插电式气电混合动力城市客车动力匹配及能量管理策略研究

摘要

随着能源危机和环境污染等问题的日趋加重，插电式混合动力汽车由于兼具了纯电动汽车和传统燃油汽车的经济、清洁、无续航里程限制等优点而受到广泛关注，被认为是内燃机车向纯电动汽车过渡的理想产品。城市客车由于运行线路固定，怠速工况多，启动频繁等特点，尤其适合应用插电式混合动力技术。本文以某10.5米低地板城市客车为研究对象，主要针对动力系统参数匹配和能量管理策略设计及优化开展研究。
　　依据整车参数和设计开发的动力性要求，基于中国典型公交循环的特点，选用无变速箱式混合动力系统构型方案，并在每个潜在的运行状态下，对各部件之间的能量流动开展了具体的分析说明。在此基础上，对车辆功率需求进行了预估，然后对动力系统各部件进行了匹配计算。
　　在充分考虑PHEV能量管理策略设计原则的基础上，提出了基于蓄电池荷电状态（State of Charge，SOC）和期望车速的动态逻辑门限能量管理策略。根据驱动状态分为驱动模式和制动模式，驱动模式下根据电池电量分为纯电驱动、电量消耗阶段和电量保持阶段，在各个阶段下根据车速划分为不同的子模式，在每个子模式下按照等效气耗最小，最大提升经济性的原则进行各动力源之间的能量分配。
　　基于GT-Drive整车仿真软件对研究车型进行建模仿真，对动力匹配的结果和能量管理策略进行了考证。结果显示，动力性满足设计要求，能量管理策略在各子模式下的功率分配符合预期。经济性方面，在运行单个中国典型公交循环（China City Bus Cycle，CCBC）工况下，文章所研究车型运行于纯电驱动模式，电量消耗阶段和电量保持阶段相对天然气客车分别提升了51.2％，40.6％，25.6％;在运行20个连续CCBC循环工况下，本文制定的能量管理策略相对天然气客车提升了32.7％。最终通过实车转鼓试验，对经济性建模进行了验证，结果表明误差在8％以内。
　　最后基于实值遗传算法原理，引入了精英保留策略和动态交叉和变异概率，提高了收敛速度，而且可以有效避免遗传算法陷入局部最优。利用该算法解决能量管理参数优化问题，以Simulink桥接的方式实现遗传算法和GT-Drive模型的信息传递，以车辆仿真模型作为适应度函数求解器，以等效燃油经济性为优化目标对能量管理参数进行优化。经对优化结果分析，相对于依据专家经验确定的能量管理参数，优化后的模型经济性提升了6.5％，且优化解集提供了多个可选方案。

目录

声明

摘要

主要英文缩写表

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 混合动力客车发展概况

1．2．1 国外发展概况

1．2．2 国内发展概况

1．3 混合动力系统构型方案

1．4 系统参数匹配研究概况

1．5 能量管理策略的研究现状

1．5．1 逻辑门限

1．5．2 模糊理论

1．5．3 瞬时优化

1．5．4 全局优化

1．6 论文的主要研究内容

第2章 整车结构选型及动力匹配

2．1 整车构型方案分析

2．2 车辆工作模式分析

2．2．2 并联模式—自动离合器结合

2．2．3 再生制动模式

2．3 整车参数及设计指标

2．4 动力系统参数设计

2．4．1 车辆动力系统总功率匹配

2．4．2 发动机参数设计及选型

2．4．3 驱动电机参数设计

2．4．4 ISG电机参数设计

2．4．5 主减速器参数设计

2．4．6 蓄电池的参数设计

2．5 本章小结

第3章 分层动态逻辑门限能量管理策略研究

3．1 PHEV能量管理策略的设计原则

3．2 发动机工作区间的划分

3．3 分层动态逻辑门限能量管理策略设计

3．3．1 纯电驱动模式

3．3．2 电量消耗阶段

3．3．3 电量保持阶段

3．3．4 制动模式

3．4 本章小结

第4章 基于GT-Drive的整车建模和仿真

4．1 GT-Drive简介

4．2 动力性模型建模

4．3 经济性模型建模

4．4 仿真结果及验证

4．4．1 动力性仿真结果

4．4．2 经济性仿真结果及分析

4．4．3 试验验证

4．5 本章小结

第5章 基于RGA的能量管理参数优化

5．1 遗传算法简介

5．2 优化数学模型

5．2．1 优化参数的选择

5．2．2 适应度函数

5．2．3 选择算子

5．2．4 交叉算子

5．2．5 变异算子

5．2．6 终止条件

5．3 RGA算法的应用

5．4 优化结果

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的科研成果