計及溫度效應(yīng)的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略

【摘要】：插電式混合動力電動汽車是兼具純電動汽車和混合動力汽車優(yōu)點的新能源汽車,其既具有較長的純電動續(xù)駛里程,又能利用燃油提供動力增加續(xù)駛里程,因此成為電動汽車研究領(lǐng)域中的一個重點發(fā)展方向,而能量管理策略是插電式混合動力汽車的核心技術(shù)。三元催化器溫度和發(fā)動機冷卻液溫度等溫度效應(yīng)對整車動力源的能量分配以及整車的油耗和排放都具有重要影響,目前已有的能量管理策略均未考慮三元催化器溫度和發(fā)動機冷卻液溫度等溫度效應(yīng),且目前基于優(yōu)化理論的能量管理策略很難應(yīng)用于實時控制,因此研究既綜合考慮三元催化器溫度和發(fā)動機冷卻液溫度等溫度效應(yīng),同時又能應(yīng)用于實時控制的優(yōu)化控制策略具有重要意義。本文以某單電機插電式混合動力汽車為研究對象,以提高整車的燃油經(jīng)濟性和排放性為研究目標(biāo),開展了計及溫度效應(yīng)的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略研究,具體研究內(nèi)容如下:①插電式混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配及建模。以國內(nèi)某廠家開發(fā)的經(jīng)濟性轎車為基礎(chǔ)車型,根據(jù)原型車參數(shù)及國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)指標(biāo)確定了動力性約束條件,在原型車動力系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,以動力系統(tǒng)成本、發(fā)動機油耗和排放為優(yōu)化目標(biāo),采用多目標(biāo)遺傳算法對動力傳動系統(tǒng)部件參數(shù)進行了優(yōu)化。在獲得動力傳動系統(tǒng)部件參數(shù)的基礎(chǔ)上,對動力傳動系統(tǒng)部件進行了實驗,基于實驗結(jié)果和理論計算建立了發(fā)動機、電機、電池、變速器和駕駛員模型。②建立了計及三元催化器溫度效應(yīng)的能量管理策略。針對插電式混合動力汽車的三元催化器易工作在非正常工作溫度區(qū)間從而導(dǎo)致催化器轉(zhuǎn)化效率低的問題,提出了在催化器溫度偏離其正常工作溫度區(qū)間時通過附加代價函數(shù)進行溫度補償?shù)姆椒?然后以發(fā)動機燃油消耗和催化器溫度偏離正常工作溫度區(qū)間的附加代價為目標(biāo)函數(shù),依據(jù)龐特里亞金極小值原理建立Hamilton函數(shù),并對目標(biāo)泛函進行求解,獲得了計及三元催化器溫度效應(yīng)的能量管理策略。③建立了計及駕駛室制冷/供暖功率需求的能量管理策略。在整車供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,建立了駕駛室熱模型,并通過駕駛室熱模型計算了在設(shè)定環(huán)境溫度和駕駛室溫度下駕駛室所需的制冷功率和供暖功率;計算了完全由發(fā)動機廢熱供暖所需的發(fā)動機冷卻液溫度值。然后研究了考慮與不考慮駕駛室制冷功率需求的CD-CS模式控制策略,分析了制冷功率對插電式混合動力汽車純電動續(xù)駛里程的影響,最后針對計及駕駛室供暖功率需求的能量管理策略,研究了基于極小值原理的被動供暖方式控制策略和主動供暖方式控制策略,并分析了系統(tǒng)在這兩種控制策略下的能量流。④建立了計及溫度效應(yīng)的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略。首先針對基于極小值原理控制策略難以應(yīng)用于實時控制的問題,提出了通過縮小最優(yōu)控制變量搜索空間來縮短尋優(yōu)時間的近似極小值原理實時優(yōu)化控制策略;其次在綜合考慮三元催化器溫度和發(fā)動機冷卻液溫度等溫度效應(yīng)的基礎(chǔ)上,提出了在整車驅(qū)動效率損失不大的前提下,通過在目標(biāo)函數(shù)中增加發(fā)動機冷卻液溫度低于溫度閾值時的懲罰,以增加發(fā)動機冷卻液廢熱供暖,減少駕駛室供暖對電池電能的消耗,同時通過加入啟停濾波器對經(jīng)過基于近似極小值原理實時優(yōu)化控制策略優(yōu)化之后的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進行啟停濾波處理,以減少發(fā)動機啟停次數(shù),從而使催化器盡量工作在起燃溫度以上,提高催化器的轉(zhuǎn)化效率;然后以NEDC行駛工況和上下班工況下的油耗和排放為目標(biāo),采用遺傳算法對啟停濾波器的濾波時間進行了優(yōu)化;最后分別針對NEDC行駛工況和上下班工況對計及溫度效應(yīng)的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略進行了仿真研究。⑤進行了基于近似極小值原理的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略的試驗研究。首先搭建了插電式混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)的綜合試驗臺,然后基于D2P工具包Motohawk和Matlab/Simulink/stateflow的圖形化開發(fā)環(huán)境設(shè)計了臺架測試程序,并基于ATI-VISION平臺開發(fā)了其測控界面,通過臺架試驗實現(xiàn)了插電式混合動力汽車常用的功能和運行模式。在此基礎(chǔ)上,分別設(shè)計了基于規(guī)則的CD-CS模式控制策略和基于近似極小值原理實時優(yōu)化控制策略的整車控制軟件,進行了實車道路實驗,通過道路實驗驗證了基于近似極小值原理實時優(yōu)化控制策略的實時性和燃油經(jīng)濟性。 【關(guān)鍵詞】：插電式混合動力汽車 能量管理策略 溫度效應(yīng) 實時優(yōu)化控制 燃油經(jīng)濟性和排放
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U469.7
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 主要符號對照表11-15
