增程式电动汽车能量管理策略优化及增程器控制系统研究

发布时间：2020-07-11 12:03

【摘要】：环境污染与能源危机是我国汽车产业发展所面临的巨大挑战,大力发展新能源汽车、实现汽车产业结构转型已经成为我国政府、企业和科研机构的共识,现已初步确立了将“纯电驱动”作为我国新能源汽车发展和汽车工业转型的发展导向。增程式电动汽车具有整车成本较低、续驶里程长、不需要复杂的机械传动装置以及清洁高效等优点,发展增程式电动汽车是一种适合我国汽车产业现状和整体国情的可行发展道路。本论文以增程式电动汽车为研究对象,遵循基于模型的控制系统设计思想,开展了增程式电动汽车整车建模、能量管理策略设计与优化、增程器控制系统开发等方面的研究。基于MATLAB/Simulink建立了增程式电动汽车前向仿真模型,模型主要由动力系统部件模型(包括驱动电机模型、增程器系统模型、锂离子动力电池模型)、整车动力学模型、驾驶员模型、整车控制器模型四个部分组成。在该模型中构建了基于进气门延迟关闭修正系数的米勒循环发动机平均值模型。利用台架试验与实车试验对模型的仿真效果进行验证,结果表明:模型可对增程式电动汽车在实际工况下的性能进行较高精度模拟,并能够模拟出增程器系统工作过程中米勒循环发动机的主要动态特性,可作为能量管理策略设计及增程器控制系统开发的仿真平台。研究了增程式电动汽车能量流全局优化问题,以燃油消耗量最小为优化目标,采用动态规划算法对能量流全局优化问题进行求解。针对传统动态规划算法的误差累积问题,提出了一种基于动力电池SOC(State of Charge)状态空间有效求解区域的动态规划ESR算法。仿真结果表明,与传统动态规划算法相比,所提出的动态规划ESR算法降低了累积误差,使动力电池SOC终端状态与目标值的差值在1%以内;并且在NEDC工况下,与原车采用的电能消耗-电能维持型控制策略的仿真结果相比,基于动态规划ESR算法提高了燃油经济性近19%。本文系统分析了增程式电动汽车充电特点,指出提高增程式电动汽车总运行时间内燃油经济性的能量管理策略控制目标为:对行驶周期内的整车需求功率进行优化分配,控制动力电池SOC随行驶里程以近似线性变化的方式下降;为了提高车辆在行驶周期结束进入充电站时动力电池存储电能的能力,动力电池SOC应处于最低限值。基于此,本文采用Elman神经网络对能量流全局优化结果进行训练,构建了增程式电动汽车能量流全局优化控制模型集,并与动力电池电能消耗率计算模块、动力电池目标SOC计算模块和控制模型选择算法相耦合,提出了基于能量流全局优化控制模型的实时能量管理策略。为了提高增程器能够在响应目标发电功率过程中的动态性能,根据V型开发模式,设计了增程器控制系统。在控制系统软件方面,提出了基于模糊自适应优化PID的增程器协调控制策略,并采用遗传算法对模糊自适应PID基准参数进行优化,建立了以增程器转速误差及其变化率为输入的模糊推理算法;在增程器硬件设计方面,完成了微处理器选择、电源电路设计和通讯模块设计等,并利用Altium Designer完成了印刷电路板整体设计;最后利用MATLAB软件中RTW自动代码生成工具箱,开发了增程器协调控制策略嵌入式代码,并完成了增程器控制系统软硬件集成。利用dSPACE实时仿真系统,建立了增程式电动汽车整车控制器硬件在环试验平台。通过硬件在环试验研究,验证了所提出能量管理策略及其提高燃油经济性的有效性。分析试验结果表明:所建立的能量管理策略能够实时控制增程式电动汽车并实现设计目标;与原车控制策略相比,在已知驾驶员期望行驶里程信息时,采用该策略可以提高行驶周期内燃油经济性9.2%,并能够控制动力电池SOC在车辆行程结束达到充电站时降到最低值。建立了增程器试验台架,进行了增程器不同工作模式的台架测试。分析台架试验结果表明:所设计的增程器控制系统能够实时控制增程器并能够达到设计目标;在增程器启动过程台架测试中,相比基于发电机转速控制的启动控制策略,所建立的基于发电机转矩控制的启动控制策略降低了增程器启动过程加速度峰值68.9%以上;在增程器发电功能台架测试中,所设计的基于模糊自适应优化PID的增程器协调控制策略,能够改善增程器在跟随目标发电功率过程中的动态性能和稳态性能,其中在超调量和稳态误差两方面,与所要求的性能指标值相比,平均降低了 55.0%和 36.0%。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.72
【图文】：

