并联混合动力汽车控制策略研究

【摘要】：随着能源和环境压力的增加，混合动力汽车作为一种有效的节能减排技术日益受到重视。整车控制策略是混合动力汽车的核心技术，其任务是将驾驶员的转矩需求分配给电机和发动机，并协调动力系统各个部件的运行，达到优化燃油经济性和驾驶性能的目的。本文以并联混合动力汽车为对象，采用基于模型的开发手段，系统地探讨并联混合动力汽车控制策略的设计、优化和试验方法，以取得优化的燃油经济性，同时保持较好的驾驶性能。 本文首先采用台架试验提取动力系统部件参数，建立并验证了动力系统各个部件的模型。基于系统模型分析了能量管理策略优化控制理论，指出传统等效消耗最小化策略（ECMS，Equivalent Consumption Minimization Strategy）虽然能取得近似优化的燃油经济性，但同时存在计算复杂度较高，且驾驶性能较差的问题。因此，本文提出了基于Willans Line模型的ECMS改进设计方法WL-ECMS，能实现近似优化的燃油经济性的同时，取得驾驶性能和计算复杂度的综合优化。本文提出了WL-ECMS控制策略中等效电压的概念，将电流的消耗等效为燃油功率消耗。等效电压是WL-ECMS的关键控制参数，本文采用动力系统能量流统计特征ábp将驾驶工况和优化等效电压连接起来，配合基于电池荷电状态(SOC)的反馈修正算法，实现等效电压的在线估计，使能量管理策略能自动适应工况的变化。 为了在车辆各种模式切换时各个部件平稳运作，本文设计了混合动力系统协调控制算法，协调管理加速/制动踏板开度与动力系统驱动/制动转矩之间的映射关系；采用电机主动调速实现换档过程中不改变离合器状态的无离合换档策略；采用解耦控制和电机转矩补偿的算法实现离合器接合过程控制。 本文开发了测功机动态负载模拟算法，实现了以台架试验和仿真建模为核心的工具链，开发出一套集成了动力系统状态测试、油耗测量及测功机监测与控制功能的台架主控系统，为混合动力系统的研究和验证搭建了试验平台。 最后，本文采用基于微控制器的目标整车控制器实现了控制策略应用于混合动力系统上的性能验证，重点采用台架试验验证了能量管理策略和协调控制策略。通过台架试验、转鼓试验和实车试验的多重试验，验证了本文所开发的混合动力整车控制器实现了设计目标，具有实用价值，且燃油经济性控制效果略优于国外商业化的控制器。 【关键词】：混合动力 能量管理 协调控制 燃油经济性 驾驶性能
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-14
• 第1章 引言14-22
• 1.1 混合动力汽车发展及研究现状14-15
• 1.2 混合动力系统能量管理策略15-18
• 1.2.1 基于规则的能量管理策略16
• 1.2.2 基于优化的能量管理策略16-17
• 1.2.3 能量管理策略的研究发展方向17-18
• 1.3 混合动力汽车转矩协调控制策略18-19
• 1.3.1 制动协调策略18
• 1.3.2 换档协调策略18-19
• 1.3.3 离合控制协调策略19
• 1.4 本文的主要研究内容及结构19-22
• 1.4.1 主要研究内容20
• 1.4.2 本文结构20-22
• 第2章 并联混合动力系统建模22-40
• 2.1 本章引论22
• 2.2 前向仿真模型22-33
• 2.2.1 发动机模型26-28
• 2.2.2 电机模型28-29
• 2.2.3 动力电池模型29-30
• 2.2.4 干式离合器模型30-31
• 2.2.5 变速箱模型31-32
• 2.2.6 传动系统及车辆模型32-33
• 2.3 模型验证33-39
• 2.4 小结39-40
• 第3章 能量管理实时优化算法40-54
• 3.1 本章引论40
• 3.2 用于能量管理策略设计的后向系统模型40-44
• 3.3 庞特里亚金的最小化原理优化算法（PMP）44-46
• 3.4 等效消耗最小化策略（ECMS）46-49
• 3.4.1 ECMS上层算法及近似求解方法46-47
• 3.4.2 ECMS下层算法及计算方法47-49
• 3.5 ECMS控制策略初步设计与分析49-53
• 3.6 小结53-54
• 第4章 WL-ECMS能量管理策略54-76
• 4.1 本章引论54
• 4.2 换档策略简化54-56
• 4.3 能量分配策略简化56-68
• 4.3.1 Willans Line模型56-58
• 4.3.2 简化的WL-ECMS算法58-63
• 4.3.3 考虑约束条件的WL-ECMS算法63-67
• 4.3.4 驱动模式切换防抖处理67-68
• 4.4 WL-ECMS策略仿真分析68-74
• 4.4.1 后向仿真分析68-72
• 4.4.2 前向仿真分析72-74
• 4.5 小结74-76
• 第5章 等效电压估计算法研究76-95
• 5.1 本章引论76-77
• 5.2 混合动力系统运行能量流分析77-83
• 5.3 等效电压离线估计算法83-88
• 5.3.1 基于WL-ECMS的控制策略分析83-85
• 5.3.2 循环工况电池能量消耗-等效电压关系曲线分析85-87
• 5.3.3 等效电压离线估计模型87-88
• 5.4 等效电压在线估计算法88-93
• 5.4.1 PI估计器参数调整89-90
• 5.4.2 时间平稳工况假设90-91
• 5.4.3 等效电压在线估计算法验证91-93
• 5.5 小结93-95
• 第6章 转矩协调控制算法研究95-112
• 6.1 本章引论95-96
• 6.2 驾驶员转矩需求解释模块设计96-101
• 6.2.1 驱动转矩外特性设计97-98
• 6.2.2 制动转矩外特性设计98-100
• 6.2.3 需求转矩综合100-101
• 6.3 无离合换档策略研究101-107
• 6.3.1 卸载阶段控制策略102-103
• 6.3.2 调速阶段控制策略103-104
• 6.3.3 加载阶段控制策略104-105
• 6.3.4 无离合换档仿真验证105-107
• 6.4 离合器控制策略研究107-111
• 6.4.1 离合器协调控制策略107-110
• 6.4.2 离合器控制策略仿真验证110-111
• 6.5 小结111-112
• 第7章 控制器开发及试验验证112-130
• 7.1 本章引论112
• 7.2 软件和硬件在环仿真平台112-114
• 7.3 台架试验平台114-120
• 7.3.1 动态负载模拟算法原理114-117
• 7.3.2 台架测控系统集成117-118
• 7.3.3 动态负载模拟算法验证118-120
• 7.4 台架试验验证120-127
• 7.4.1 能量管理策略验证120-123
• 7.4.2 协调控制策略验证123-127
• 7.5 转鼓和道路试验验证127-129
• 7.6 小结129-130
• 第8章 总结130-132
• 8.1 主要结论130-131
• 8.2 论文的主要创新点131-132
• 参考文献132-140
• 致谢140-142
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果142-143

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