純電動汽車能效優(yōu)化方法研究

【摘要】：隨著能源與環(huán)境問題日益嚴峻，發(fā)展零油耗、零排放的純電動汽車，被認為是交通領域的有效解決方案之一。電動汽車續(xù)航里程低是限制其快速發(fā)展的關鍵因素，能效優(yōu)化成為純電動汽車尤為迫切的研究課題。本文圍繞電動汽車能效優(yōu)化的主題，以凸優(yōu)化方法與多目標優(yōu)化方法為研究工具，從充電優(yōu)化與放電優(yōu)化兩個角度對車-網(wǎng)系統(tǒng)填谷充電優(yōu)化、電動汽車多目標充電優(yōu)化、電驅(qū)動系統(tǒng)轉矩分配優(yōu)化、動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計與制動回饋策略優(yōu)化設計等五個問題進行研究。 針對車-網(wǎng)系統(tǒng)對充電控制權的爭奪問題，設計由凸性電價曲線組成的電價方案，電動汽車自主地優(yōu)化充電曲線使得充電成本最低時，電網(wǎng)在系統(tǒng)級也達到了發(fā)電能效最優(yōu)的填谷充電效果。首次提出了同時具有協(xié)調(diào)性(可實現(xiàn)填谷效果)、實用性(不依賴雙向通訊與控制網(wǎng)絡)與自主性(不要求充電的直接控制權)的填谷充電策略。與無序充電相比，填谷充電策略充電負荷成本降低28%左右。 針對電動汽車充電成本與電池壽命的矛盾關系，首先對基于P2D模型的SEI膜生長模型進行簡化與改進，定量描述電池容量衰減。再建立多目標充電最優(yōu)化問題，通過Pareto陣面描述充電成本與電池壽命的競爭關系，從而得到一系列Pareto最優(yōu)充電曲線，實現(xiàn)電動汽車多目標充電優(yōu)化。 針對廣義轉矩分配優(yōu)化問題，首先基于永磁同步電機損耗模型，推導電驅(qū)動系統(tǒng)輸入輸出特性的凸性質(zhì)。在四輪轉矩分配優(yōu)化方面(空間轉矩分配優(yōu)化)，通過凸優(yōu)化得到不同電機構型的“等損耗梯度”策略與相同電機構型的“等轉矩分配”策略。在“加速-滑行”(PG)策略優(yōu)化方面(時間轉矩分配優(yōu)化)，通過最優(yōu)控制問題推導出“定速駕駛”策略是電驅(qū)動系統(tǒng)的最優(yōu)PG策略。同時指出，滑行階段斷開離合器可改變輸入輸出特性的凸性質(zhì)，能量流分析表明，提出的PG改進策略的能效優(yōu)化潛力達8.5%。 為試驗驗證PG策略優(yōu)化的理論研究成果，本文對純電動汽車動力系統(tǒng)平臺進行設計與開發(fā)，并研究開發(fā)過程中影響能效水平的兩個關鍵問題，分別是動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計與制動回饋策略優(yōu)化設計。前者方面，通過多目標優(yōu)化解決待優(yōu)化指標互相矛盾的問題，以Pareto陣面描述指標間的競爭關系；后者方面，兼顧回饋效率與制動效能，設計與對比前驅(qū)與后驅(qū)車型的多種制動回饋策略，主要研究特點是對策略的約束條件與適用范圍進行了明晰界定。 【關鍵詞】：電動汽車 能效優(yōu)化 凸優(yōu)化 填谷充電 轉矩分配
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U469.72
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-10
• 主要符號對照表10-17
• 第1章 引言17-32
• 1.1 課題背景與選題意義17-21
• 1.1.1 電動汽車17-18
• 1.1.2 車-網(wǎng)系統(tǒng)18-19
• 1.1.3 課題的提出19-21
• 1.2 與本課題相關的國內(nèi)外已有研究現(xiàn)狀綜述21-30
• 1.2.1 車-網(wǎng)系統(tǒng)的填谷充電優(yōu)化21-23
• 1.2.2 電動汽車充電優(yōu)化23-25
• 1.2.3 轉矩分配優(yōu)化25-26
• 1.2.4 動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計26-28
• 1.2.5 制動回饋策略優(yōu)化設計28-30
• 1.3 本文研究內(nèi)容與研究方法30-32
• 第2章 車-網(wǎng)系統(tǒng)的填谷充電優(yōu)化32-60
• 2.1 本章引言32-33
• 2.2 車-網(wǎng)系統(tǒng)描述33-36
• 2.2.1 原始負荷曲線與發(fā)電成本模型33-35
• 2.2.2 電動汽車數(shù)量與車輛出行特征35-36
• 2.3 系統(tǒng)級充電最優(yōu)化36-40
• 2.4 部件級單目標充電優(yōu)化40-42
• 2.5 電價方案設計42-49
• 2.6 魯棒性分析49-58
• 2.6.1 系統(tǒng)級的預測偏差影響49-53
• 2.6.2 部件級有限響應能力的影響53-55
• 2.6.3 部件級有限響應意愿的影響55-58
• 2.7 本章小結58-60
• 第3章 電動汽車多目標充電優(yōu)化60-86
• 3.1 本章引言60
• 3.2 電池耐久性模型60-73
• 3.2.1 鋰離子電池 P2D 模型61-68
• 3.2.2 基于 P2D 模型的副反應模型68-69
• 3.2.3 P2D 模型仿真分析69-73