米勒,混合动力车,发动机

使得活塞在压缩行程开始之前使混合气经历一个膨胀过程，对混合气进行逡逑冷却，降低发动机热负荷、减少压缩功。米勒又进一步提出：采用进气增压中冷逡逑的方式，弥补由于气门早关引起的进气充量减少量，增大发动机的输出功［１７］。逡逑现今米勒循环发动机主要以进气门晚关实现膨胀比大于压缩比，这也是与奥逡逑托循环最大的区别。在进气门晚关过程中多余的气体会回流至进气歧管，从而实逡逑现了负荷调节，这样可以减小泵气损失，提高了燃油经济性，热效率更高［１８“９］。逡逑但由于采用进气晚关技术，使得米勒循环发动机低速转矩表现较差；活塞行逡逑程边长，高转速往复运动时振动较大，降低了发动机寿命，同时对于发动机升功逡逑率的提升也很不利［２Ｑ＿２１］。逡逑由于米勒循环发动机的不足之处阻碍了其在汽车上的发展。近年来，随着混逡逑合动力汽车的兴起，米勒循环的研宄也逐渐成为热点［２２］。米勒循环在稳定工况下逡逑具备较高的热效率；在低速工况下，可以采用纯电驱动，改善米勒循环发动机低逡逑速转矩表现差的缺点；而高负荷阶段则可充分发挥米勒循环的节能特性。这样米逡逑勒循环发动机可以与动力电池形成互补。目前米勒循环发动机在量产汽车上通常逡逑有两种不同类型的运用：一种作为专用发动机应用于混合动力系统；另外作为一逡逑种部分发动机循环应用于传统汽车，即双逡逑

增程,电动汽车,结构示意图

转子通过扭转减震器连接，将输出机械能转换为电能，该套系统省去了传统的启逡逑动电机，提升了空间利用率；动力电池通过转换器可以为驱动电机提供电能，也逡逑可以回馈制动时存储驱动电机发出的电能。增程式电动汽车结构示意图如图２－１逡逑所示。主要参数如表２－１所＾逦逡逑１＂邋ａ邋，邋ｎ邋ｎ邋ｎ邋ｎ逦增程器系统逦／逦邋ｊ逡逑１邋ｌ邋？？？？邋］邋Ａ邋＼＊逦？！逦ｆｌ邋Ｉ逡逑｜邋（ｆ米勒循环发动流转换器ｊ邋ｉ逡逑Ｌ－＿逦ｖ逦」逦■二」逡逑驱动电机）二１１４１邋／——＾逡逑逦＾邋ｉ；逦逡逑＾直流／直ｆ逡逑动力电池Ｕ邋＜逦？流转换器ｊ逡逑—邋＿崣＝电气连接逡逑图２－１增程式电动汽车结构示意图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｅｘｔｅｎｄｅｄ邋ｒａｎｇｅ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑表２－１增程式电动汽车主要参数逡逑逦Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｍａｉｎ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｅｘｔｅｎｄｅｄ邋ｒａｎｇｅ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｖｅｈｉｃｌｅ逦逡逑项目逦逦Ｍ逦逡逑车辆类别逦Ｍｌ逦逡逑满载质量／ｋｇ逦１８４０逦逡逑车轮半径／ｍ逦０．２９８逦逡逑逦迎风面积／ｍ２逦Ｚ９逦逡逑类型逦三缸米勒循环发动机逡逑排量／Ｌ逦０９逦逡逑发动机逦最大功率／ｋＷ逦５２逦逡逑最大转矩／Ｎ－ｍ逦９０逦逡逑最高转速／邋（ｒ／ｍｉｎ）逦６０００逡逑类型逦永磁同步电机逡逑ＩＳＧ逦最大功率／ｋＷ逦５３逦逡逑最大转矩／Ｎ－ｍ逦２５０逦逡逑类型逦永磁同步电机逡逑，N＾逦最大功率／

示意图,节气门,参数,示意图

ＡＴ为节气门转角，°；逦？0为节气门全关时蝶阀与节气门体内径夹角，°；逡逑为节气门体内径，ｍｍ。逡逑节气门体结构参数示意图如图２－５所示。逡逑图２－５节气门体结构参数示意图逡逑Ｆｉｇ．２－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｆｏｒ邋ｔｈｒｏｔｔｌｅ邋ｂｏｄｙ逡逑由于节气门体流量系数与其有效截面积、进气压力、发动机转速、环境温度逡逑均相关，需要经过大量的标定实验确定，使得节气门体气体流量的确定过于复杂，逡逑因此Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓ等人［１２４＿ｍ】针对蝶阀式节气门提出了双通道节气门气体流动假说，逡逑建立了自然吸气发动机节气门体气体流动数学模型，如式（２－５）至式（２－８）所示。逡逑叫＝／＾．０邋＋邋内。逦（２－５）逡逑ｐ＾Ｐ，｛ａ）Ｐ２（ｐｒ）逦（２－６）逡逑＾（？）邋＝邋１－00５（？－？０）逦（２－７）逡逑Ｌ－１逦２￣￣逡逑＼ｈｒ（￣７Ｔ邋广１逦ｐＪｐ＾＾逡逑／５２（Ａ）邋＝邋Ｊ邋Ｖ邋２ｊｆ邋＋邋ｌ逦（２－８）逡逑Ｉ￣ｉ逦７＋ｒ逡逑．＼ＰｒＫ￣Ｐ，邋Ｋ逦Ｐｍ＇逡逑２２逡逑

【参考文献】