功率分流式混合動力汽車能量管理系統(tǒng)混雜動態(tài)建模與優(yōu)化控制研究.pdf

1、為加快節(jié)能減排的進程，發(fā)展新能源汽車成為當前汽車產業(yè)發(fā)展的緊迫任務?；旌蟿恿ζ嚰婢呒冸妱悠嚭蛡鹘y(tǒng)內燃機車的優(yōu)勢，是短期內新能源汽車發(fā)展的主導力量。為了降低混合動力汽車的能耗，國內外學者和汽車企業(yè)在開發(fā)更高效的動力系統(tǒng)結構方面展開了深入的研究。采用行星排式動力耦合結構的功率分流式混合動力汽車(Power split hybrid electricvehicle，PS-HEV)不僅實現(xiàn)了發(fā)動機轉矩轉速和車輪轉矩轉速的解耦，還可以起到無級

2、變速的作用，從而省去傳統(tǒng)意義上的變速器，成為當前混合動力汽車領域的研究熱點。
　　混合動力汽車能量管理策略是提高整車動力傳動系統(tǒng)能量轉化效率的關鍵。雙行星排式動力耦合機構使PS-HEV具有豐富的工作模式，只有結合實時高效的能量管理策略才能充分發(fā)揮PS-HEV多模式、多自由度的優(yōu)勢，從而有效地提高整車能量轉化效率。PS-HEV能量管理系統(tǒng)不僅包含多工況使能/失能工作模式切換的離散動力學行為，還包括受系統(tǒng)自身物理特性約束的連續(xù)動力學行

3、為，具有典型的混雜動態(tài)特征。本文針對一種新型PS-HEV展開了動力學分析與建模研究，進一步基于混雜系統(tǒng)理論構建能量管理系統(tǒng)的混雜動態(tài)模型，力圖在建立能夠準確反映系統(tǒng)本質特征的混雜動態(tài)模型基礎上，通過對能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計，實現(xiàn)PS-HEV能量的高效分配，為PS-HEV控制器的設計提供新的理論基礎與技術支撐。
　　首先，介紹了一種基于行星排齒輪機構的PS-HEV，利用杠桿法理論，對行星齒輪機構的轉速和轉矩特性進行了研究，構建了動力

4、耦合機構的動態(tài)模型和靜態(tài)模型。根據(jù)功率分流式混合動力系統(tǒng)的結構特點，確定了PS-HEV的離散工作模式，并運用杠桿法對各工作模式下混合動力系統(tǒng)的工作原理進行了深入地分析，明晰了各模式下的功率傳遞路徑和不同動力源之間的轉矩關系，建立了反映工作模式切換的狀態(tài)轉移關系。采用理論建模與試驗建模法相結合的方法建立了PS-HEV關鍵部件的動力學模型，進一步結合行星排式動力耦合結構的動態(tài)模型，構建了能夠描述車輛能量和控制信號實際流向的PS-HEV整車仿

5、真模型，為整車性能分析和控制策略的設計、驗證提供了基礎。
　　其次，完成了PS-HEV的混雜動力學行為分析和能量管理系統(tǒng)的混雜動態(tài)建模。根據(jù)混合動力汽車的控制特點和要求，揭示了混合動力汽車工作過程的離散事件行為、連續(xù)動力學行為以及兩者的相互作用，并基于混雜系統(tǒng)理論構建了能量管理系統(tǒng)的混雜動態(tài)模型，描述為包括離散決策層、連續(xù)被控層和接口轉換層的三位一體的結構。通過接口轉化層對系統(tǒng)連續(xù)信息和離散信息的抽取，建立離散決策層和連續(xù)被控層的

6、動態(tài)行為響應關系。基于中國典型城市循環(huán)工況的仿真結果表明，PS-HEV混雜控制模型結構準確地反應了PS-HEV能量管理過程的混雜動力學行為，實現(xiàn)了PS-HEV工作模式的切換和不同模式下各動力源輸出轉矩的分配。為了進一步改善車輛燃油經(jīng)濟性，需要進行PS-HEV混雜控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計。
　　再次，對PS-HEV的工作模式進行了綜合，針對PS-HEV優(yōu)化后的工作模式，基于模型預測控制算法進行了PS-HEV控制規(guī)律生成器的優(yōu)化設計。為了對

7、駕駛員需求轉矩進行預測，以中國典型城市循環(huán)工況和車輛實際瞬態(tài)行駛工況為樣本，建立了基于馬爾科夫鏈的駕駛員模型，結合整車能量管理策略的控制目標和約束條件，將PS-HEV的能量優(yōu)化分配問題描述為有限時域內受約束的優(yōu)化控制問題，并探討了非線性模型預測控制器和線性時變模型預測控制器的應用。非線性模型預測控制以PS-HEV的非線性動力學模型作為預測模型，針對其有限時域內的非線性規(guī)劃問題，分別研究了基于序列二次規(guī)劃(SQP)和動態(tài)規(guī)劃(DP)的求解

8、算法。線性時變模型預測控制基于線性化模型，通過將能量管理優(yōu)化控制問題轉化為標準的二次規(guī)劃問題實現(xiàn)控制輸入的優(yōu)化求解。針對不同的行駛工況，對優(yōu)化的能量管理控制器進行了仿真驗證和對比分析。結果表明，基于線性時變模型預測控制的能量優(yōu)化分配策略能夠有效地降低車輛的等效燃油消耗，在中國典型城市循環(huán)工況下，等效燃油經(jīng)濟性改善高達16.17％，且相較于非線性模型預測控制算法尋優(yōu)時間更短，僅需45ms左右，具有較好的實時性。
　　最后，進行了PS

9、-HEV的實車試驗和硬件在環(huán)仿真試驗研究。通過臺架測試，研究了行星排式混合動力系統(tǒng)中兩個電機的工作特性，為電機的參數(shù)化建模提供了依據(jù)。進一步通過PS-HEV的實車試驗，驗證了基于Matlab/Simulink環(huán)境的整車仿真模型的準確性，評估了行星排式動力耦合機構對車輛燃油經(jīng)濟性和動力性的影響。在此基礎上，搭建了PS-HEV的硬件在環(huán)仿真平臺，并進行了控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)試驗。試驗結果驗證了優(yōu)化設計的PS-HEV能量管理控制系統(tǒng)能夠在維持電