• 1 緒論15-29
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 國內(nèi)外插電式混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀16-21
• 1.3 插電式混合動力汽車能量管理策略研究現(xiàn)狀21-26
• 1.3.1 基于規(guī)則的能量管理策略研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3.2 瞬時優(yōu)化能量管理策略研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3.3 全局優(yōu)化能量管理策略研究現(xiàn)狀25-26
• 1.4 插電式混合動力汽車現(xiàn)有能量管理策略存在的問題26
• 1.5 本文研究思路和主要研究內(nèi)容26-29
• 2 插電式混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配及建模29-49
• 2.1 引言29
• 2.2 插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)29-30
• 2.3 插電式混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配30-37
• 2.3.1 優(yōu)化目標(biāo)30-32
• 2.3.2 優(yōu)化參數(shù)的選擇32-34
• 2.3.3 約束條件34-35
• 2.3.4 優(yōu)化算法35
• 2.3.5 優(yōu)化匹配結(jié)果及分析35-37
• 2.4 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)建模37-47
• 2.4.1 發(fā)動機模型38-43
• 2.4.2 電機模型43-44
• 2.4.3 動力電池模型44-45
• 2.4.4 變速器模型45-46
• 2.4.5 駕駛員模型46-47
• 2.4.6 整車動力學(xué)模型47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 3 計及三元催化器溫度效應(yīng)的能量管理策略49-59
• 3.1 引言49
• 3.2 計及三元催化器溫度效應(yīng)的控制策略49-58
• 3.2.1 極小值原理理論基礎(chǔ)49-51
• 3.2.2 控制策略的目標(biāo)函數(shù)51-52
• 3.2.3 Hamilton函數(shù)的建立與求解52-56
• 3.2.4 計及三元催化器溫度效應(yīng)的能量管理策略仿真結(jié)果分析56-58
• 3.3 本章小結(jié)58-59
• 4 計及駕駛室制冷/供暖功率需求的能量管理策略59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 插電式混合動力汽車供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)59-60
• 4.3 駕駛室熱模型60-61
• 4.4 計及駕駛室制冷功率需求的能量管理策略61-62
• 4.5 計及駕駛室供暖功率需求的能量管理策略62-69
• 4.5.1 計及駕駛室供暖功率需求的控制策略63-65
• 4.5.2 計及駕駛室供暖功率需求的控制策略仿真結(jié)果分析65-67
• 4.5.3 計及駕駛室供暖功率需求的控制策略的能量流分析67-69
• 4.6 本章小結(jié)69-71
• 5 計及溫度效應(yīng)的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略71-93
• 5.1 引言71
• 5.2 基于近似極小值原理的實時優(yōu)化控制策略71-80
• 5.2.1 Hamilton函數(shù)71-72
• 5.2.2 發(fā)動機瞬時油耗擬合模型72-74
• 5.2.3 電池瞬時等效油耗擬合模型74-76
• 5.2.4 控制變量的求解76-78
• 5.2.5 仿真結(jié)果分析78-80
• 5.3 計及溫度效應(yīng)的插電式混合動力汽車實時優(yōu)化控制策略80-91
• 5.3.1 計及溫度效應(yīng)的實時優(yōu)化控制策略的Hamilton函數(shù)81
• 5.3.2 計及溫度效應(yīng)的實時優(yōu)化控制策略的求解流程81-82
• 5.3.3 基于遺傳算法的濾波時間優(yōu)化82-84
• 5.3.4 計及溫度效應(yīng)的實時優(yōu)化控制策略仿真及結(jié)果分析84-91
• 5.4 本章小結(jié)91-93
• 6 插電式混合動力汽車能量管理策略試驗研究93-115
• 6.1 引言93
• 6.2 插電式混合動力系統(tǒng)臺架試驗93-105
• 6.2.1 插電式混合動力汽車臺架試驗系統(tǒng)構(gòu)成93-95
• 6.2.2 臺架試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)95-96
• 6.2.3 臺架試驗系統(tǒng)的軟件開發(fā)96-98
• 6.2.4 插電式混合動力系統(tǒng)臺架試驗及結(jié)果分析98-105
• 6.3 插電式混合動力汽車道路試驗105-113
• 6.3.1 整車控制軟件開發(fā)105-107
• 6.3.2 整車道路試驗及結(jié)果分析107-113
• 6.4 本章小結(jié)113-115
• 7 全文總結(jié)115-119
• 7.1 論文主要研究工作及結(jié)論115-117
• 7.2 論文主要創(chuàng)新點及后續(xù)研究工作的展望117-119
• 7.2.1 論文的主要創(chuàng)新點117
• 7.2.2 繼續(xù)研究的方向117-119
• 致謝119-121
• 參考文獻(xiàn)121-131
• 附錄131
• A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄131
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間參加的科研項目131

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