并联型混合动力汽车能量管理策略研究

【摘要】： 当混合动力汽车各部件的结构及性能特性确定后,整车的燃油经济性和排放水平取决于能量管理策略。目前混合动力汽车在如何通过能量管理策略的优化,最大程度地降低整车运行油耗,并对蓄电池荷电状态进行合理管理等方面还有待深入研究,因此开展能量管理策略研究对于降低混合动力汽车油耗和排放具有重要的理论意义和应用价值。本文完成了以下的研究内容 ①建立了混合动力汽车多能源动力系统各部件数学模型;建立了驾驶员车速模糊控制模型,并考虑了汽车起步或换档过程中离合器对车速控制系统的减弱效果;建立了可用于仿真和实时控制的驾驶员需求驱动功率计算模型;建立了混合动力传动系统的动力学方程。在上述模型基础上,开发了基于前向仿真算法的并联型混合动力汽车性能仿真程序。 ②在Kim等提出的并联型混合动力汽车等效模型基础上,建立了充电/放电工况下的混合动力系统充/放电综合效率模型。对于放电工况,提出了混合动力系统的放电综合效率最大为优化目标的瞬时能量管理优化策略,并引入再生制动能量回收影响系数来反映再生制动对能量管理策略的影响。研究表明随蓄电池荷电状态(State of Charge, SOC)降低,放电转矩界限上升。对于充电工况,针对蓄电池在不同SOC的充电需求以及充电效率,提出了3种瞬时能量管理优化策略,并获得了蓄电池在不同SOC下的充电转矩界限。 ③提出了以制动时蓄电池充电条件下瞬时再生制动功率最大为主要优化目标,并在满足ECE制动法规的条件下减少车轮抱死机率,缩短制动距离的再生制动能量管理优化策略,获得了在不同蓄电池SOC、发电机转速、制动需求功率下的发电机再生制动优化转矩和前、后轮制动器制动转矩的计算方法。④提出了一种结合瞬时能量管理优化策略和蓄电池SOC管理策略,以减少汽车运行油耗为目标的能量管理策略。当混合动力汽车处于放电工况时,发动机和电动机的转矩分配仍采用瞬时放电综合效率优化控制策略,但针对循环工况初始蓄电池SOC值的不同,要求所设计的放电和充电控制策略能使汽车在循环工况结束时的SOC保持在不同的合理水平:对于循环工况初始蓄电池SOC值在其最佳范围内偏中高的,要求执行蓄电池SOC维持平衡策略;对于循环工况初始蓄电池SOC值在其最佳范围内偏中低的和小于最佳范围下限的,要求循环工况结束时SOC保持在其最佳范围内的偏中低值;对于循环工况初始蓄电池SOC值大于其最佳范围上限的,要求循环工况结束时SOC降到其初始值以下,但不低于SOC的最佳范围的上限,且初始SOC愈高,要求循环工况终了时的SOC下降得愈多。上述蓄电池SOC管理策略的目的是提高放电和充电控制策略适应汽车实际运行工况的负荷统计特征的能力,降低混合动力汽车的运行油耗。 当混合动力汽车处于充电工况时,发动机和发电机的转矩分配仍采用瞬时能量管理优化策略,但充电转矩界限根据汽车运行工况的负荷和车速统计特征进行设计。根据汽车运行工况的需求转矩分布密度和车速分布统计特征,得到充电工况切入的车速界限。提出了确定充电工况切入条件的方法:即设置不同的充电车速界限,以蓄电池SOC在某给定范围内充电后的循环工况油耗最小和循环工况终了时SOC值符合SOC管理策略要求为准测,得出合理的充电车速界限,确定蓄电池SOC在某给定范围内的充电控制策略。改变蓄电池SOC范围和充电车速界限,重复上述过程,最后获得蓄电池SOC在不同给定范围内的充电控制策略,该策略以蓄电池SOC、车速和/或充电转矩界限作为充电工况的转入条件。 轻度混合动力汽车在NEDC循环工况的燃油经济性仿真表明,与传统的基础车型比较,并联型轻度混合动力系统的燃油消耗显著降低。 ⑤设计了基于dSPACE实时仿真系统快速控制原型技术的实时仿真控制主程序,完成了轻度混合动力传动系统控制试验研究。ISG启动发动机的实验表明电动机转速的模糊逻辑控制的稳定性好于PI控制。完成了混合动力传动系统从起步,连续换档加速,匀速到减速制动工况的控制实验,实验验证了所建立的混合动力汽车仿真模型的有效性。 【关键词】：混合动力汽车 能量管理策略 蓄电池荷电状态 燃油消耗 优化与仿真
