增程式电动汽车的动力分布设计方法与控制策略研究

发布时间：2017-12-05 09:40

  本文关键词：增程式电动汽车的动力分布设计方法与控制策略研究

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【摘要】：增程式电动汽车(Extended-Range Electric Vehicle,简称EREV)以一辆完整的电动汽车为基础,装备了可以在动力电池电量不足时输出功率的辅助动力单元。这是在现有技术水平下,为调和电动汽车续驶里程与整备质量、生产成本之间的尖锐矛盾而出现的产品。本文结合科技部国际合作计划项目(2010DFB83650),以某紧凑级增程式电动轿车为研究对象,对EREV的构型设计、优化匹配、控制策略等一系列关键技术展开研究,并搭建了EREV动力总成的前向仿真分析平台和性能试验平台,对各项设计方法与控制策略进行了验证。在本研究中,首先针对传统动力集中式EREV构型中存在的普遍问题,提出了一种基于双电机、混联设计、全轮驱动的动力分布式EREV构型方案,选取四冲程往复活塞发动机作为辅助动力单元,分析了电量消耗模式、电量保持模式和再生制动模式的功率需求,并将动力分布EREV与其他常见构型方案进行了定性和定量对比研究,表明该方案在动力性、轻量化、复杂度、成本控制等方面表现均衡、优势明显。而后,选取前向仿真分析方法、采用联合仿真的方式,搭建了动力分布式EREV前向仿真分析平台,为后续的研究奠定基础。该模型包括动力总成关键零部件、驾驶员、轮胎及整车纵向动力学、控制器等子模型。在建模过程中,着重进行了不同内燃机建模方法的对比研究,建立了基于稳态试验数据的试验模型、基于一维流动和Wiebe分区燃烧理论的理论模型、以及基于Hendricks平均值方法的平均值模型,对各种建模方法的优势与不足进行了探讨分析,并将之分别应用于适当的研究方向。第三,对增程式电动汽车的参数匹配与设计方法进行了研究,总结出一套适合该构型方案的匹配设计流程,提出了一种基于能量概率密度的循环测试工况分析方法。在参数匹配过程中,将汽车的动力性指标划分为三个层级,逐级进行动力总成关键部件的匹配设计。在分析特定行驶工况、进行原动机效率匹配时,关注于汽车在某一工况内的能量转化、而非在某一工况内的持续时间,从而更科学地划分测试工况下的目标优化区间;并以数学期望为计算手段,设计了相应的仿真及试验数据处理算法。第四,为充分挖掘双电机构型的节能潜力,本文研究了EREV在电量消耗模式下的控制策略,引入“人-车-环境”闭环决策系统,实现了适时双电机四轮驱动。该系统以面向最小功率损耗的双电机转矩优化分配方法为基础,使用模糊判断实现驾驶员意图识别,对驱动模式的切换门限进行实时调整;还设有决策品质评估环节,判断并统计不理想的模式决策,对状态决策进行反馈调节。仿真分析结果表明,该控制策略可以有效改善EREV的纯电动续驶里程,并在较大程度上消除不理想的模式切换。第五,在符合工程实际的前提下,针对不同的行驶路况及APU温度,本文研究了EREV在电量保持模式下的能量管理控制策略。研究中首先确定了能量管理系统的基本结构,对充放电窗口和驾驶员目标驱动力解算进行了设计,并利用人工神经网络实现了行驶路况的在线识别;同时,对基于最小等效燃油消耗量(ECMS)的瞬时优化方法进行了研究与改进,依据当前行驶工况,实时优化等效因子及其他控制参数,并通过串并联模式决策器,选取等效油耗较低的驱动模式;此外,研究中分别采用模糊控制手段和动态规划手段,设计出相应的APU暖机过程优化控制策略;仿真分析及试验表明,上述控制策略可以准确识别真实行驶条件下的实时路况,有效改善EREV在不同路况下的燃油经济性,并实现降低暖机过程油耗和缩短暖机时间的目标。最后,选用Woodward Motohawk快速原型控制器开发平台,完成了EREV动力总成控制系统的软硬件开发,并根据参数匹配设计结果,搭建了动力总成性能试验台架;利用所建试验台架,对所设计的EREV动力总成及控制系统进行了基本功能验证和控制策略验证,试验结果表明,各项控制策略均具备良好的可行性与有效性。本研究对于增程式电动汽车的构型设计、优化匹配及控制策略开发均具备一定的理论参考价值和工程应用价值,对增程式电动汽车的应用与推广也具有积极的实际意义。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
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本文编号：1254402