融合交通信息与自适应控制的插电式混合动力汽车能量管理策略研究

摘要

作为现代汽车发展的重要方向之一，插电式混合动力汽车（PHEV）能够兼顾纯电动汽车及传统燃油车的优点，具有燃油经济性高、尾气排放低及续航里程长等特点。PHEV能量管理将直接影响汽车动力、燃油经济以及排放等性能。随着全球定位系统、地理信息系统及智能交通系统等技术的快速发展，在设计 PHEV 能量管理算法时充分考虑道路交通信息，可进一步提升其燃油经济性。为优化PHEV的节能效果，更好解决能量管理算法的环境适应性问题，本文以一款装备机械式自动变速器的并联式 PHEV 为研究对象，进行融合交通信息与自适应控制的能量管理策略研究，主要研究与创新如下：　　① 对比各类PHEV动力传动系统的构型及优缺点，分析确定了论文所采用的混合动力系统的基本结构及工作原理；按照 PHEV 的动力性要求计算其理论需求功率；通过对国内某城市出租车数据的统计与分析，获取实际工况下动力需求功率分布；结合实际工况需求功率分布对 PHEV 动力传动系统关键部件进行参数匹配；在此基础上，建立了PHEV动力系统模型，根据所建模型对PHEV的动力性进行仿真实验，验证所匹配参数的合理性。　　② 应用模拟退火优化K均值聚类算法，将实验车采集的路况数据和标准行驶路况数据进行聚类分析，最终划分为四种工况类型。综合电池荷电状态以及实际行驶距离定义等效行驶距离系数用以描述 PHEV 的行驶距离特性，采用等效行驶距离及工况类型作为行驶工况的基本特征；根据所研究 PHEV 的各部件特征，采用动态规划算法进行全局最优能量管理求解，同时动态优化四种行驶工况类型下的基本控制策略；分析行驶工况类型和等效行驶距离对 PHEV 最优能量管理策略的影响，获取不同行驶工况下发动机启动功率、换挡及转矩分配的变化规律。　　③ 研究全局交通流平均车速信息的获取与处理方法，建立了路网模型模拟实际交通流的变化，计算路网模型的交通流平均车速信息，建立实时工况模型；针对数据采集过程中难以避免的缺失问题，基于 K最近邻算法进行交通流平均车速缺失信息补齐；在此基础上，采用小波变换和平滑滤波算法生成汽车行驶工况预期全局交通信息，仿真结果表明：所提出的数据补齐方法能够有效补充缺失的交通信息，且可有效生成用于能量管理策略的预期全局交通信息，为后续 PHEV 自适应等效燃油消耗最小能量管理策略研究奠定了基础。　　④ 根据混合动力系统的能量平衡原理，提出了一种自适应等效燃油消耗最小能量管理策略；根据全局交通信息预先确定一对边界等效因子，基于动力系统实时能量变化获得实时概率因子，通过概率因子与边界等效因子实时计算等效因子，实现动力传动系统自适应能量控制；针对三种标准工况以及不同的电池老化特性的情况，通过仿真验证所研究能量管理策略的可行性，结果表明所提出的策略与传统的ECMS 相比具有较强的适应性和稳定性，同时在不同电池老化情况下可进一步提升燃油经济性5%-11%。　　⑤ 为验证所研究的PHEV自适应能量管理策略，以虚拟交通环境作为PHEV能量管理实验平台，提出了实验平台的搭建思路；进行实时仿真系统、整车控制单元、驾驶操作单元、虚拟场景系统和动态数据监控系统集成；交通仿真环境由虚拟场景仿真软件PreScan和交通流仿真软件VISSIM共同搭建，整车控制器选用D2P对实验平台进行控制；利用NI-PXI作为实时仿真系统模拟动力传动系统各部件的状态变化，采用NI-Veristand软件对实验平台的数据进行动态监控；基于所搭建的仿真实验平台，制定了详细的实验方案并开展硬件在环仿真实验研究，验证了本文所提出的融合交通信息与自适应控制的PHEV能源管理策略的有效性。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 PHEV能量管理研究现状

1.2.1 PHEV最优控制的影响因素研究现状

1.2.2 全局交通信息生成技术研究现状

1.2.3 PHEV能量管理策略研究现状

1.2.4 PHEV能量管理实验验证方案开发研究现状

1.3 PHEV能量管理策略存在的问题

1.4 本文主要研究内容

2 PHEV系统参数匹配与建模仿真

2.1引言

2.2 PHEV构型特点分析

2.3工况分析与PHEV参数匹配

2.3.1 实际工况的需求功率分析

2.3.2 PHEV动力系统参数匹配

2.4.1 动力传动系统的建模

2.4.2 PHEV性能的仿真分析

2.5 本章小结

3 行驶工况对PHEV能量管理最优控制的影响研究

3.1 引言

3.2 行驶工况基本特性与PHEV能量管理策略

3.2.1 行驶工况类型

3.2.2 行驶距离

3.2.3 PHEV基本控制策略

3.3 应用动态规划求解

3.3.1 动态规划参数的设定

3.3.2 动态规划算法问题构建

3.3.3 动态规划能量管理求解

3.3.4 最优控制决策的获取

3.4 行驶工况对PHEV能量管理最优控制影响分析

3.4.1 行驶工况对发动机启动功率影响分析

3.4.2 行驶工况对PHEV换挡规律影响

3.4.3 行驶工况对发动机转矩分配影响研究

3.5 本章小结

4 行驶工况预期全局交通信息生成技术研究

4.1 引言

4.2 全局交通流车速信息生成

4.2.1 交通数据获取

4.2.2 交通流平均车速信息计算方法

4.2.3 基于VISSIM全局交通流平均车速信息生成

4.3 全局交通信息数据补偿算法研究

4.3.1 基于K最近邻法缺失数据补偿算法

4.3.2 数据补偿算法性能评价

4.4 融合小波变换与平滑滤波的全局交通信息生成

4.5 本章小结

5 基于能量平衡原理的自适应能量管理策略研究

5.1 引言

5.2.1 庞特里亚金极小值原理

5.2.2 等效燃油消耗最小策略

5.3.1 基于能量平衡的A-ECMS基本原理

5.3.2 基于全局交通信息的边界等效因子的确定

5.3.3 基于实时能量流变化的概率因子的在线计算

5.4 基于能量平衡原理的A-ECMS有效性验证

5.4.1 不同的驾驶循环中能量管理策略性能分析

5.4.2 考虑动力电池衰退的能量策略的适应性

5.4.3 在不同准确度的全局信息下所提算法的性能分析

5.5 本章小结

6 PHEV能量管理策略硬件在环实验研究

6.1 引言

6.2.1 设计要求

6.2.2 总体方案设计

6.2.3 硬件系统设计

6.2.4 HIL实验系统集成

6.3 虚拟交通环境开发

6.3.1 虚拟交通环境技术研究

6.3.2 虚拟道路场景设计

6.3.3 虚拟交通场景设计

6.3.4 虚拟交通环境验证

6.4 融合交通信息与自适应控制的PHEV能量管理策略实验研究

6.4.1 实验流程

6.4.2 预期全局交通信息生成技术验证

6.4.3 实验结果分析

6.5 本章小结

7 全文总结

7.1 论文主要研究工作及结论

7.2.1 论文的主要创新点

7.2.2 继续研究的方向

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

C. 学位论文数据集

致谢