第 1 章 绪论
1.1 研究背景
近年来，面对气候变化，全球汽车工业一直都在向绿色环保技术方向迈进。其中，汽车尾气排放对空气造成的严重污染一直是汽车向绿色环保技术方向发展的难题[1]。为了解决这一难题，促进各国政府、学术界和国际工业技术机构之间不断加强交流合作，寻找出降低车辆尾气排放的解决办法，缓解汽车尾气排放对环境造成的危害。根据《世界能源展望 2019》报告预测[2]，未来对于绿色低碳再生能源的应用需求会更加强烈，煤炭等主要化石燃料的实际消耗量和需求将会显著减少。综合报告中提及的世界经济各国,中国会在 2040 年之前发展成世界最大的石油资源消费国。我国为摆脱对石油资源的严重依赖，强制要求国内各大整车厂发展新能源汽车，陆续将用新能源汽车代替传统的燃油车，能源供给结构逐步向低碳化和清洁化转型。
能源供给结构向经济低碳化和能源清洁化方向转型的主要措施之一是继续大力发展新能源汽车，大力发展新能源汽车可以有效降低因石油资源过度消耗导致的传统燃油车尾气的大量排放，避免因传统燃油车尾气排放产生的温室效应与光化学烟雾[3]，能够很好地兑现我国在 2009 年哥本哈根气候变化大会上首次做出的推动低碳环保发展的重要国际战略承诺[4]。《中国制造 2025》将重点扶持发展“节能与新能源汽车”专项[5]，推动新型混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车的快速发展，这对促进我国从传统化石燃料能源消耗大国转换到节能环保低碳型国家有着重要意义。
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1.2 研究意义
新能源汽车的深入推广应用是有效降低汽车对环境污染的一种有效途径,它已经能够直接达到高效、清洁、经济、安全的新一代能源汽车体系建设要求,使我国新能源汽车制造工业逐步走上节能环保、高速发展之路。发展新能源汽车，可以消除传统燃油车关键部件的产业技术壁垒，有效地弥补我国汽车工业起步较晚、技术经验积累薄弱的短板。通过政府大力扶持新能源汽车技术的发展，可以有效缩小目前我国新能源汽车制造工业与德、日、美等世界汽车制造强国的技术差距，在短时间内顺利实现“弯道超车”，对加快推进我国汽车制造工业的蓬勃发展具有积极关键的现实意义[6]。综合增程式混合动力汽车、纯电动汽车及燃料电池汽车等新能源汽车燃油经济性和排放性较佳、效率更高且对环境污染较小的特点，我国工信部对增程式混合动力汽车、纯电动汽车及燃料电池汽车产业予以一定的财政支持，扶持我国新能源汽车产业的发展。然而，纯电动汽车及燃料电池汽车的制造技术不太成熟[7]，且纯电动汽车本身的制造成本较高，动力电池作为其唯一的动力源一直制约着纯电动汽车的发展，续驶里程较短的问题[8]始终被广大汽车消费者所诟病。而氢燃料电池汽车以大量氢分子作为主要燃料源储存在车载的氢燃料动力电池中,与处于大气环境中的大量氧气分子发生惰性氧化还原反应,产生的电能带动机械部件，从而驱动行驶车辆的机械传动系统结构,对车轮产生驱动力使车辆高速行驶。但作为燃料电池的动力源氢气的储存、运输问题还没有得到完美地解决，我国对于氢气的生产、运输和供氢基础设施匮乏，氢产业链上游和下游的完善度不足。这些客观原因，导致燃料电池汽车暂不能大规模的推广。
而混合动力汽车技术发展较为成熟，根据定义，混合动力汽车是使用两个或者多个动力源来提高系统整体效率的车辆[9]。与纯电动汽车相比较，不过分依赖车载电池的发展，续驶里程较长，受到消费者的广泛好评。混合动力汽车的工作原理是，通过内燃机与动力电池相结合，内燃机类似传统车辆传递动力，而它的另一套动力源使用蓄电池或燃料电池的电能，通过电动机将电能转化动能，在转化的过程中零排放[10]。
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第 2 章 混合动力汽车整车结构分析
2.1 混合动力汽车电驱动系设计原理
2.1.1 串联式混合动力汽车电驱动系设计原理
从现有的燃油车变换为混合动力汽车，主要是增加了电机驱动装置以及锂离子电池和超级电容等复合能源，保留了内燃机和燃油箱，这样可以解决电动汽车车载蓄电池组能量存储不足以及行驶里程有限等问题。串联式混合动力电驱动系的概念源于电动汽车驱动系的发展[20]，具体的串联式混合动力电驱动系的构造如图2-1 所示：
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2.2 系统关键部件
2.2.1 内燃机的特性
混合动力汽车内燃机的特性主要表现在它的动力性和燃油经济性。动力性主要表现为内燃机的额定功率及功率效率，而它的经济性主要体现其燃油消耗量。当车辆处于加速或爬坡工况下，内燃机主要提供平均功率，而峰值功率主要由锂离子电池与超级电容单元组提供[29]。所以相比较传统的燃油车，混合动力汽车内燃机的选型主要考虑其低质量和低功率的特性，从而达到降低内燃机的工作负荷，提高整车燃油经济性的目的。
