单电机ISG型AMT重度混合动力汽车能量管理策略研究

【摘要】：混合动力汽车HEV(Hybrid Electric Vehicle, HEV)能量管理策略是决定混合动力汽车性能的关键技术之一，合理有效的能量管理策略是混合动力汽车降低综合燃油消耗、排放和保持良好动力性的关键。因此开展对混合动力汽车能量管理策略的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本论文针对一款全新的单电机ISG(Integrated Starter Generator, ISG)型AMT(Automated Manual Transmission, AMT)重度混合动力系统，结合行星齿轮机构和AMT的工作特性，对该系统的能量管理策略进行研究，主要研究内容如下： ①根据单电机ISG型AMT重度混合动力汽车动力传动系统的结构特点，对行星齿轮机构的转速和转矩工作特性进行了深入研究，分析了该混合动力传动系统各工作模式下的工作原理，给出了系统输出转速、转矩以及各动力源功率分配关系式，在此基础上，确定了该混合动力系统各工作模式之间的状态切换关系。 ②根据单电机ISG型AMT重度混合动力汽车的结构、功能特点和动力性指标，进行发动机、ISG电机、镍氢动力电池、AMT变速器、行星齿轮机构、湿式多片离合器及其液压控制系统参数的匹配研究。在关键零部件参数匹配的基础上，对发动机、ISG电机和镍氢动力电池进行台架性能实验，建立了表达发动机、ISG电机、镍氢动力电池性能特性的数值模型；通过对液压泵站的性能测试，获得了比例阀的占空比与湿式多片离合器接合压力的数值关系；在此基础上，对混合动力系统的动力性进行了分析，通过典型城市工况仿真分析结果，验证了该混合动力传动系统部件参数匹配的合理性。 ③建立了单电机ISG型AMT重度混合动力汽车驱动工作模式下的动力学方程，综合考虑发动机效率、ISG电机电动和发电效率、镍氢动力电池充放电效率以及传动系效率，分析推导了该混合动力汽车各典型驱动工作模式下的系统效率计算模型；以动力部件（包括发动机、ISG电机和镍氢动力电池）的性能特性作为约束条件，建立起不同驱动工作模式下的系统效率优化模型，获得了在给定车速、加速度条件下的系统工作模式切换规律、AMT换挡规律以及ISG电机最佳电动转矩和发电转矩；在满足制动法规的前提条件下，建立起整车再生制动工况下的能量回收模型，以动力电池能量回收最大化为目标，综合考虑整车制动强度、ISG电机制动力、AMT挡位和动力电池SOC(State of Charge, SOC)，制定了再生制动工况下的能量回收控制策略和AMT换挡控制策略。 ④针对固定循环工况下所制定的混合动力汽车能量管理策略存在的局限性，从ADVISOR软件中选取覆盖车辆实际行驶工况的20个典型循环工况，以整车综合燃油消耗和动力电池寿命为综合优化目标，利用粒子群算法对各工况下能量管理策略中所涉及的关键参数进行优化，并根据优化结果建立数据库，提出了基于行驶工况识别的混合动力汽车动态能量管理策略。最后，选择随机工况对所制定的能量管理策略进行仿真，结果表明：本文所制定的动态能量管理策略与未采用工况识别的能量管理策略相比，车辆综合燃油消耗下降10.70%，动力电池温升和平均有效工作电流分别下降2.46℃和1.63A。 ⑤研制了单电机ISG型AMT重度混合动力传动系统硬件在环仿真试验台架。利用Matlab/Simulink仿真平台和dSPACE实时控制工具，开发了试验台架的实时监控系统，分别对纯电动行驶中启动发动机模式、行车充电驱动模式、ISG电机助力驱动模式以及再生制动模式进行了试验测试，结果表明本文所提出的整车能量管理策略具有良好的控制效果。 【关键词】：单电机混合动力汽车 行星齿轮机构 电控机械自动变速器 能量管理策略 仿真与试验
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 课题背景及意义10-12
• 1.2 混合动力汽车的研究现状12-20
• 1.2.1 国内外混合动力系统发展状况12-17
• 1.2.2 混合动力系统能量管理策略研究现状17-20
• 1.3 本文研究对象与研究内容20-24
• 1.3.1 本文研究对象20-21
• 1.3.2 本文主要研究内容21-24
• 2 单电机重度混合动力汽车工作模式分析24-36
• 2.1 前言24
• 2.2 行星齿轮机构特性分析24-26
• 2.2.1 转速特性分析24-25
• 2.2.2 转矩特性分析25-26
• 2.3 动力传动系统工作模式分析26-34
• 2.3.1 停车模式26
