文档介绍：上海交通大学
博士学位论文
混合动力汽车能量优化管理与控制策略研究
姓名:浦金欢
申请学位级别:博士
专业:机械制造及自动化
指导教师:严隽琪;张建武
20041201
博士学位论文摘要
混合动力汽车能量优化管理与控制策略研究
摘要
混合动力汽车(HEV)是在电动汽车发展过程中出现的一种低油耗、低排放、
续驶历程长、价格适中,兼具纯电动汽车和传统燃油汽车优点的新型汽车,由于在
技术、经济和环境等方面的综合优势,HEV 被认为是目前最切实可行的清洁汽车方
案。本文以国家 863 计划混合动力轿车项目及其整车控制系统子课题为背景,主要
研究 HEV 的控制策略及其在实车上的应用。
控制策略是 HEV 的关键技术之一,HEV 的低能耗、低排放是建立在整车能量
的优化管理和对动力系统的精确控制基础上的。实现整车能量管理与动力系统控制
的算法称为控制策略,控制策略根据驾驶员的操作,判断驾驶意图,在满足驾驶需
求(动力性、驾驶平稳性)的前提下,最优地分配电机、发动机、电池等动力部件
的输出,指挥各系统协同工作,实现能量的最优管理和效率与排放的最佳平衡。
控制策略是一个涉及复杂问题决策和非线性时变系统控制的复杂问题,由于混
合动力系统自身及其各部件之间的协调工作极其复杂,建立系统的精确数学模型非
常困难;同时,行驶路况和驾驶员操作具有的随机性,不同驾驶习惯和风格给驾驶
意图判断带来的困难,都增加了控制策略设计的难度。本文围绕整车能量优化管理
和控制策略设计,作了如下几方面的工作:HEV 整车前向仿真建模;基于规则的逻
辑门限控制策略设计;控制策略的离线参数优化;模糊逻辑控制策略设计;基于动
态规划的全局最优控制研究;最后是控制策略的试验研究和验证。
首先,利用实验建模为主、理论建模为辅的方法,在 MATLAB/Simulink 环境
中建立了 HEV 的前向仿真模型,为整车控制策略的研究和开发提供了必要的仿真
平台。
然后,基于此仿真平台,研究了并联式 HEV 的逻辑门限控制策略(LTCS)及
其设计方法。以混合动力系统的工作模式为基础,以发动机、电机的效率特性和电
池的内阻特性为依据,深入分析了并联式 HEV 的能量管理策略和不同工作模式间
相互切换的条件,提出了以系统总体能量转换效率最高为目的的基于负荷平衡的转
矩分配策略,在参数设计上首次提出了动态逻辑门限参数法,设计了控制规则库和
控制程序,通过仿真验证了控制策略。
为优化控制策略参数、缩短实车标定时间,本文提出了控制策略参数优化的有
− I −
博士学位论文摘要
约束非线性规划模型,设计了一种新型的改进型稳态进化算法(SEA),利用 SEA
和整车仿真模型,进行控制参数的寻优。仿真结果表明,该方法可以搜索到一组全
局最优的控制策略参数。实际应用结果表明,采用本文方法,可以大大缩短控制策
略的实车标定时间,降低开发成本。
在 LTCS 的基础上,应用模糊逻辑技术,设计了并联式 HEV 的模糊转矩控制策
略(FTCS)。利用请求转矩与发动机最佳转矩的比值和电池 SOC 为输入、电机归一
化转矩指令为输出,构建了有 22 条规则的模糊推理器,用以确定发动机和电机的最
佳转矩分配。仿真结果表明,与采用精确门限参数的 LTCS 相比,FTCS 的燃油经济
性有较大提高,并能更好地控制电池 SOC 在工作区变化。本项研究为进一步实现模
糊逻辑控制在实际 HEV 上的应用打下了良好的基础。
本文还提出了给定行驶循环下 HEV 燃料(和排放)最优控制的有限历程确定
性动态系统最优化模型,应用动态规划方法,求解了最优性能(燃料经济性和排放)
的理论值及其相应的最优控制轨迹,为评价控制策略和控制策略的优化提供了理论
依据。
本文最后部分为动力总成台架试验和实车试验。关键零部件的台架性能试验为
混合动力系统建模和控制策略设计提供了必备的数据,动力总成台架稳态试验则对
LTCS 的基本控制功能进行了初步验证。实车试验包括道路试验和底盘测功机试验,
道路试验结果表明,采用本文提出的 LTCS,混合动力系统可以实现预期的工作模
式和模式间的平滑切换,驾驶性能良好。底盘测功机上进行的燃油经济性试验结果
表明,LTCS 能够有效地维持电池 SOC 在工作区间变化,与传统汽车相比,燃油经
济性可以提高近 30%。燃油经济性的实车试验结果和仿真结果非常接近,表明对于
以分析能量消耗为主的仿真,本文建立的 HEV 模型的精度是足够的。
作为 HEV 的核心关键技术,控制策略在 HEV 知识产权中占有重要地位。本文
研究对于提高我国 HEV 的研究开发水