插电式并联混合动力汽车模型预测控制

摘要

插电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)与传统的混合动力汽车相比配备有更大容量的储能装置，能够利用普通电网对储能装置充电,增加了纯电动行驶里程,大大减少了汽车燃油消耗和废气排放。近年来PHEV已经成为发达国家新一代汽车发展计划中实现车辆节能减排的重要技术途径之一。
　　因PHEV具有更高的电池能量，汽车到达行驶目的地时应尽可能多的利用电池的能量，故插电式混合动力汽车的控制策略不同于传统的混合动力汽车。对插电式混合动力汽车在不同的行驶循环工况下应用全局最优经济性控制策略的研究表明，“混合控制”模式优于传统的“消耗-保持”模式。但全局最优控制策略无法用于汽车实时控制。随着GPS、GIS在汽车上的应用和普及，借助车载导航系统提供的汽车未来运行状态信息，对插电式混合动力汽车进行预测控制可进一步降低汽车实际运行工况的油耗和排放。
　　建立了插电式并联混合动力汽车动力系统各部件的数学模型，对动力系统各部件的主要性能参数进行了选择计算。将动态规划应用于模型预测控制构架中，建立了基于空间域的插电式并联混合动力汽车燃油经济性模型预测控制数学模型，将全局最优动态规划问题转化成预测视距内的局部优化问题。基于动态规划的插电式混合动力汽车全局优化控制的仿真表明，电池荷电状态（State of Charge，SOC）基本上都是从行驶起点时的最大值逐渐减少到终点时的最小允许值。提出用SOC理论斜率作为模型预测控制SOC的参考斜率，以当前位置处的实际SOC作为初始值，以预测视距终点处对应的SOC参考轨迹作为目标值，并以未来行驶工况中出现的特殊工况为依据对该目标值进行修正。仿真表明模型预测控制采用此方法能显著降低汽车油耗。
　　为了提高系统运算效率，用执行效率更高的C语言代替MATLAB语言编写了PHEV燃油经济性预测控制程序。借助MATLAB外部接口文件，通过S函数进行C语言与MATLAB\Simulink联合仿真。给出了限制发动机频繁起停控制策略，采用新欧洲行驶循环工况NEDC作为汽车未来运行工况，在不同的行驶里程下对插电式混合动力汽车预测控制进行仿真分析，计算结果验证了作者提出的基于理论SOC参考轨迹修正方法的模型预测控制是有效的。最后还就减少动态规划的“维数灾”以及预测视距的选取问题进行了研究。

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1 绪 论

1.1 插电式混合动力汽车概述

1.2 插电式混合动力汽车能量管理策略研究现状

1.3 本文研究目的和主要内容

2 插电式并联混合动力汽车数学模型及参数设计

2.1 PHEV动力传动系统结构模型

2.2 PHEV动力系统各部件参数设计方案

2.3 PHEV工作模式分析

2.4 本章小结

3 模型预测控制理论基础

3.1 引言

3.2 非线性模型预测控制原理

3.3 动态规划

3.4 汽车未来运行状态的预测

3.5 本章小结

4 插电式并联混合动力汽车燃油经济性预测控制

4.1 引言

4.2 混合动力系统动态规划数学模型

4.3 混合动力系统预测控制数学模型

4.4 插电式混合动力汽车模型预测控制策略

4.4 本章小结

5 插电式并联混合动力汽车燃油经济性仿真及分析

5.1 引言

5.2 MATLAB外部接口

5.3 模型预测控制结果及分析

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附 录