计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略

摘要

插电式混合动力电动汽车是兼具纯电动汽车和混合动力汽车优点的新能源汽车，其既具有较长的纯电动续驶里程，又能利用燃油提供动力增加续驶里程，因此成为电动汽车研究领域中的一个重点发展方向，而能量管理策略是插电式混合动力汽车的核心技术。三元催化器温度和发动机冷却液温度等温度效应对整车动力源的能量分配以及整车的油耗和排放都具有重要影响，目前已有的能量管理策略均未考虑三元催化器温度和发动机冷却液温度等温度效应，且目前基于优化理论的能量管理策略很难应用于实时控制，因此研究既综合考虑三元催化器温度和发动机冷却液温度等温度效应，同时又能应用于实时控制的优化控制策略具有重要意义。
　　本文以某单电机插电式混合动力汽车为研究对象，以提高整车的燃油经济性和排放性为研究目标，开展了计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略研究，具体研究内容如下：
　　①插电式混合动力汽车动力传动系统参数优化匹配及建模。以国内某厂家开发的经济性轿车为基础车型，根据原型车参数及国内外相关技术指标确定了动力性约束条件，在原型车动力系统模型的基础上，以动力系统成本、发动机油耗和排放为优化目标，采用多目标遗传算法对动力传动系统部件参数进行了优化。在获得动力传动系统部件参数的基础上，对动力传动系统部件进行了实验，基于实验结果和理论计算建立了发动机、电机、电池、变速器和驾驶员模型。
　　②建立了计及三元催化器温度效应的能量管理策略。针对插电式混合动力汽车的三元催化器易工作在非正常工作温度区间从而导致催化器转化效率低的问题，提出了在催化器温度偏离其正常工作温度区间时通过附加代价函数进行温度补偿的方法，然后以发动机燃油消耗和催化器温度偏离正常工作温度区间的附加代价为目标函数，依据庞特里亚金极小值原理建立Hamilton函数，并对目标泛函进行求解，获得了计及三元催化器温度效应的能量管理策略。
　　③建立了计及驾驶室制冷/供暖功率需求的能量管理策略。在整车供暖系统结构的基础上，建立了驾驶室热模型，并通过驾驶室热模型计算了在设定环境温度和驾驶室温度下驾驶室所需的制冷功率和供暖功率；计算了完全由发动机废热供暖所需的发动机冷却液温度值。然后研究了考虑与不考虑驾驶室制冷功率需求的CD-CS模式控制策略，分析了制冷功率对插电式混合动力汽车纯电动续驶里程的影响，最后针对计及驾驶室供暖功率需求的能量管理策略，研究了基于极小值原理的被动供暖方式控制策略和主动供暖方式控制策略，并分析了系统在这两种控制策略下的能量流。
　　④建立了计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略。首先针对基于极小值原理控制策略难以应用于实时控制的问题，提出了通过缩小最优控制变量搜索空间来缩短寻优时间的近似极小值原理实时优化控制策略；其次在综合考虑三元催化器温度和发动机冷却液温度等温度效应的基础上，提出了在整车驱动效率损失不大的前提下，通过在目标函数中增加发动机冷却液温度低于温度阈值时的惩罚，以增加发动机冷却液废热供暖，减少驾驶室供暖对电池电能的消耗，同时通过加入启停滤波器对经过基于近似极小值原理实时优化控制策略优化之后的发动机转矩进行启停滤波处理，以减少发动机启停次数，从而使催化器尽量工作在起燃温度以上，提高催化器的转化效率；然后以NEDC行驶工况和上下班工况下的油耗和排放为目标，采用遗传算法对启停滤波器的滤波时间进行了优化；最后分别针对NEDC行驶工况和上下班工况对计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略进行了仿真研究。
　　⑤进行了基于近似极小值原理的插电式混合动力汽车实时优化控制策略的试验研究。首先搭建了插电式混合动力汽车动力传动系统的综合试验台，然后基于D2P工具包Motohawk和Matlab/Simulink/stateflow的图形化开发环境设计了台架测试程序，并基于ATI-VISION平台开发了其测控界面，通过台架试验实现了插电式混合动力汽车常用的功能和运行模式。在此基础上，分别设计了基于规则的CD-CS模式控制策略和基于近似极小值原理实时优化控制策略的整车控制软件，进行了实车道路实验，通过道路实验验证了基于近似极小值原理实时优化控制策略的实时性和燃油经济性。

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主要符号对照表

1 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外插电式混合动力汽车的发展现状

1.3插电式混合动力汽车能量管理策略研究现状

1.4插电式混合动力汽车现有能量管理策略存在的问题

1.5本文研究思路和主要研究内容

2 插电式混合动力汽车动力传动系统参数优化匹配及建模

2.1引言

2.2插电式混合动力汽车结构

2.3插电式混合动力汽车动力传动系统参数优化匹配

2.4插电式混合动力汽车动力系统建模

2.5本章小结

3 计及三元催化器温度效应的能量管理策略

3.1引言

3.2计及三元催化器温度效应的控制策略

3.3本章小结

4 计及驾驶室制冷/供暖功率需求的能量管理策略

4.1引言

4.2插电式混合动力汽车供暖系统结构

4.3驾驶室热模型

4.4计及驾驶室制冷功率需求的能量管理策略

4.5计及驾驶室供暖功率需求的能量管理策略

4.6本章小结

5 计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略

5.1引言

5.2基于近似极小值原理的实时优化控制策略

5.3计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略

5.4本章小结

6 插电式混合动力汽车能量管理策略试验研究

6.1引言

6.2插电式混合动力系统台架试验

6.3插电式混合动力汽车道路试验

6.4本章小结

7 全文总结

7.1 论文主要研究工作及结论

7.2 论文主要创新点及后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目