• 3.3 P2D 模型的簡化73-80
• 3.3.1 0維代數(shù)模型73-74
• 3.3.2 改進模型74-77
• 3.3.3 仿真對比分析77-80
• 3.4 部件級多目標充電優(yōu)化80-85
• 3.4.1 多目標充電優(yōu)化問題81-83
• 3.4.2 對系統(tǒng)級填谷效果的影響83-85
• 3.5 本章小結85-86
• 第4章 電驅(qū)動系統(tǒng)轉矩分配優(yōu)化86-109
• 4.1 本章引言86
• 4.2 電驅(qū)動系統(tǒng)輸入輸出特性86-92
• 4.2.1 輸入輸出特性的表達形式86-87
• 4.2.2 電機損耗模型87-89
• 4.2.3 輸入輸出特性的凸性質(zhì)89-92
• 4.3 空間轉矩分配優(yōu)化92-101
• 4.3.1 “等損耗梯度”策略93-94
• 4.3.2 “等效率分配”策略94-96
• 4.3.3 “等轉矩分配”策略與“兩輪模式”的對比分析96-101
• 4.4 時間轉矩分配優(yōu)化101-107
• 4.4.1 最優(yōu)控制問題定義102-103
• 4.4.2 最優(yōu)控制問題求解103-107
• 4.5 本章小結107-109
• 第5章 動力系統(tǒng)參數(shù)多目標優(yōu)化設計109-125
• 5.1 本章引言109
• 5.2 車輛的性能指標定義109-110
• 5.2.1 最低性能指標109
• 5.2.2 待優(yōu)化指標109-110
• 5.3 多目標優(yōu)化問題定義與求解方法110-116
• 5.3.1 最優(yōu)化問題定義111-112
• 5.3.2 傳動比可行域112-116
• 5.3.3 求解算法116
• 5.4 參數(shù)優(yōu)化設計實例116-124
• 5.4.1 換檔邏輯116-117
• 5.4.2 可選電機117
• 5.4.3 傳動比可行域求解117-120
• 5.4.4 Pareto 最優(yōu)解集120-123
• 5.4.5 最終方案123-124
• 5.5 本章小結124-125
• 第6章 制動回饋策略優(yōu)化設計125-147
• 6.1 本章引言125
• 6.2 約束條件界定125-129
• 6.2.1 制動力學簡述125-126
• 6.2.2 制動法規(guī)約束條件126-128
• 6.2.3 解耦控制約束條件128
• 6.2.4 冗余性約束條件128
• 6.2.5 可選約束條件128-129
• 6.3 制動回饋策略評價體系129-131
• 6.3.1 回饋效率評價129-131
• 6.3.2 制動效能評價131
• 6.4 制動回饋策略設計(后驅(qū))131-137
• 6.4.1 并聯(lián)制動策略 RP1132-133
• 6.4.2 并聯(lián)制動策略 RP2133
• 6.4.3 串聯(lián)制動策略 RS1133-135
• 6.4.4 串聯(lián)制動策略 RS2135-137
• 6.5 制動回饋策略設計(前驅(qū))137-141
• 6.5.1 并聯(lián)制動策略 FP1138
• 6.5.2 最優(yōu)回饋效率的串聯(lián)制動策略 FS1138-139
• 6.5.3 兼顧制動效能的串聯(lián)制動策略 FS2139-140
• 6.5.4 載荷分配的影響140-141
• 6.6 策略綜合評價與對比141-145
• 6.6.1 后驅(qū)方案141-142
• 6.6.2 前驅(qū)方案142-144
• 6.6.3 綜合對比144-145
• 6.7 本章小結145-147
• 第7章 動力系統(tǒng)平臺開發(fā)與試驗147-177
• 7.1 本章引言147
• 7.2 動力系統(tǒng)平臺開發(fā)147-152
• 7.2.1 動力控制系統(tǒng)結構148-149
• 7.2.2 TTCAN 網(wǎng)絡協(xié)議結構149
• 7.2.3 整車控制算法邏輯結構149-150
• 7.2.4 軟件在環(huán)仿真平臺150-151
• 7.2.5 MATLAB Simulink 自動代碼生成151-152
• 7.2.6 遠程監(jiān)控系統(tǒng)152
• 7.3 測功機臺架試驗與轉鼓試驗152-159
• 7.3.1 動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計驗證155-157
• 7.3.2 制動回饋策略優(yōu)化設計驗證157-159
• 7.4 P&G 駕駛策略優(yōu)化驗證159-175
• 7.4.1 動力系統(tǒng)模型修正160-164
• 7.4.2 能量流仿真分析164-168
• 7.4.3 P&G 策略的參數(shù)分析168-172
• 7.4.4 轉鼓試驗驗證172-175
• 7.5 本章小結175-177
• 第8章 總結與展望177-182
• 8.1 論文工作總結177-180
• 8.2 展望與建議180-182
• 參考文獻182-196
• 致謝196-198
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果198-199

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