重度混合动力汽车油耗和排放综合控制策略研究

【摘要】：混合动力汽车在模式切换过程中发动机频繁起停，造成排气温度和三元催化器蜂窝层温度下降，催化转化效率降低，影响其排放性能。混合动力汽车装备有发动机和电动机两个动力源，电动机辅助发动机进行转矩输出或者发电，可以在满足动力性要求的前提下对发动机工作点进行优化，为加快三元催化器起燃、降低发动机冷起动阶段的排放提供了更灵活的控制自由度；利用混合动力电动汽车上的大容量电池和高电压设备为三元催化器提供大功率的外接热源，也可以为解决冷起动阶段的排放问题提供一种新的解决方案。研究混合动力汽车油耗和排放、尤其是冷起动阶段三元催化器出口排放的综合控制，对于进一步提高油耗和排放水平具有重要的现实意义。 本文以某双离合器重度混合动力汽车为研究对象，以提高燃油经济性和改善冷起动阶段排放水平为研究目标，开展了混合动力汽车能量管理策略的优化设计，具体研究工作概括如下： (1)建立了重度混合动力汽车整车动力学模型。以发动机平均值理论为基础，结合热力学定律，建立了计算发动机输出转矩、油耗与排放的发动机动力学模型和计算HC/CO催化转化效率的三元催化器动力学模型；在此基础之上，基于经典车辆纵向动力学理论，建立了在NEDC工况下AMT以经济性换挡规律进行换挡的整车冷起动排放仿真模型，并且分析了燃油补偿控制对空燃比和三元催化器效率的影响。 (2)建立了重度混合动力汽车油耗和排放多目标全局优化控制策略。首先建立了重度混合动力汽车油耗和排放综合控制数学模型，针对重度混合动力汽车在运行模式切换时发动机频繁起停的特点，在建立油耗模型时考虑了发动机起停的影响。然后依据Bellman最优性原理，将混合动力汽车在特定工况下的全局最优控制问题转化为一个单步、多阶段决策问题，采用动态规划算法建立递归方程并进行求解，得到最优控制量。最后将最优控制量在整车动力学模型中正向求解，得到最优状态变量和多目标函数的最优值。 (3)建立了重度混合动力汽车油耗和排放多目标实时控制策略。首先提出以加快三元催化器起燃为目的的能量管理模糊控制策略，通过提高发动机排气温度加快催化器起燃，改善冷起动阶段的排放。然后提出利用重度混合动力汽车的大功率电池对三元催化器进行加热以缩短其起燃时间的电加热控制策略，并计算了电加热型三元催化器EHCS(electrically heated catalyst system)冷起动阶段的蓄电池电量等效油耗，同时分析了EHCS电加热功率和安装位置对催化器温度、起燃时间、HC/CO排放量、等效油耗和整车运行模式的影响；最后依据庞特里亚金极小值原理，分别针对加速三元催化器起燃、降低油耗与三元催化器出口处排放两个不同的优化目标函数，依次应用时间最短控制和燃料最少控制方法，对目标泛函求极值以得到相应的最优控制策略，并且对制动、停机工况下的控制策略进行比较，以分析发动机起停优化控制对整车油耗和排放的影响。 (4)建立了重度混合动力汽车油耗和排放多目标随机最优控制策略。首先在对沿固定线路上采集到的实际车速进行分析的基础上，提出将实际路况等效为一段标准路况与白噪声随机干扰的叠加，从而将实际道路条件下的混合动力汽车油耗和排放的控制问题转化为标准路况条件下的随机白噪声干扰最优控制问题。然后以发动机油耗和三元催化器出口排放为多目标优化函数，建立了包含三元催化器温度状态的重度混合动力汽车二次型状态方程。最后采用随机线性二次型最优控制方法，对蓄电池SOC(state of charge)、车速、三元催化器温度和出口排放等实际状态进行卡尔曼滤波估计，以对电机功率和发动机功率等输出变量进行最优反馈，从而实现了重度混合动力汽车的油耗与排放优化控制。 (5)完成了重度混合动力传动系统台架实验。搭建了重度混合动力传动系统硬件在环实验台，基于MATLAB/Simulink/dSPACE仿真平台开发了相应数据采集与控制程序，实现了对被测试对象的数据采集及控制，完成了重度混合动力传动系统的行车充电等工况下的油耗和排放综合控制台架实验。实验结果验证了所建立的混合动力汽车仿真模型的正确性，也部分验证了所开发的控制策略的有效性。 【关键词】：混合动力汽车 排放 三元催化器 能量管理 动态规划
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 研究背景及选题意义11-16
• 1.1.1 日益严格的排放法规11-12
• 1.1.2 传统汽车排放控制技术12-14
• 1.1.3 混合动力技术14-16
• 1.2 课题的提出16-17
