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插电式混合动力汽车能量管理优化及辅助动力单元控制研究

插电式混合动力汽车能量管理优化及辅助动力单元控制研究

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作者：肖仁鑫昆明理工大学

学位级别：硕士

受动力电池发展水平的限制,插电式混合动力汽车电量消耗模式下续驶里程有限,在动力电池电量不足时,其通常工作在电量维持—混合驱动模式下,降低其此时的燃油消耗对插电式混合动力汽车的推广有非常重要的意义。影响插电式混合动力汽车电... 详细信息

受动力电池发展水平的限制,插电式混合动力汽车电量消耗模式下续驶里程有限,在动力电池电量不足时,其通常工作在电量维持—混合驱动模式下,降低其此时的燃油消耗对插电式混合动力汽车的推广有非常重要的意义。影响插电式混合动力汽车电量维持—混合驱动模式下的燃油消耗的因素有很多,其中,动力控制系统的能量管理单元和辅助动力单元控制对燃油消耗影响很大。能量管理单元根据行驶工况和驾驶员的驾驶意图,将负载需求合理地分配到下层执行机构,使动力系统各单元工作在高效区,提高动力系统的工作效率;辅助动力单元是实现能量管理策略的一个重要的下层执行机构,其控制性能的好坏直接决定了最终的燃油消耗,为了使辅助动力单元能够快速跟随负载需求、稳定地工作在上层能量管理单元分配的工作点上,需要对辅助控制单元进行快速、准确、稳定地控制。为了降低插电式混合动力汽车在电量维持—混合驱动模式下的燃油消耗,本文对能量管理优化和辅助动力单元控制进行研究,论文的主要内容如下： 1)动力系统合理的参数匹配可以提高动力源对行驶工况的适应,扩大动力源在高效区的工况范围,为能量管理提供可合理优化的高效区域。针对常规的以性能需求的最大功率为参数的匹配方法,提出了根据动力性能需求过程中转矩、功率动态变化进行匹配的方法。采用数值计算的方法求解加速、爬坡过程中转矩、功率动态变化,结合发动机和电机各自的性能特点,运用混合度设计的方法对功率需求进行分配,进而根据行驶工况中功率分布的统计特性来确定主驱动电机的额定点,同时考虑发动机效率特性,选择一体化启动／发电机的额定功率及额定转速。通过动力系统参数的合理匹配,使发动机和电机在各行驶车速下能工作在高效工作区间。 2)建立动力系统前向模型,为能量管理优化提供验证和评估环境。采用实验建模和理论建模相结合方法建立了发动机、电机和动力电池等关键部件的模型,采用PI控制器模拟了驾驶员模型,在昆明工况下对动力系统前向模型进行了仿真,通过速度跟踪误差验证了模型的精度。 3)为了使动力系统各个部件工作在高效区,提高动力系统的工作效率,对能量管理策略进行了优化。由于基于逻辑规则的能量管理策容易实施,实时性好,在工程中得到了大量的运用,首先对基于逻辑规则的能量管理策略的控制参数进行优化,针对遗传算法进化速度慢、进化算子和参数多的缺点,采用粒子群优化算法对其控制参数进行了优化。由于基于逻辑规则的能量管理策略不能在整个行驶工况取得性能指标的全局最优,采用动态规划算法求解能量管理策略的全局最优,为基于逻辑规则的能量管理管理策略提供参考比较,并可指导逻辑规则的提取。针对基于动态规划的能量管理策略在状态边界处的不足,采用边界线拟合的方法对其改进,由于能量管理策略的动态规划求解过程需要预先知道整个行驶工况,因而不能在线实施,进一步研究了行驶工况和驾驶员操作的马尔可夫特性,建立了功率需求的马尔可夫链模型,使用随机动态规划离线确定各个状态转移的最佳控制策略,由实时嵌入式系统以表格或曲线拟合的形式在线实施。 4)为了使辅助动力单元能够快速跟踪负载变化,稳定地工作在能量管理单元分配的工作点上,需要对辅助控制单元进行快速、准确、稳定地控制。提出了辅助动力单元功率跟随的转速—转矩控制模型,在此模型的基础上,对传统PID控制,采用粒子群优化算法对PID控制参数进行了离线优化,由于离线优化后的PID控制参数不能在线调节,结合BP神经网络可在线自学习的优点,与传统PID控制相结合,实现辅助动力单元控制的自适应控制。为提高控制器的实时性和嵌入式可实施性,采用结构简单、计算量小的单神经元PID控制,从而有利于在嵌入式CPU中实现。对以上三种控制器实现的辅助动力单元控制系统在负载的跟踪性能和抗干扰性能进行了比较。根据发动机的工作特性,确定辅助动力单元在串联模式下工作在恒转速—变转矩功率跟随的模式,有利于降低发动机动态调整过程的燃油消耗,提高母线电压的稳定性。为了对优化的能量管理策略和辅助动力单元控制进行试验验证,设计了整车控制器,通过道路试验表明能量管理优化策略及APU控制的可行性和正确性。

关键词：插电式混合动力汽车能量管理辅助动力单元控制参数匹配动力系统建模

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