基于模型预测控制的四驱混合动力汽车能量管理策略研究

摘要

控制策略是混合动力汽车领域的关键技术之一，因其对整车燃油经济性、动力性及排放性能所产生的重要影响而成为近年来的研究热点，尤其是以燃油经济性为目标的控制策略是混合动力汽车控制策略的发展方向。本文以燃油经济性为着眼点，以四驱混合动力汽车为研究对象，重点研究了模型预测控制在混合动力汽车上的应用。
　　本文在建立了关键部件模型和整车纵向动力学模型的基础上搭建了四驱混合动力汽车的前向仿真模型框架;制定了逻辑门限值控制策略以验证仿真模型的有效性;针对四驱混合动力系统的独特结构构建了基于动态规划算法的全局优化策略，在保证发动机高效工作的基础上求解全局最优值。这两种控制策略的结果为后续模型预测控制策略的制定提供了理论依据和性能基准。
　　基于模型预测控制基本原理，将动态规划算法与滚动优化相结合，设计了面向燃油经济性的模型预测控制策略，重点研究了优化求解过程中的关键问题;参照仿真结果对策略进行了改进，通过在目标函数中引入惩罚函数限制电池荷电状态下降速度;研究了模型预测控制策略在不同预测时域下的油耗表现，以验证滚动优化方法的有效性。在此基础上分析了三种不同预测模型的车速及加速度预测效果，通过对比预测结果的均方根误差选定了多步马尔科夫预测模型，制定了随机模型预测控制策略;在分析随机模型预测控制策略控制性能的基础上优化了控制量的寻优范围以提高发动机的工作效率。最后对比随机模型预测控制策略与基于恒值的模型预测控制策略和基于先验知识的模型预测控制策略的仿真结果，证明了基于马尔科夫模型进行车速预测是可行的;对比随机模型预测控制策略、基于规则的策略和全局优化方法的仿真结果，表明随机模型预测控制策略具有良好的燃油经济性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2．1 国外混合动力汽车发展现状

1．2．2 国内混合动力汽车发展现状

1．3 混合动力汽车控制策略的研究现状

1．4 论文主要研究内容

2 混合动力汽车系统分析及整车模型建立

2．1 混合动力汽车动力系统概述

2．2 四驱混合动力汽车整车结构分析

2．3 四驱混合动力汽车整车建模

2．3．1 关键部件模型

2．3．2 纵向动力学模型

2．3．3 整车仿真模型

2．4 仿真模型验证

2．4．1 控制策略制定

2．4．2 仿真结果分析

2．5 本章小结

3 基于动态规划算法的全局优化策略

3．1 动态规划算法原理

3．2 四驱混合动力系统动态规划模型

3．3 仿真结果分析

3．4 本章小结

4 模型预测控制能量管理策略的制定及有效性验证

4．1 模型预测控制概念

4．2 基于MPC的能量分配策略制定

4．3 预测控制优化问题的求解

4．3．1 动态规划算法在模型预测控制中的应用

4．3．2 SOC可达范围的确定

4．3．4 仿真结果分析

4．4 模型预测控制策略的改进

4．4．1 目标函数的改进

4．4．2 目标函数改进后的仿真结果

4．4．3 滚动优化方法有效性验证

4．5 本章小结

5 随机模型预测控制能量管理策略的制定和优化

5．1 汽车运行状态的预测

5．1．1 指数函数模型

5．1．2 马尔科夫模型

5．1．3 不同预测方法的对比

5．2 基于SMPC的能量分配策略制定

5．3 SMPC策略的优化及仿真分析

5．3．1 SMPC策略的优化

5．3．2 SMPC策略优化前后燃油经济性对比

5．3．3 不同策略仿真结果对比

5．4 本章小结

6 结论

6．1 总结

6．2 创新

6．3 不足与展望

参考文献

硕士期间发表的学术论文及研究成果