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 1 绪论13-29
• 1.1 课题的来源及研究意义13-14
• 1.2 混合动力汽车分类14-16
• 1.3 国内外研究现状16-28
• 1.3.1 能量管理策略研究现状16-25
• 1.3.2 再生制动能量管理策略研究现状25-26
• 1.3.3 能量管理策略发展趋势26-28
• 1.4 本文的主要研究内容28-29
• 2 并联型混合动力系统数学建模29-47
• 2.1 引言29
• 2.2 并联型轻度混合动力汽车结构原理29-31
• 2.3 发动机数值模型31-34
• 2.3.1 发动机数值模型31-33
• 2.3.2 发动机节气门开度计算模型33-34
• 2.4 电动机/发电机数学模型34-35
• 2.5 蓄电池计算模型35-36
• 2.6 驾驶员数学模型36-40
• 2.7 驾驶员需求驱动功率计算模型40-42
• 2.8 离合器数学模型42-43
• 2.9 混合动力传动系统动力学方程43-46
• 2.10 本章小结46-47
• 3 并联型混合动力汽车驱动工况能量管理策略优化47-65
• 3.1 引言47
• 3.2 混合动力传动系统综合效率47-52
• 3.2.1 充电工况的系统综合效率47-49
• 3.2.2 放电工况的系统综合效率49-52
• 3.3 混合动力传动系统能量管理策略优化模型52-55
• 3.3.1 充电工况能量管理策略优化模型52-53
• 3.3.2 放电工况能量管理策略优化模型53-55
• 3.4 混合动力传动系统能量管理策略优化结果55-64
• 3.4.1 充电工况能量管理策略优化结果55-61
• 3.4.2 放电工况能量管理策略优化结果61-64
• 3.5 本章小结64-65
• 4 并联型混合动力汽车制动工况能量管理策略优化65-77
• 4.1 引言65
• 4.2 再生制动能量管理优化策略65-74
• 4.2.1 制动强度小于0.2 时的再生制动能量管理策略68-71
• 4.2.2 制动强度大于等于0.2 小于0.7 时的再生制动能量管理策略71-73
• 4.2.3 制动强度大于0.7 时的再生制动能量管理策略73-74
• 4.3 再生制动转矩的优化计算74-76
• 4.4 本章小结76-77
• 5 基于循环工况的能量管理策略及汽车燃油经济性仿真77-97
• 5.1 引言77
• 5.2 蓄电池SOC 的管理策略77-81
• 5.2.1 汽车循环工况的统计特征77-79
• 5.2.2 蓄电池SOC 的管理策略79-81
• 5.3 基于循环工况的能量管理策略81-90
• 5.4 并联型轻度混合动力汽车燃油经济性仿真分析90-95
• 5.5 本章小结95-97
• 6 并联型轻度混合动力传动系统控制实验研究97-112
• 6.1 引言97
• 6.2 混合动力传动系统实验台原理及实时仿真控制系统97-104
• 6.2.1 混合动力传动系统实验台结构原理97-100
• 6.2.2 混合动力传动系统实时仿真控制系统100-104
• 6.3 混合动力传动系统控制实验104-111
• 6.3.1 发动机启动实验104-105
• 6.3.2 轻载充电控制试验105-106
• 6.3.3 电动机助力控制试验106-109
• 6.3.4 再生制动控制试验109-111
• 6.4 本章小结111-112
• 7 结论与展望112-116
• 7.1 主要结论112-114
• 7.2 后续研究工作的展望114-116
• 致谢116-117
• 参考文献117-124
• 附录124-127
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录124-125
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目125-127

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