基于载荷重构的混合动力公交车能量管理策略优化研究

摘要

混合动力公交车技术是实现城市“节能减排”的重要途径。为进一步挖掘混合动力公交车的节油潜力，本文结合济南市公交车运行特征对混合动力公交车能量管理策略优化进行了研究:
　　1.公交车典型工况构建
　　典型行驶工况是混合动力系统能量管理策略研究的基础，理论上不存在一种适用于所有地区和车型的标准行驶工况。针对现有研究在类内代表性工况生成时多采用片段抽取导致无法完全体现车辆瞬态行驶特征的问题，本文提出使用马尔科夫状态转移概率生成类内代表性工况，以提高车辆瞬态工况特征。与使用传统方法构建的工况对比表明，在速度、加速度、速度-加速度概率密度分布上，本文方法较传统方法有13.4％、49.3％、28.0％的改进。
　　2.公交车整车载荷重构
　　整车载荷是混合动力系统调节控制参数的依据，同时也是混合动力系统能量管理策略研究的输入条件。由于目前对混合动力公交车能量管理策略的研究多基于固定已知载荷，无法体现公交车实际运行过程中整车载荷剧烈变化的实际特征，本文以汽车纵向动力学的状态空间模型为基础，通过改变参数结构，对基于双扩展卡尔曼滤波算法的载荷重构方法进行了研究，实现了公交车整车载荷重构。与样本数据对比结果表明，算法平均收敛速度为7～12s，收敛之后的平均估计误差在3％以内，满足精度要求，表明该方法可以用于改变能量管理策略研究中载荷输入的形式。
　　3.混合动力公交车能量管理策略仿真研究
　　能量管理策略是提高混合动力公交车经济性和排放性的关键。自适应等效燃油消耗最小策略能使系统达到瞬时次优并维持电量平衡，为进一步提升其节油潜力，本文对其进行优化研究。
　　基于可变SOC的等效燃油消耗最小策略研究
　　针对传统自适应等效燃油消耗最小策略为维持电量平衡，使系统无法获取瞬时最优从而导致能耗增加的问题，本文通过理论分析固定SOC参考值的使用在传统策略中的缺点，提出以运动学片段中回收能量确定不同阶段的SOC参考值，以此设计可变SOC参考值的自适应等效燃油消耗最小策略。仿真结果表明，在维持电量平衡的基础上，本文方法的经济性较传统方法有4.61％的改进。
　　基于最优化理论的等效燃油消耗最小策略优化
　　针对上述策略中电量维持能力需要设计复杂的惩罚函数的问题，通过获取能够维持电量平衡的最优等效因子的方式降低策略复杂度。通过深入剖析等效因子的内在机理，获取最优等效因子与最优控制结果之间的关系，提出基于动态规划算法与等效燃油消耗最小算法结合获取瞬时最优等效因子的方法，并得到平均瞬时最优等效因子与电量维持水平的变化规律，以此设计相应的能量管理策略。仿真结果表明，基于最优化理论的等效燃油消耗最小策略在维持电量平衡的基础上，较前述策略有4.2％的改进，实现了能量管理策略的进一步优化。
　　4.混合动力公交车能量管理策略试验验证
　　针对仿真研究无法实现对能量管理策略实时性及可靠性评定的问题，本文搭建了基于动力总成硬件在环的虚拟整车测试系统，实现对能量管理策略的试验验证。通过分析目标车辆的物理结构及工作流程，实现了整车循环的台架模拟。在SIMULINK中实现所开发的能量管理策略，并嵌入到测控系统中来验证其有效性。循环工况运行结果表明，开发的单轴并联式混合动力虚拟整车实验台能够实现所设计的相关功能。所开发的两种策略都能够实现电量维持，经济性方面较传统的策略分别有3.18％、7.78％的改进。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 混合动力系统总成结构

1．3 混合动力公交车关键技术及研究现状

1．3．1 典型工况构建

1．3．2 行驶载荷重构

1．3．3 能量管理策略

1．3．4 实验台架开发

1．4 研究内容及思路

第2章 基于聚类和马尔科夫链的典型行驶工况构建

2．1 引言

2．2 数据采集及预处理

2．2．1 行驶工况数据采集

2．2．2 数据预处理

2．3 典型行驶工况构建

2．3．1 聚类分析

2．3．2 类内工况生成

2．3．3 典型工况合成

2．4 结果分析

2．4．1 基于V-A散点分布的对比

2．4．2 基于速度和加速度概率密度对比

2．4．3 基于速度-加速度联合概率密度分布对比

2．4．4 基于仿真的经济性对比

2．5 本章小结

第3章 基于卡尔曼滤波的公交车载荷重构方法研究

3．1 引言

3．2 模型基础

3．3 载荷重构方法及过程

3．3．1 算法简介

3．3．2 载荷重构算法改进

3．3．3 系统参数处理

3．4 结果分析

3．5 本章小结

第4章 基于可变SOC的自适应等效燃油消耗最小策略

4．1 引言

4．2 混合动力公交车系统模型

4．2．1 系统结构及参数

4．2．2 关键部件模型

4．2．3 模型有效性验证

4．3 自适应等效燃油消耗量小策略分析

4．3．1 算法介绍

4．3．2 问题与分析

4．4 基于可变SOC的自适应等效燃油消耗最小策略

4．4．1 SOC参考值获取

4．4．2 算法步骤及流程

4．5 仿真验证

4．5．1 仿真条件

4．5．2 仿真结果

4．6 本章小结

第5章 基于最优化原理的等效燃油消耗最小策略优化

5．1 引言

5．2 最优等效因子理论分析

5．2．1 等效因子内在机理

5．2．2 等效因子简化处理

5．3 基于动态规划的策略研究

5．3．1 动态规划算法简介

5．3．2 最优等效因子提取

5．3．3 A-ECMS算法设计

5．4 有效性验证

5．4．1 优化效果验证

5．4．2 工况适应性验证

5．5 本章小结

第6章 基于虚拟整车测试系统的能量管理策略验证

6．1 引言

6．2 台架功能分析

6．2 台架硬件结构

6．2．1 PM及RM模块

6．2．2 DM及CM模块

6．3 台架软件组成

6．3．1 总线数据解析

6．3．2 整车循环模拟

6．4 能量管理策略验证

6．5 本章小结

第7章 全文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果