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原文传递功率分流式混合动力汽车能量管理系统混杂动态建模与优化控制研究

论文题名：	功率分流式混合动力汽车能量管理系统混杂动态建模与优化控制研究
关键词：	混合动力汽车;行星齿轮机构;能量管理;预测控制;线性时变模型
摘要：	为加快节能减排的进程，发展新能源汽车成为当前汽车产业发展的紧迫任务。混合动力汽车兼具纯电动汽车和传统内燃机车的优势，是短期内新能源汽车发展的主导力量。为了降低混合动力汽车的能耗，国内外学者和汽车企业在开发更高效的动力系统结构方面展开了深入的研究。采用行星排式动力耦合结构的功率分流式混合动力汽车(Power split hybrid electricvehicle，PS-HEV)不仅实现了发动机转矩转速和车轮转矩转速的解耦，还可以起到无级变速的作用，从而省去传统意义上的变速器，成为当前混合动力汽车领域的研究热点。　　混合动力汽车能量管理策略是提高整车动力传动系统能量转化效率的关键。双行星排式动力耦合机构使PS-HEV具有丰富的工作模式，只有结合实时高效的能量管理策略才能充分发挥PS-HEV多模式、多自由度的优势，从而有效地提高整车能量转化效率。PS-HEV能量管理系统不仅包含多工况使能/失能工作模式切换的离散动力学行为，还包括受系统自身物理特性约束的连续动力学行为，具有典型的混杂动态特征。本文针对一种新型PS-HEV展开了动力学分析与建模研究，进一步基于混杂系统理论构建能量管理系统的混杂动态模型，力图在建立能够准确反映系统本质特征的混杂动态模型基础上，通过对能量管理系统的优化设计，实现PS-HEV能量的高效分配，为PS-HEV控制器的设计提供新的理论基础与技术支撑。　　首先，介绍了一种基于行星排齿轮机构的PS-HEV，利用杠杆法理论，对行星齿轮机构的转速和转矩特性进行了研究，构建了动力耦合机构的动态模型和静态模型。根据功率分流式混合动力系统的结构特点，确定了PS-HEV的离散工作模式，并运用杠杆法对各工作模式下混合动力系统的工作原理进行了深入地分析，明晰了各模式下的功率传递路径和不同动力源之间的转矩关系，建立了反映工作模式切换的状态转移关系。采用理论建模与试验建模法相结合的方法建立了PS-HEV关键部件的动力学模型，进一步结合行星排式动力耦合结构的动态模型，构建了能够描述车辆能量和控制信号实际流向的PS-HEV整车仿真模型，为整车性能分析和控制策略的设计、验证提供了基础。　　其次，完成了PS-HEV的混杂动力学行为分析和能量管理系统的混杂动态建模。根据混合动力汽车的控制特点和要求，揭示了混合动力汽车工作过程的离散事件行为、连续动力学行为以及两者的相互作用，并基于混杂系统理论构建了能量管理系统的混杂动态模型，描述为包括离散决策层、连续被控层和接口转换层的三位一体的结构。通过接口转化层对系统连续信息和离散信息的抽取，建立离散决策层和连续被控层的动态行为响应关系。基于中国典型城市循环工况的仿真结果表明，PS-HEV混杂控制模型结构准确地反应了PS-HEV能量管理过程的混杂动力学行为，实现了PS-HEV工作模式的切换和不同模式下各动力源输出转矩的分配。为了进一步改善车辆燃油经济性，需要进行PS-HEV混杂控制系统的优化设计。　　再次，对PS-HEV的工作模式进行了综合，针对PS-HEV优化后的工作模式，基于模型预测控制算法进行了PS-HEV控制规律生成器的优化设计。为了对驾驶员需求转矩进行预测，以中国典型城市循环工况和车辆实际瞬态行驶工况为样本，建立了基于马尔科夫链的驾驶员模型，结合整车能量管理策略的控制目标和约束条件，将PS-HEV的能量优化分配问题描述为有限时域内受约束的优化控制问题，并探讨了非线性模型预测控制器和线性时变模型预测控制器的应用。非线性模型预测控制以PS-HEV的非线性动力学模型作为预测模型，针对其有限时域内的非线性规划问题，分别研究了基于序列二次规划(SQP)和动态规划(DP)的求解算法。线性时变模型预测控制基于线性化模型，通过将能量管理优化控制问题转化为标准的二次规划问题实现控制输入的优化求解。针对不同的行驶工况，对优化的能量管理控制器进行了仿真验证和对比分析。结果表明，基于线性时变模型预测控制的能量优化分配策略能够有效地降低车辆的等效燃油消耗，在中国典型城市循环工况下，等效燃油经济性改善高达16.17％，且相较于非线性模型预测控制算法寻优时间更短，仅需45ms左右，具有较好的实时性。　　最后，进行了PS-HEV的实车试验和硬件在环仿真试验研究。通过台架测试，研究了行星排式混合动力系统中两个电机的工作特性，为电机的参数化建模提供了依据。进一步通过PS-HEV的实车试验，验证了基于Matlab/Simulink环境的整车仿真模型的准确性，评估了行星排式动力耦合机构对车辆燃油经济性和动力性的影响。在此基础上，搭建了PS-HEV的硬件在环仿真平台，并进行了控制系统的硬件在环试验。试验结果验证了优化设计的PS-HEV能量管理控制系统能够在维持电池SOC平衡的同时实现较高的车辆燃油经济性，并满足车辆的实时控制需求，为下一步优化控制系统的实车试验和产品级开发提供了基础。
作者：	施德华
专业：	车辆工程
导师：	陈龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文