• 2.3.2 驻车发电模式26-27
• 2.3.3 车辆起步模式27-28
• 2.3.4 纯电动驱动模式28-29
• 2.3.5 行车充电驱动模式29-31
• 2.3.6 发动机单独驱动模式31-32
• 2.3.7 ISG 电机助力驱动模式32-33
• 2.3.8 再生制动工作模式33-34
• 2.4 各工作模式间转换关系34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 单电机重度混合动力传动系统参数匹配与数值建模36-64
• 3.1 前言36
• 3.2 整车动力性指标36
• 3.3 动力传动系统关键部件参数匹配与数值建模36-54
• 3.3.1 发动机36-39
• 3.3.2 ISG 电机39-41
• 3.3.3 动力电池41-48
• 3.3.4 变速器48-49
• 3.3.5 行星齿轮机构49-50
• 3.3.6 湿式多片离合器与液压泵站50-54
• 3.4 整车传动系统匹配仿真分析54-62
• 3.4.1 整车动力性分析54-57
• 3.4.2 城市循环工况57-58
• 3.4.3 混合动力汽车基本控制策略58-59
• 3.4.4 城市循环工况仿真结果59-62
• 3.5 本章小结62-64
• 4 单电机重度混合动力汽车全工况控制策略研究64-90
• 4.1 前言64
• 4.2 驱动工况下的整车系统效率分析与优化64-77
• 4.2.1 纯电动驱动工作模式下的系统效率分析与优化64-67
• 4.2.2 行车充电驱动工作模式下的系统效率分析与优化67-72
• 4.2.3 发动机单独驱动工作模式下的系统效率分析与优化72-74
• 4.2.4 ISG 电机助力驱动工作模式下的系统效率分析与优化74-77
• 4.3 驱动工况下的系统工作模式切换规律研究77-79
• 4.4 再生制动工况下的系统能量回收79-88
• 4.4.1 整车制动过程的受力分析80
• 4.4.2 各子系统制动力80-83
• 4.4.3 制动力分配策略83-84
• 4.4.4 再生制动能量回收控制策略84-85
• 4.4.5 再生制动能量回收模型及其优化85-87
• 4.4.6 最优挡位决策的再生制动能量回收控制策略87-88
• 4.5 本章小结88-90
• 5 单电机重度混合动力汽车能量管理策略动态优化与仿真90-108
• 5.1 前言90-91
• 5.2 行驶工况聚类分析91-95
• 5.2.1 行驶工况特征参数的提取91-92
• 5.2.2 行驶工况的聚类分析方法92-94
• 5.2.3 行驶工况的聚类分析结果94-95
• 5.3 行驶工况模式识别95-97
• 5.3.1 行驶工况的模式识别方法95-96
• 5.3.2 行驶工况的模式识别结果96-97
• 5.4 随机工况下的整车能量管理策略动态优化与仿真97-105
• 5.4.1 典型循环工况下的整车能量管理策略控制参数优化98-102
• 5.4.2 整车动态能量管理策略制定与仿真分析102-105
• 5.5 本章小结105-108
• 6 单电机重度混合动力系统硬件在环台架试验研究108-126
• 6.1 前言108-109
• 6.2 台架试验系统的研制109-117
• 6.2.1 台架系统结构组成109-112
• 6.2.2 台架相关子系统工作原理112-117
• 6.2.3 台架系统测控软件开发117
• 6.3 试验结果与分析117-124
• 6.3.1 纯电动运行中启动发动机试验117-119
• 6.3.2 行车充电试验119-121
• 6.3.3 ISG 电机加速助力试验121-122
• 6.3.4 再生制动试验122-124
• 6.4 本章小结124-126
• 7 全文总结126-130
• 7.1 论文主要研究工作及结论126-127
• 7.2 论文的主要创新点和继续研究的方向127-130
• 7.2.1 创新点127-128
• 7.2.2 继续研究方向128-130
• 致谢130-132
• 参考文献132-140
• 附录140-141
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录140-141
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目141

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