柴油机ISG混合动力系统瞬态过程优化控制研究

论文摘要

集成启动发电机(ISG)型式的并联混合动力系统是汽车动力系统发展方向之一。目前大部分对ISG混合动力技术的研究结合汽油机进行,并主要围绕降低油耗开展。但对于比汽油机热效率高的柴油机,降低其排放,特别是降低其瞬态过程排放在日益严格的排放法规下具有更重要的意义。本文以降低瞬态过程排放为目标,对柴油机ISG混合动力系统的优化控制问题展开研究。所研究的动力系统由增压(无EGR)共轨柴油机、ISG电机和超级电容器组成。以降低瞬态过程排放为目标的优化控制算法是本文的核心研究内容,柴油机和电机的转矩协调控制是降低排放的基础。本文首先建立了面向实时控制的增压柴油机的瞬态排放模型,采用了多层前馈神经网络对排放模型的非线性静态特征进行描述,利用稳态试验数据对模型进行训练,采用线性自回归(ARX)模型对稳态模型进行动态修正,对瞬态过程烟度及NOx排放的模型估计准确度进行了试验验证。而后基于平均值模型结构建立了柴油机转矩估计模型,对估计结果的准确度进行了试验验证。基于非线性自回归(NARX)动态神经网络模型结构建立了总体转矩需求计算模型。基于上述模型,完整的提出了一套ISG混合动力系统转矩协调控制算法,并考虑了电机输出转矩动态约束和转矩输出延时问题。控制算法的有效性得到了试验验证。对于瞬态过程的多状态动态全局优化问题,首先提出了一种基于移动局部域原理的求解方法,进行了优化算法仿真分析。而后将算法进行简化,设计了自适应SOC维持能量管理算法,在单片机上实现了实时控制。发动机台架试验结果表明,本优化控制算法在保持发动机总体转矩输出特性不变和SOC自适应维持的前提下,成功地降低了瞬态排放,抑制了碳烟排放的瞬态恶化。在ETC瞬态循环中,排气烟度峰值下降约77%,微粒排放降低约15%,其中碳烟降低约20%。油耗和NOx等排放基本保持不变。针对等效中型客车驾驶循环,通过制动能量回收等功能可降低油耗约9%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景与选题意义
• 1.1.1 日益严格的柴油机排放法规
• 1.1.2 柴油机排放控制方法
• 1.1.3 混合动力技术
• 1.2 课题的提出
• 1.3 课题的研究现状
• 1.3.1 柴油机瞬态排放特性建模
• 1.3.2 转矩协调控制和柴油机转矩估计
• 1.3.3 混合动力能量管理优化算法
• 1.3.4 课题研究现状总结
• 1.4 本文的研究内容和方法
• 1.5 本文的结构
• 第2章 柴油机瞬态过程排放特性试验和建模
• 2.1 试验设置和计算方法
• 2.1.1 试验设置
• 2.1.2 瞬态污染物流量计算方法
• 2.1.3 瞬态发动机进气质量流量模型
• 2.1.4 瞬态喷油质量计算方法
• 2.2 瞬态排放特性试验与分析
• 2.2.1 恒转速负载响应试验
• 2.2.2 排放影响因素分析
• 2.2.3 瞬态排放恶化机理和优化原理
• X建模'>2.3 瞬态烟度和NO_X建模
• 2.3.1 建模方法与模型结构选择
• 2.3.2 非线性静态模型输入简化
• 2.3.3 稳态试验和非线性静态建模
• 2.3.4 瞬态试验和动态建模
• 2.4 模型的试验验证
• 2.5 降低瞬态排放原理的可行性验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 发动机及电机瞬态过程转矩协调控制
• 3.1 控制算法总体结构
• 3.2 基于油量反馈的柴油机输出转矩估计模型
• 3.2.1 建模方法和模型结构
• 3.2.2 摩擦、泵气和轴系动态转矩损失估计
• 3.2.3 油量系数拟合
• 3.2.4 模型的试验验证
• 3.3 基于驾驶加速踏板位置前馈的转矩需求估计
• 3.4 电机转矩动态补偿与转矩输出同步
• 3.5 转矩协调控制试验
• 3.6 本章小结
• 第4章 以降低瞬态过程排放为目标的全局优化控制算法
• 4.1 优化问题的数学描述和建模
• 4.1.1 全局优化问题的数学描述
• 4.1.2 系统能量存储动态建模
• 4.1.3 增压压力动态系统建模
• 4.2 优化问题的简化和求解方法
• 4.2.1 全局优化问题的求解方法
• 4.2.2 优化问题约束的简化：SOC 约束和ISG 外特性约束的简化
• 4.2.3 优化问题维度的简化：从全局优化到局部移动域优化
• 4.2.4 局部优化问题的求解算法
• 4.3 优化算法设计与仿真分析
• 4.3.1 优化算法设计
• 4.3.2 ETC 循环针对降低碳烟的优化仿真结果及分析
• x 及油耗的优化仿真结果及分析'>4.3.3 ETC 循环针对降低NO_x及油耗的优化仿真结果及分析
• 4.3.4 系统参数对优化潜力的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 实时能量管理优化控制算法
• 5.1 瞬态过程实时优化算法
• 5.2 算法的自适应反馈调节和能量管理
• 5.3 实时优化算法的单片机实现
• 5.4 部分流稀释颗粒物测量
• 5.5 ETC 循环试验结果及分析
• EUDC 循环试验结果及分析'>5.6 等效中型客车ECE_EUDC 循环试验结果及分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本论文总结
• 6.2 课题展望与进一步工作建议
• 参考文献