的種種困難，純電動汽車想要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還有很長的一段路要走。由于采用了精湛的機(jī)電耦合科技技術(shù)和智能車輛控制策略，使得混合動力汽車技術(shù)發(fā)展相對來說還是比較成熟的。因此，日本和美國等許多汽車公司已經(jīng)在遠(yuǎn)期市場推出了各種混合動力車輛的產(chǎn)品。總之，混合動力汽車相關(guān)的研究技術(shù)仍然處于一個(gè)起步階段，最主要的科研技術(shù)能量分配和再生制動還是沒有得到很大的提升與改變。然而，國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為，混合動力電動汽車將很快在整個(gè)汽車行業(yè)中建立起來。

目前，國內(nèi)外對車輛控制策略的研究包括：（1）動力輔助驅(qū)動;（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);（3）自適應(yīng)以及;（4）模糊邏輯四種控制策略。其中模糊控制是一種基于人們生活經(jīng)歷或活動經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)而總結(jié)得到的一套的方法。該方法在計(jì)算機(jī)語言中總結(jié)出來，形成了基于生活經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的的控制策略。本作者選擇了模糊控制策略。

L.A.Zadeh教授提出了模糊集理論，該理論是為了描述和解決事物的模糊性和系統(tǒng)的不確定性，同時(shí)模糊人的模糊思維和決策推理。此后，模糊邏輯已廣泛用于具有非線性和不確定性系統(tǒng)，復(fù)雜的控制。

（1）模糊化：選擇合適的模糊控制器的輸入，然后轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能夠識別的模糊量。具體步驟：首先，為了滿足模糊控制要求，對輸入量進(jìn)行處理;其次，轉(zhuǎn)化輸入量尺度;最后，確定每個(gè)輸入量相關(guān)的模糊語言的具體取值，隸屬函數(shù)。

（2）規(guī)則庫：科學(xué)家們具有扎實(shí)的理論知識與豐富的實(shí)踐技能經(jīng)驗(yàn)，以此為依據(jù)建立一個(gè)模糊規(guī)則庫，里面含有大量的控制規(guī)則。這是從實(shí)際控制體驗(yàn)向模糊控制器過渡的十分重要的一步。

（3）模糊推理：在豐富的理論知識的基礎(chǔ)上，來實(shí)施相關(guān)的推理與策略。

（4）解模糊：最后一部分，將模糊結(jié)論轉(zhuǎn)化成精確輸出。

模糊推理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，可以將模糊控制器簡單的看作：輸入到非線性映射的輸入。理論上來說，只要有足夠數(shù)量的規(guī)則，它就可以近似任何非線性映射來實(shí)現(xiàn)任何所需的控制功能。

根據(jù)模糊控制系統(tǒng)的輸入變量數(shù)來說，可以將模糊控制器分為單變量和多變量兩大類模糊控制系統(tǒng)。在大量的工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略就是并聯(lián)電動輔助驅(qū)動控制策略。該策略對車輛的相關(guān)物理性能的優(yōu)化能力是有限度的，實(shí)際發(fā)動機(jī)大部分時(shí)間都在一個(gè)效率較低的時(shí)間點(diǎn)工作。與此相比，模糊控制策略是一種在規(guī)則基礎(chǔ)上的控制策略。這種模糊控制策略不再是簡單是依靠系統(tǒng)的既定模式在運(yùn)行，同時(shí)控制的相關(guān)自由度也得到了很大的提升，同時(shí)魯棒性非常強(qiáng)，對復(fù)雜系統(tǒng)的控制非常有利，還可以減少許多其他控制策略出現(xiàn)的缺點(diǎn)與不足。

混合動力型車輛作為一種作為雙能結(jié)構(gòu)，電動機(jī)工作過程中的能量損失是二次轉(zhuǎn)換能量損失主要因素。如果電機(jī)的工作點(diǎn)沒有進(jìn)行合理的改善與優(yōu)化，那么電機(jī)的平均工作效率很可能會低于60%。但是，上述模糊控制策略沒有考慮到電機(jī)的工作效率，所以有必要對原有的模糊控制策略進(jìn)行有利的改進(jìn)。

文章設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制策略考慮了基于原始設(shè)計(jì)的起點(diǎn)的電機(jī)效率優(yōu)化。模糊邏輯控制可以通過多個(gè)參數(shù)的輸入并根據(jù)一定的規(guī)則從而進(jìn)一步生成多個(gè)模糊規(guī)則。文章中的輸入?yún)?shù)：輸出參數(shù)為系數(shù)K，電機(jī)轉(zhuǎn)速n，道路總請求轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩之間的差值△T，電池的充電狀態(tài)SOC。具體的控制策略如圖2所示。

發(fā)動機(jī)的目標(biāo)扭矩是在特定速度條件下將發(fā)動機(jī)的最小特定燃料消耗點(diǎn)與發(fā)動機(jī)在靜態(tài)條件下的通用特性曲線連接的曲線，想要消耗更少的能量。由于速度的不同發(fā)動機(jī)的扭矩范圍也是不同的，因此輸入?yún)?shù)為差值△T。模糊控制器的輸出系數(shù)主要由差值△T，電池SOC和電動機(jī)效率決定。

輸出系數(shù)K的不同意義是改進(jìn)的控制策略的最大優(yōu)點(diǎn)。原始系數(shù)K表示發(fā)動機(jī)承受目標(biāo)扭矩的份額，可以通過調(diào)節(jié)系數(shù)K來控制發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)。車輛驅(qū)動控制策略是混合動力車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。合理的控制策略應(yīng)該是各種影響因素的優(yōu)化與改善結(jié)果。改進(jìn)系數(shù)K表明電動機(jī)應(yīng)該要承受差動扭矩的份額。通過調(diào)節(jié)系數(shù)K這種方式，能夠使發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)和電動機(jī)的工作點(diǎn)都能得到很好的控制。

四、結(jié)語

文章，對混合動力公交的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并對模糊邏輯控制進(jìn)行了改進(jìn)研究。由于研究受研究時(shí)間和研究條件的限制，有些研究需要進(jìn)一步研究。此外，還要加強(qiáng)對控制策略相關(guān)基礎(chǔ)知識與實(shí)踐技能的學(xué)習(xí)，能夠找到解決現(xiàn)階段在理論研究和實(shí)際操作中問題方法。

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基金項(xiàng)目：文章為重慶市職業(yè)教育學(xué)會科研課題的研究成果，項(xiàng)目編號：2017-ZJXH-19008。

作者簡介：王謙（1989- ），男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生，講師，研究方向：汽車電子技術(shù)新能源汽車;何飛（1995- ），男，重慶合川人，本科，重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院汽;何川（1996- ），男，重慶長壽人，本科，重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院汽。