混联式HEV传动系统参数优化及能量管理策略研究

摘要

面对日益严重的环境问题、能源危机以及严苛的排放标准，世界各国在新能源汽车的研发上投入了很大的精力，我国政府也相继出台了一系列政策和法规鼓励新能源汽车的研发与应用。混合动力汽车由于继承了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优势，在续航里程以及排放上都有不错的表现。其中，混联式HEV兼具串联式与并联式构型的优点，通过利用一套基于行星轮系的动力耦合机构使发动机转速转矩与车轮处转速转矩解耦，从而丰富了发动机的工作区间。混联式HEV具有多个动力输出源，如何协调各动力输出源的功率输出以降低车辆燃油油耗是混联式混合动力系统能否充分发挥其构型优势的关键。因此，结合耦合机构功率分流的特性以及各个动力输出源的效率特性设计良好的能量管理控制策略对混联式HEV具有非常重要的意义。
　　本文以一款采用双行星排式动力耦合机构的混联式HEV为研究对象,通过分析该混合动力系统的工作特性，对其传动系统的特征参数进行了优化研究，并探讨了改善车辆燃油经济性的优化控制策略。具体地，主要从混联式混合动力系统工作特性、车辆传动系统参数匹配与优化、能量管理策略优化设计以及硬件在环仿真验证几方面展开了研究工作，具体如下：
　　首先，对行星排式动力耦合机构进行了动力学分析，得到了动力耦合机构的特征方程，结合混联式混合动力系统的工作特征，对车辆的工作模式进行了分析，并研究了各模式下车辆的工作机理，在此基础上，进一步根据混联式HEV的参数匹配原则与方法完成了整车各部件的选型及参数化。
　　其次，基于前向建模理论，建立了混联式HEV的整车纵向动力学模型与能量管理控制系统模型，并完成了整车闭环系统仿真模型的搭建，结合优化软件Isight，采用NSGA-II优化算法对动力耦合机构特征参数和主减速器传动比进行优化研究，从而能够进一步降低整车油耗。
　　随后，详细阐述了混联式HEV能量管理系统的组成部分，在此基础上分别设计了基于规则的发动机最优曲线控制策略和基于瞬时优化算法的等效燃油消耗最小（Equivalent Fuel Consumption minimum，ECMS）控制策略。在发动机最优曲线控制中，确定了发动机的最优工作曲线，利用电机能够对发动机实现无极调速的特性使发动机运行在最优曲线上，从而使发动机工作在高效区，降低车辆油耗。在ECMS控制策略中,混合动力系统的电能消耗被等效为相应的燃油消耗，并据此建立瞬时优化目标函数，通过寻找最佳等效因子、建立修正函数，在保证电池SOC充放电平衡的基础上降低车辆燃油消耗。为了进一步改善ECMS控制策略在不同工况下的自适应能力，设计了根据电池SOC变化自适应调整等效因子的自适应等效燃油消耗最(Adaptive Equivalent fuel consumption minimum，A-ECMS)控制策略，通过分析不同控制参数对A-ECM的影响特性，确定了A-ECMS的最佳初始等效因子与更新周期。基于NEDC和UDDS循环工况的仿真结果表明，A-ECMS控制策略能够在电池SOC变化很小的情况下，得到较优的油耗表现。
　　最后，基于dSPACE仿真环境，分别建立了整车动力传递仿真模型与控制策略仿真模型，将其编译下载到仿真器中，通过硬线和总线进行信息交互，验证了发动机最优曲线控制策略与A-ECMS优化算法的有效性，为车辆控制器的实际开发与应用研究奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 混联式HEV的发展现状与趋势

1.3 混联式HEV控制策略概述

1.4 研究内容与方法

第二章 行星排耦合结构分析及整车参数匹配

2.1 行星排耦合机构分析

2.2 整车模式分析

2.4 本章小结

第三章 混联式HEV整车建模

3.1 整车建模

3.2 行星排特征参数及主减速比参数优化

3.3 本章小结

第四章 基于发动机最优曲线的能量管理策略

4.1 混联式HEV各工作模式的确定

4.2 控制系统转矩分配模块

4.3 发动机最优工作曲线控制

4.4 仿真结果分析

4.5 本章小结

第五章 基于瞬时优化的等效燃油消耗最小能量管理策略

5.1 等效燃油消耗最小优化算法

5.2 自适应等效燃油消耗最小控制策略

5.3 ECMS与A-ECMS仿真对此

5.4 本章小结

第六章 基于dSPACE的实时仿真验证

6.1 硬件在环仿真系统硬件资源

6.2 测试模型及测试环境的构建

6.3 本章小结

第七章 总结展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目及学术成果