基于出行特征的插電式混合動(dòng)力汽車能耗評(píng)價(jià)與優(yōu)化

【摘要】：汽車的電驅(qū)動(dòng)化已成為當(dāng)今汽車發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）作為一種典型的純電驅(qū)動(dòng)汽車正受到越來(lái)越廣泛地關(guān)注。但現(xiàn)有的PHEV產(chǎn)品在選型上有著較大的差異，比如豐田，福特和通用分別選擇了10英里、20英里和40英里作為其產(chǎn)品的純電續(xù)駛里程。究竟哪一種PHEV最適合在中國(guó)推廣？本文圍繞這一主題，針對(duì)PHEV面臨的三個(gè)特殊問(wèn)題展開(kāi)研究。 針對(duì)PHEV運(yùn)行過(guò)程存在電量下降和電量維持兩個(gè)階段的特點(diǎn)，本文研究改進(jìn)了其兩階段能耗的綜合評(píng)價(jià)方法。首先，通過(guò)對(duì)中美PHEV能耗評(píng)價(jià)方法的對(duì)比研究，明確了我國(guó)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)體系中對(duì)兩階段能耗的加權(quán)方法欠妥，本文另選了利用因子加權(quán)法對(duì)PHEV的兩階段能耗進(jìn)行加權(quán)。為此，在數(shù)據(jù)上，通過(guò)建立北京市乘用車出行特征數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得其出行里程分布特征；在方法上，首次提出了基于出行里程分布函數(shù)計(jì)算利用因子曲線的方法。這些成果使得出的PHEV能耗評(píng)價(jià)結(jié)果更好地反映PHEV在實(shí)際使用過(guò)程中的能耗情況。 針對(duì)PHEV可外接充電的特點(diǎn)，本文通過(guò)優(yōu)化能量管理策略解決了PHEV外充電能優(yōu)化利用的問(wèn)題。針對(duì)出行里程已知的情況，提出了可用于實(shí)時(shí)控制的近似極值原理能量管理策略（A-PMP）。該策略的核心是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗曲線進(jìn)行分段線性擬合。使用該策略可使PHEV比傳統(tǒng)的“純電動(dòng)-電量維持”策略（AECS）節(jié)油6.96%。針對(duì)出行里程未知的情況，首次提出了以平均油耗作為優(yōu)化目標(biāo)的里程自適應(yīng)最優(yōu)控制能量管理策略（RADOC）。該策略首先根據(jù)用戶的出行歷史數(shù)據(jù)得到其出行特征，然后通過(guò)利用因子加權(quán)油耗表示平均油耗，并以此作為RADOC策略的優(yōu)化目標(biāo)，從而使得用戶若干次出行后得到的平均油耗最低。采用RADOC策略可以使PHEV的平均油耗比采用AECS策略下降0.10%-4.07%。 針對(duì)PHEV增大電池容量的特點(diǎn)，本文通過(guò)優(yōu)化電池選型匹配解決了PHEV電池容量?jī)?yōu)化選擇的問(wèn)題。本研究采用了比較PHEV總擁有成本（TCO）的思路來(lái)優(yōu)化PHEV的電池容量，為此首先搭建了PHEV總擁有成本模型。該模型將PHEV的成本表示為逐年的現(xiàn)金流，并且將動(dòng)力系統(tǒng)仿真平臺(tái)、最優(yōu)能量管理策略、出行特征數(shù)據(jù)庫(kù)、電池衰退測(cè)試數(shù)據(jù)等多個(gè)領(lǐng)域的研究結(jié)果集成到該模型中。使用該TCO模型針對(duì)北京市出行特征進(jìn)行分析的結(jié)果表明，最適宜在北京市推廣的PHEV電池容量為6kW·h-8kW·h。 【關(guān)鍵詞】：插電式混合動(dòng)力 能耗 優(yōu)化 能量管理 成本
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U469.7
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-15
• 第1章 引言15-34
• 1.1 選題背景與意義15-16
• 1.2 研究課題的提出16-18
• 1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀18-32
• 1.3.1 車輛出行特征研究現(xiàn)狀18-22
• 1.3.2 能量管理策略研究現(xiàn)狀22-30
• 1.3.3 電池容量?jī)?yōu)化研究現(xiàn)狀30-32
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)32-34
• 第2章 PHEV 能耗評(píng)價(jià)方法研究34-50
• 2.1 能耗評(píng)價(jià)體系34-38
• 2.1.1 美國(guó)能耗評(píng)價(jià)體系34-37
• 2.1.2 中國(guó)能耗評(píng)價(jià)體系37
• 2.1.3 PHEV 能耗評(píng)價(jià)方法框架37-38
• 2.2 車輛測(cè)試方法38-46
• 2.2.1 測(cè)試工況38-40
• 2.2.2 兩階段判定40-42
• 2.2.3 續(xù)駛里程測(cè)試42-43
• 2.2.4 燃油消耗測(cè)試43-44
• 2.2.5 電能消耗測(cè)試44-46
• 2.3 指標(biāo)計(jì)算方法46-49
• 2.3.1 人工選擇模式的加權(quán)46-47
• 2.3.2 兩階段的加權(quán)47-48
• 2.3.3 不同工況的加權(quán)48-49
• 2.3.4 油耗電耗的加權(quán)49
• 2.4 本章小結(jié)49-50
• 第3章 北京市乘用車出行特征研究50-69
• 3.1 乘用車出行特征數(shù)據(jù)庫(kù)50-55