混合动力汽车内燃机配置和工作方式[30]与传统燃油车不同，根据车辆运行工况，需要频繁地启动内燃机。目前车辆配置的内燃机主要为转子式内燃机、燃气式内燃机、斯特林内燃机以及往复活塞式内燃机。对于混合动力汽车内燃机运行工况的选择，主要追求的是最高效率而不是高功率，可以选择排量相对较小的内燃机。内燃机的排量较小有助于降低换气损失和摩擦损失，当车辆正常加速和爬坡时的混合动力控制功率不足问题可由搭载电动机的混合动力控制系统予以调节和补充[31]。表 2-2 展示了各主流内燃机的优缺点，以便对内燃机进行选型[32]:
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3.1 混合动力汽车控制策略的制定………………...23
3.1.1 模糊逻辑控制策略…………………….23
3.2 整车系统模型的搭建………………………...32
第 4 章 基于特征选择遗传算法参数优化模糊控制策略…………………………...49
4.1 引言……………………49
4.2 模糊控制的优化问题………………………49
第 5 章 整车控制器 HIL 硬件在环测试………………..61
5.1 整车控制器开发流程………………………61
5.2 HIL 仿真平台简介……………………….62
第 5 章 整车控制器 HIL 硬件在环测试
5.1 整车控制器开发流程
任何整车控制器的开发验证都遵循 V 型开发模式[53-54]，其中 HIL（hardware in the loop）硬件在环是整车控制器 V 型开发流程中的关键环节。HIL 机柜通过具有强大功能的实时仿真机 PXI，配合 MATLAB 软件中搭建的整车系统模型、整车控制器 I/O 接口与 HIL 机柜信号采集板卡进行试验。该测试环节能够大大缩短整车控制器的开发周期，有效降低实车实验因道路条件的复杂性出现的风险。
图 5-1 是 V 型开发模式的流程图，具体描述如下：
（1）功能需求定义：制定整车的控制策略，结合 MATLAB/Simulink 仿真软件中建立的整车模型进行离线仿真；
（2）快速反应原型：对整车控制策略进行模拟，验证控制策略的有效性；
（3）自动代码生成[55]：利用 MATLAB/Simulink 自带的 RTW 工具，将整车控制器模型生成控制器可识别并能够执行的 C 代码。将生成的 C 代码通过CodeWarrior 软件编译后生成的可执行文件下载到整车控制器中，完成整个控制系统的开发；
（4）HIL 测试：通过 HIL 测试，验证搭建的整车系统模型的准确性与整车控制器软硬件的可靠性；
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结论
为了缓解化石燃料等能源危机，同时响应国家提出的节能环保、低碳经济的主题，发展纯电动汽车能够完全消除汽车尾气排放对环境造成的污染。但纯电动汽车受制于动力电池的发展与本身有限的续驶里程，因此本文针对混合动力汽车进行研究。混合动力汽车有多套动力源，它对动力电池的依赖较小，续驶里程较长，同时可以减少化石燃料的消耗，并降低排放，是当今汽车行业发展的趋势。本文研究的整车控制器能够理解驾驶员意图，有效地分配锂离子电池与超级电容的能量，优化混合动力汽车的燃油经济性和排放性。
研究成果总结：
（1）本文主要对混合动力汽车的整车结构进行了研究，根据系统关键部件的特性，确定了整车基本参数及关键部件参数。同时根据系统关键部件的特性，完成了整车能量分配控制策略的制定；
（2）提出模糊逻辑控制策略，在 MATLAB/Simulink 中建立整车系统模型。整车系统模型包括整车控制器模型、驾驶员模型、内燃机模型、驱动电机模型、锂离子电池模型以及超级电容模型，将模糊控制策略嵌入到混合动力汽车系统模型中。在前人工作的基础上，增加了 NEDC 和 UDDS 循环工况下，对整车系统模型的仿真分析，得出了不同循环工况下锂离子电池与超级电容单元组 SOC 值、电流、功率的变化曲线，确定了混合动力汽车具体的燃油消耗量和排放值；
（3）对前人使用的遗传算法对隶属度参数进行优化，本文增加了对遗传算法的优化部分，即对传统的遗传算法进行特征选择。采用基于特征选择遗传算法进行模糊控制器的优化及仿真研究。经过研究得出，在 NEDC 循环工况下，混合动力汽车的燃油消耗量降低了 8.8%；排放值中的 HC 降低了 14.7%、CO 降低了 15.9%、NOx 降低了 17.9%；UDDS 循环工况下，混合动力汽车的燃油消耗量降低了 9.5%；排放值中的 HC 降低了 13.2%、CO 降低了 13.6%、NOx降低了 15.5%。验证了基于特征选择遗传算法对模糊控制策略优化的有效性，经过优化的模糊控制策略能够有效地降低整车的燃油消耗量和排放值。
参考文献（略）