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

1、為加快節(jié)能減排的進(jìn)程，發(fā)展新能源汽車成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊迫任務(wù)?；旌蟿?dòng)力汽車兼具純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車的優(yōu)勢(shì)，是短期內(nèi)新能源汽車發(fā)展的主導(dǎo)力量。為了降低混合動(dòng)力汽車的能耗，國內(nèi)外學(xué)者和汽車企業(yè)在開發(fā)更高效的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面展開了深入的研究。采用行星排式動(dòng)力耦合結(jié)構(gòu)的功率分流式混合動(dòng)力汽車(Power split hybrid electricvehicle，PS-HEV)不僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的解耦，還可以起到無級(jí)

2、變速的作用，從而省去傳統(tǒng)意義上的變速器，成為當(dāng)前混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　混合動(dòng)力汽車能量管理策略是提高整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。雙行星排式動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)使PS-HEV具有豐富的工作模式，只有結(jié)合實(shí)時(shí)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(shì)，從而有效地提高整車能量轉(zhuǎn)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(dòng)力學(xué)行為，還包括受系統(tǒng)自身物理特性約束的連續(xù)動(dòng)力學(xué)行

3、為，具有典型的混雜動(dòng)態(tài)特征。本文針對(duì)一種新型PS-HEV展開了動(dòng)力學(xué)分析與建模研究，進(jìn)一步基于混雜系統(tǒng)理論構(gòu)建能量管理系統(tǒng)的混雜動(dòng)態(tài)模型，力圖在建立能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)本質(zhì)特征的混雜動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PS-HEV能量的高效分配，為PS-HEV控制器的設(shè)計(jì)提供新的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。
　　首先，介紹了一種基于行星排齒輪機(jī)構(gòu)的PS-HEV，利用杠桿法理論，對(duì)行星齒輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了研究，構(gòu)建了動(dòng)力

4、耦合機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。根據(jù)功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了PS-HEV的離散工作模式，并運(yùn)用杠桿法對(duì)各工作模式下混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理進(jìn)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(dòng)力源之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系，建立了反映工作模式切換的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。采用理論建模與試驗(yàn)建模法相結(jié)合的方法建立了PS-HEV關(guān)鍵部件的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)一步結(jié)合行星排式動(dòng)力耦合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，構(gòu)建了能夠描述車輛能量和控制信號(hào)實(shí)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(shè)計(jì)、驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。
　　其次，完成了PS-HEV的混雜動(dòng)力學(xué)行為分析和能量管理系統(tǒng)的混雜動(dòng)態(tài)建模。根據(jù)混合動(dòng)力汽車的控制特點(diǎn)和要求，揭示了混合動(dòng)力汽車工作過程的離散事件行為、連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為以及兩者的相互作用，并基于混雜系統(tǒng)理論構(gòu)建了能量管理系統(tǒng)的混雜動(dòng)態(tài)模型，描述為包括離散決策層、連續(xù)被控層和接口轉(zhuǎn)換層的三位一體的結(jié)構(gòu)。通過接口轉(zhuǎn)化層對(duì)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(dòng)態(tài)行為響應(yīng)關(guān)系。基于中國典型城市循環(huán)工況的仿真結(jié)果表明，PS-HEV混雜控制模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地反應(yīng)了PS-HEV能量管理過程的混雜動(dòng)力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)了PS-HEV工作模式的切換和不同模式下各動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩的分配。為了進(jìn)一步改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，需要進(jìn)行PS-HEV混雜控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　再次，對(duì)PS-HEV的工作模式進(jìn)行了綜合，針對(duì)PS-HEV優(yōu)化后的工作模式，基于模型預(yù)測(cè)控制算法進(jìn)行了PS-HEV控制規(guī)律生成器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了對(duì)

7、駕駛員需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行預(yù)測(cè)，以中國典型城市循環(huán)工況和車輛實(shí)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(jié)合整車能量管理策略的控制目標(biāo)和約束條件，將PS-HEV的能量優(yōu)化分配問題描述為有限時(shí)域內(nèi)受約束的優(yōu)化控制問題，并探討了非線性模型預(yù)測(cè)控制器和線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制器的應(yīng)用。非線性模型預(yù)測(cè)控制以PS-HEV的非線性動(dòng)力學(xué)模型作為預(yù)測(cè)模型，針對(duì)其有限時(shí)域內(nèi)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(dòng)態(tài)規(guī)劃(DP)的求解

8、算法。線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制基于線性化模型，通過將能量管理優(yōu)化控制問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問題實(shí)現(xiàn)控制輸入的優(yōu)化求解。針對(duì)不同的行駛工況，對(duì)優(yōu)化的能量管理控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和對(duì)比分析。結(jié)果表明，基于線性時(shí)變模型預(yù)測(cè)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(jì)性改善高達(dá)16.17％，且相較于非線性模型預(yù)測(cè)控制算法尋優(yōu)時(shí)間更短，僅需45ms左右，具有較好的實(shí)時(shí)性。
　　最后，進(jìn)行了PS

9、-HEV的實(shí)車試驗(yàn)和硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)研究。通過臺(tái)架測(cè)試，研究了行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)中兩個(gè)電機(jī)的工作特性，為電機(jī)的參數(shù)化建模提供了依據(jù)。進(jìn)一步通過PS-HEV的實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于Matlab/Simulink環(huán)境的整車仿真模型的準(zhǔn)確性，評(píng)估了行星排式動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響。在此基礎(chǔ)上，搭建了PS-HEV的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，并進(jìn)行了控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的PS-HEV能量管理控制系統(tǒng)能夠在維持電