• 1.3 课题的相关研究现状17-24
• 1.3.1 混合动力汽车控制策略的研究现状17-24
• 1.3.2 混合动力汽车排放研究现状24
• 1.4 本文主要研究思路和研究内容24-27
• 2 车辆动力系统建模27-48
• 2.1 引言27
• 2.2 整车主要结构及性能参数27-29
• 2.3 发动机模型29-35
• 2.3.1 进气歧管空气流动模型30-31
• 2.3.2 燃油吸附及蒸发模型31-32
• 2.3.3 发动机旋转动力学模型32-33
• 2.3.4 发动机热力学模型33-35
• 2.4 三元催化器模型35-40
• 2.4.1 氧存储模型35-36
• 2.4.2 三元催化器稳态效率模型36-37
• 2.4.3 三元催化器热力学模型37-40
• 2.5 自动变速器换挡规律40-41
• 2.6 车辆行驶动力学模型41-43
• 2.7 整车动力学模型及模型验证43-47
• 2.8 小结47-48
• 3 重度混合动力汽车油耗和排放多目标全局优化48-64
• 3.1 引言48
• 3.2 混合动力汽车能量管理优化数学模型48-52
• 3.2.1 目标函数48-51
• 3.2.2 约束条件51-52
• 3.3 基于动态规划算法的混合动力汽车能量管理策略52-57
• 3.3.1 考虑蓄电池 SOC 单状态的动态规划算法53-56
• 3.3.2 考虑蓄电池 SOC 和三元催化器温度状态的动态规划算法56-57
• 3.4 基于动态规划算法的能量管理策略仿真与分析57-63
• 3.4.1 油耗和发动机出口排放多目标标优化分析57-59
• 3.4.2 油耗和三元催化器出口排放多目标优化分析59-61
• 3.4.3 权值系数对油耗和排放影响61-62
• 3.4.4 发动机起停对油耗的影响62-63
• 3.5 小结63-64
• 4 重度混合动力汽车油耗和排放多目标实时控制64-85
• 4.1 引言64
• 4.2 加快三元催化器起燃的模糊逻辑控制策略64-67
• 4.2.1 模糊逻辑控制规则64-65
• 4.2.2 仿真结果分析65-67
• 4.3 加快三元催化器起燃的电加热控制策略67-73
• 4.3.1 电加热型三元催化器动力学模型67-68
• 4.3.2 三元催化器电加热控制规则68-69
• 4.3.3 仿真结果分析69-73
• 4.4 基于最小值原理的混合动力汽车油耗和排放多目标实时最优控制73-83
• 4.4.1 最小值原理理论基础73-75
• 4.4.2 加快三元催化器起燃的时间最短控制策略75-77
• 4.4.3 混合动力汽车油耗和排放多目标控制策略77-83
• 4.5 小结83-85
• 5 重度混合动力汽车油耗和排放多目标随机线性最优控制85-98
• 5.1 引言85
• 5.2 系统动力学模型85-93
• 5.2.1 随机路况85-87
• 5.2.2 系统二次型状态方程87-91
• 5.2.3 系统稳定性判断91-93
• 5.2.4 建立目标函数93
• 5.3 随机线性最优控制器93-95
• 5.4 仿真结果分析95-97
• 5.5 小结97-98
• 6 重度混合动力传动系统台架实验98-109
• 6.1 引言98
• 6.2 重度混合动力传动系统实验台工作原理98-103
• 6.2.1 重度混合动力传动系统实验台结构原理98-101
• 6.2.2 数据采集及控制系统101-102
• 6.2.3 测控软件开发102-103
• 6.3 重度混合动力传动系统控制实验103-108
• 6.3.1 纯电动实验103-104
• 6.3.2 行进间起动发动机实验104-105
• 6.3.3 联合驱动实验105-107
• 6.3.4 行车充电实验107-108
• 6.4 小结108-109
• 7 结论与展望109-112
• 7.1 主要结论109-110
• 7.2 论文创新点和后续研究工作展望110-112
• 7.2.1 论文创新点110-111
• 7.2.2 后续研究工作的展望111-112
• 致谢112-113
• 参考文献113-125
• 附录125-126
• A.作者在攻读博士学位期间发表论文目录125-126
• B.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目126

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