ISG混合动力汽车能量优化管理策略研究

论文摘要

能源危机和环境污染是当今世界所面临的两大挑战,混合动力汽车具有低油耗、低排放的特点,并且不受里程限制,被认为具有很好的产业化前景。ISG混合动力汽车能量管理策略设计是整车设计的重要环节,也是实现ISG混合动力汽车节能减排的关键技术之一因此能量管理策略成为ISG混合动力汽车研究的重点。本文以“十一五”国家863节能与新能源汽车重大专项ISG混合动力汽车项目及其整车控制策略设计子课题为背景,建立了ISG混合动力汽车的前向仿真模型,分别基于动态规划算法、模型预测控制算法及随机模型预测控制算法对ISG混合动力汽车的能量优化管理策略进行研究,并基于dSPACE实时控制系统进行ISG混合动力汽车转矩分配的快速原型仿真试验。本文所做主要工作及结论如下：基于Matlab/Simulink平台,采用实验建模和理论建模相结合的方法建立混合动力汽车整车前向仿真模型。通过实验建模的方法,分别建立发动机、ISG电机以及动力电池的仿真模型,通过理论建模的方法,建立离合器、变速箱等传动系模型。根据前向仿真的能量传递方向,基于上述部件模型,搭建ISG混合动力汽车整车模型,为ISG混合动力汽车能量管理策略的验证提供了基础。对给定的循环工况离散化,将ISG混合动力汽车的能量优化管理转化为多阶段决策过程,结合改进后的动态规划算法,以油耗、换挡次数以及SOC平衡为优化目标建立每个阶段的代价函数和目标函数,选取档位迁移和电机扭矩作为控制变量、SOC和档位为状态变量,优化得到在该工况下的最优电机扭矩序列和最佳档位迁移序列。仿真结果表明该能量管理策略具有很好的燃油经济性。提出了利用指数函数预测车轮扭矩的方法,将模型预测控制与动态规划相结合,建立了基于模型预测控制且可以燃油消耗为目标函数进行滚动优化的控制策略,通过优化得到最优电机控制扭矩。分析预测时间长短对ISG混合动力汽车燃油经济性的影响,选取合适的预测时间。基于ISG混合动力汽车整车仿真模型在NEDC工况下对该能量管理策略进行仿真,仿真结果表明,该能量管理策略不仅具有很好的燃油经济性,还具有较好的实时性。提出了基于随机模型预测控制的ISG混合动力汽车能量优化管理策略。建立了基于马尔科夫链的驾驶员模型,通过该模型预测驾驶员需求功率,建立随机模型预测控制与动态规划相结合的优化模型,通过滚动优化得到最佳扭矩分配方案。基于ISG混合动力汽车整车仿真模型,对该能量优化管理策略进行仿真,并选取恒值预测方法和具有预先知识的预测方法进行对比,仿真结果表明随机模型预测方法是可行的,ISG混合动力汽车的随机模型预测控制能量优化管理策略具有很好的燃油经济性和实时性。搭建基于dSPACE实时系统的仿真台架,进行了ISG混合动力汽车随机模型预测控制能量优化管理策略的快速原型仿真试验,验证了随机模型预测控制优化管理策略的基本性能,使得该控制策略得到进一步的完善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 混合动力汽车简介
• 1.2.1 混合动力汽车分类
• 1.2.2 ISG混合动力汽车
• 1.2.3 国内外混合动力汽车发展现状
• 1.2.4 混合动力汽车关键技术
• 1.3 混合动力汽车控制策略研究现状
• 1.3.1 串联式混合动力汽车
• 1.3.2 并联式控制策略
• 1.3.3 混合动力汽车控制策略存在的问题
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第二章 ISG HEV动力系统建模
• 2.1 引言
• 2.2 混合动力汽车仿真方法及软件简介
• 2.3 ISG混合动力汽车动力系统基本结构
• 2.4 部件动力学模型
• 2.4.1 发动机模型
• 2.4.2 电机模型
• 2.4.3 镍氢电池模型
• 2.4.4 传动系建模
• 2.4.5 整车控制器模型
• 2.5 混合动力汽车整车模型
• 2.5.1 驾驶员模型
• 2.5.2 车辆纵向动力学模型
• 2.5.3 整车模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于动态规划的ISG混合动力汽车控制策略
• 3.1 引言
• 3.1.1 ISG混合动力汽车工作模式分析
• 3.1.2 动态规划算法简介
• 3.2 并联式混合动力汽车能量管理优化模型的建立
• 3.2.1 并联式混合动力汽车模型简化
• 3.2.2 混合动力汽车能量优化管理模型的建立
• 3.2.3 动态规划求解
• 3.3 动态规划算法改进
• 3.4 仿真及结果分析
• 3.4.1 参数选择
• 3.4.2 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于模型预测的ISG混合动力汽车控制策略
• 4.1 引言
• 4.2 模型预测控制
• 4.3 基于模型预测的混合动力汽车能量管理优化模型
• 4.3.1 控制系统结构
• 4.3.2 模型预测控制模块
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.4.1 仿真参数
• 4.4.2 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 ISG混合动力汽车的随机模型预测控制策略
• 5.1 引言
• 5.2 驾驶员需求功率的随机模型
• 5.2.1 马尔可夫过程
• 5.2.2 驾驶员需求功率的马尔科夫模型
• 5.3 随机模型预测控制策略
• 5.4 仿真结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 转矩分配控制策略的快速控制原型仿真试验
• 6.1 引言
• 6.2 现代控制开发系统
• 6.2.1 传统控制开发技术存在的问题
• 6.2.2 dSPACE实时开发系统
• 6.2.3 dSPACE-V循环开发流程
• 6.3 快速控制原型仿真试验
• 6.3.1 试验方案设计
• 6.3.2 快速控制原型仿真试验控制模型
• 6.3.3 试验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的课题