基于油电液混合动力系统的能量管理策略研究

摘要

为了解决能源危机和环境污染这两大世界难题，各汽车大国相继颁布了新的排放标准，这严重制约了汽车行业的进一步发展。在汽车节能减排方面，混合动力汽车作为传统燃油汽车向纯电动汽车发展的必由之路，受到了国内外的广泛关注，同时各科研机构及汽车制造商也陆续开始了针对混合动力汽车的研发工作。本文正是依托国家自然科学基金项目“基于安全性、高效性和平顺性的 CVT 重度混合动力汽车电液复合制动耦合特性与控制研究”(项目批准号51575063)，以一种新型混合动力系统为研究对象，在完成动力传动系统参数匹配的基础上，对其驱动、制动模式下的能量管理策略做了相关研究，具体工作如下：　　(1)在对新型混合动力系统结构方案进行分析的基础上，使用理论计算与循环工况综合分析法，对包括发动机、电机、电池、液压泵/马达、液压蓄能器在内的动力系统参数进行了初步设计；采用试验建模法建立了发动机、电机及电池的数值模型，采用理论建模法建立了液压泵/马达和液压蓄能器模型；此外，还建立了可模拟驾驶员操作的驾驶员模型及整车动力学模型。　　(2)对混合动力汽车的工作模式进行分析，并确定了以液压能、电能为主的驱动模式选择策略，同时提出了基于最优工作曲线的逻辑门限值能量管理策略；为了对能量管理策略参数和动力系统部件参数进行联合优化以获得较低的整车动力系统制造成本及能量消耗，本文在将多目标优化问题转化为单目标优化问题的基础上，运用遗传算法迭代寻找与最小适应度值相对应的最优参数，对优化结果进行的动力性仿真表明，动力系统参数设计可以满足整车动力性要求。　　(3)针对驱动工况，提出了一种基于瞬时能耗成本最低的实时能量管理策略，该策略以单一动力源驱动模式或混合动力驱动模式下的瞬时能耗成本为目标函数，以车辆需求转矩、车速及相关动力部件的工作范围为约束条件，并利用网格遍历法求得不同动力需求下各优化变量的目标值，以此构成MAP表便于实时控制；针对制动工况，通过分析传统四轮驱动汽车的前后轴制动力分配策略，提出了以液压泵/马达为主、电机为辅的制动力分配策略，并对电机参与制动下的工作点进行了优化，仿真结果表明，提出的能量管理策略可以实现预期的控制目标。　　(4)对基于动态规划的全局优化能量管理策略进行了研究，包括将关于能量管理策略的优化问题转化为基于 DP 的多阶段决策问题；对电池Soc、液压蓄能器1Soc ，前轴转矩分配系数、cvt速比及发动机转矩等变量进行离散化以缩短优化时间；建立关于电池Soc、液压蓄能器 1Soc 的状态转移方程；最后编译DP算法进行逆向寻优，并通过正向搜索获取控制序列，仿真结果表明，基于动态规划的全局优化能量管理策略能够合理利用电能，并作为其他策略的评价标准。　　(5)在NEDC 工况下，将基于瞬时能耗成本最低的实时能量管理策略与全局优化能量管理策略进行仿真对比，结果表明，本文提出的能量管理策略的节能效果与全局优化能量管理策略的节能效果相接近。

目录

1 绪 论

1.1 选题的背景及意义

1.2.1 混合动力汽车国内发展现状

1.2.2 混合动力汽车国外发展现状

1.3 混合动力汽车能量管理策略研究现状

1.3.1 基于规则的能量管理策略研究现状

1.3.2 瞬时优化能量管理策略研究现状

1.3.3 全局优化能量管理策略研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 混合动力系统参数匹配与建模

2.1 新型动力系统结构分析

2.2 整车最大需求功率分析

2.3 动力系统关键部件参数匹配

2.3.1 发动机参数匹配

2.3.2 电机选型及参数匹配

2.3.3 电池选型及参数匹配

2.3.4 液压泵/马达选型及参数匹配

2.3.5 蓄能器选型及参数匹配

2.3.6 传动系参数匹配

2.4 动力传动系统建模

2.4.1 发动机模型

2.4.2 电机模型

2.4.3 电池模型

2.4.4 液压泵/马达模型

2.4.5 蓄能器模型

2.4.6 CVT模型

2.4.7 驾驶员模型

2.4.8 车辆动力学模型

2.5 本章小结

3 能量管理策略与动力系统部件参数的联合优化

3.1 并联式混合动力汽车工作模式分析

3.2 基于最优工作曲线的逻辑门限值能量管理策略

3.2.1 逻辑门限参数选择

3.2.2 工作模式切换

3.2.3各模式下最佳工作曲线的确定

3.2.4 CVT速比计算

3.3.1 优化问题的定义

3.3.2 多目标优化问题转化

3.3.3 优化变量选取及约束设置

3.4 能量管理策略及动力系统部件参数优化

3.4.1 遗传算法

3.4.2 适应度计算

3.4.3 寻优过程

3.5 整车动力性仿真

3.6 本章小结

4 基于瞬时能耗成本最低的能量管理策略

4.1 驱动工况下的能量管理

4.1.1 基于能耗成本最小的能量管理优化

4.1.2 单一动力源驱动模式下的能耗成本优化

4.1.3 混合驱动模式下的能耗成本优化

4.2 制动工况下的能量管理

4.2.1 传统汽车制动力分配策略

4.2.2 基于能量回收最多的制动力分配策略

4.2.3 电机参与制动下的工作点优化

4.3 仿真结果分析

4.4 本章小结

5 基于动态规划的全局优化能量管理策略

5.1 动态规划原理

5.2 基于DP的能量管理建模

5.2.1 变量选取

5.2.2 变量离散

5.2.3 约束设置

5.2.4 状态转移方程

5.2.5 逆向寻优及正向搜索

5.2.6 仿真结果分析

5.3 两种策略下的仿真对比分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间申请的专利目录

B 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录

C 学位论文数据集

致谢