• 3.1.1 基于 GPS 的數(shù)據(jù)采集流程50-51
• 3.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)51-53
• 3.1.3 樣本特征53-55
• 3.2 北京市乘用車出行特征55-59
• 3.2.1 出行里程調(diào)研結(jié)果55-57
• 3.2.2 出行里程分布擬合57-59
• 3.3 基于里程分布的利用因子計(jì)算方法59-68
• 3.3.1 出行里程對(duì)油耗的影響59-61
• 3.3.2 基于里程分布方法的推導(dǎo)61-63
• 3.3.3 與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證63-65
• 3.3.4 典型里程分布與利用因子曲線65-68
• 3.4 本章小結(jié)68-69
• 第4章 典型 PHEV 構(gòu)型分析及建模69-109
• 4.1 典型 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型解析69-81
• 4.1.1 串聯(lián)式構(gòu)型解析70-71
• 4.1.2 并聯(lián)式構(gòu)型解析71-73
• 4.1.3 混聯(lián)式構(gòu)型解析73-77
• 4.1.4 構(gòu)型仿真對(duì)比77-81
• 4.2 通用 Volt 動(dòng)力系統(tǒng)道路測(cè)試81-93
• 4.2.1 Volt 動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)81-85
• 4.2.2 測(cè)試設(shè)備與方案85-88
• 4.2.3 動(dòng)力模式測(cè)試結(jié)果88-93
• 4.3 并聯(lián) PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)建模93-107
• 4.3.1 動(dòng)力系統(tǒng)選型93-95
• 4.3.2 動(dòng)力系統(tǒng)部件模型95-101
• 4.3.3 基準(zhǔn)控制策略101-103
• 4.3.4 Simulink 模型103-105
• 4.3.5 仿真結(jié)果105-107
• 4.4 本章小結(jié)107-109
• 第5章 基于已知里程的 A-PMP 能量管理策略研究109-142
• 5.1 基于極值原理的 PMP 策略110-113
• 5.1.1 優(yōu)化問(wèn)題建模110-111
• 5.1.2 PMP 策略111-113
• 5.2 A-PMP 策略113-123
• 5.2.1 PMP 優(yōu)化結(jié)果特點(diǎn)113-115
• 5.2.2 漢密爾頓算子的分段線性擬合115-117
• 5.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停優(yōu)化控制117-119
• 5.2.4 漢密爾頓算子的優(yōu)化119-121
• 5.2.5 A-PMP 策略控制流程圖121-123
• 5.3 結(jié)果與討論123-132
• 5.3.1 結(jié)果比較123-125
• 5.3.2 能流圖對(duì)比分析125-128
• 5.3.3 分段線性擬合分析128-130
• 5.3.4 不同轉(zhuǎn)矩需求分析130-132
• 5.4 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證132-141
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)132-133
• 5.4.2 CAN 協(xié)議制定133-134
• 5.4.3 模型調(diào)整134-138
• 5.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果138-141
• 5.5 本章小結(jié)141-142
• 第6章 基于未知里程的 RADOC 能量管理策略研究142-158
• 6.1 利用因子加權(quán)油耗142-144
• 6.2 優(yōu)化問(wèn)題建模及求解144-149
• 6.2.1 出行特征與整車模型144-145
• 6.2.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃建模145-148
• 6.2.3 優(yōu)化結(jié)果148-149
• 6.3 情景分析149-157
• 6.3.1 出行里程的影響150-153
• 6.3.2 電池容量的影響153-155
• 6.3.3 駕駛循環(huán)的影響155-157
• 6.4 本章小結(jié)157-158
• 第7章 TCO 模型與電池容量?jī)?yōu)化158-183
• 7.1 PHEV 全壽命成本模型158-164
• 7.1.1 模型總覽158-160
• 7.1.2 電池購(gòu)置成本160
• 7.1.3 燃油使用成本160-161
• 7.1.4 電能使用成本161
• 7.1.5 回饋成本161-163
• 7.1.6 支撐模型與數(shù)據(jù)庫(kù)163-164
• 7.2 電池容量?jī)?yōu)化結(jié)果164-169
• 7.3 情景分析169-182
• 7.3.1 參數(shù)敏感性分析169-172
• 7.3.2 北京與美國(guó)情景對(duì)比172-173
• 7.3.3 補(bǔ)貼政策影響173-176
• 7.3.4 電池種類影響176-182
• 7.4 本章小結(jié)182-183
• 第8章 結(jié)論183-187
• 參考文獻(xiàn)187-198
• 致謝198-200
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果200-201

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