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原文传递 EVT混合动力系统的优化设计与能量管理

论文题名：	EVT混合动力系统的优化设计与能量管理
关键词：	电气变速器;混合动力系统;优化设计;能量管理
摘要：	电气变速器(ElectricVariableTransmission，EVT)是一种双转子复合电机，当其作为机电能量转换装置应用于混合动力汽车上时，可以相当于行星齿轮加一个发电机和一个电动机，实现混联式混合动力的全部功能，系统得到极大简化。基于EVT的混合动力系统，涉及发动机、储能源和两个电机等多个部件，电机和储能源的参数设计与系统控制性能相互耦合影响；目前EVT混合动力总成的设计与能量管理主要以单一目标优化和规则策略为主，系统的参数匹配和控制性能没有达到最优，还需要进一步完善与优化。因此，本文对EVT混合动力系统的多参数多目标系统优化和能量管理问题进行研究。　　针对EVT混合动力系统的多参数多目标设计问题，为了提高设计速度和得到最优的设计方案，提出了基于动力性能Pareto前沿的快速优化设计方法，在兼顾传动系的加速能力、最高巡航车速和燃油经济性的前提下，减小了EVT两个电机功率，降低了成本。在分析了EVT混合动力系统特点的基础上，对不同性能的优化控制进行了动态与稳态问题的分解。为优化燃油经济性和最短加速时间，给出相应的快速动态规划(DynamicProgramming，DP)全局最优求解方法，通过变量代换，减少了需要划分网格的控制变量或状态变量，从而提高了运算效率。在对最高车速的优化时，采用全局静态搜索的方式，得到了考虑各部分效率因素的更精确的性能极限。运用嵌套优化方法得到各性能Pareto前沿，量化地分析了EVT电机参数对系统的燃油经济性、加速性能和最高车速的主次影响关系。通过仿真，给出了不同齿轮速比配合下的燃油经济性表现，并得到最优EVT电机匹配方案。根据所提出的快速优化方法，在维持相同燃油经济性的前提下，EM1和EM2电机峰值功率可以分别减少45%和11.8%，且不同齿轮速比配合对系统的燃油经济性和电机功率等级的影响显著。　　EVTPlug-in混合动力汽车能量系统的优化问题需要解决电池容量匹配与能量管理两个方面的互动最优化问题。为了减少优化时间，建立了EVTPlug-in混合动力汽车在不同工作模式下的凸函数模型，进而提出其凸优化设计方法，可以同时求解最优电池容量和能量管理策略。进行了混合动力模式下的凸函数建模，通过定义复合功率源将发动机和EVT看成一个整体，提出一种双层控制算法，上层动态优化复合功率源与蓄电池之间的功率分配，下层离线搜寻发动机的最优转速，将混合动力模式下的能量管理转化为最优功率分配问题，通过拟合功耗曲线后，使其满足凸优化的求解条件。根据不同的放电策略和电机驱动方式，优化了EVTPlug-in混合动力系统，给出不同控制方法下的最优电池匹配方案和能量管理，并对比分析各种控制方法之间的优劣及其对蓄电池匹配的影响。研究表明，双电机驱动可以提升CDCS策略下的全电里程达4%，但对Blended策略影响很小。而相比于CDCS放电策略，Blended策略可以使日行驶成本降8.3%。　　EVT混合动力系统的能量管理是一个非线性混合规划问题，为了实现能量管理的在线运行，基于等效燃油消耗最小策略(EquivalentConsumptionMinimizationStrategy，ECMS)提出预测控制与自适应两种实时能量管理策略，建立了控制模型，给出了具体实施方法。提出一种EVT混合动力系统的ECMS-DP快速迭代求解方法，采用ECMS和DP分别优化功率分配和发动机开关控制，减少了预测控制对控制时域进行全局优化的时间。提出自适应ECMS的线性化自适应率，结合每一时刻等效因子的上下限和蓄电池荷电状态，实时确定等效因子，再根据最优哈密顿函数值直接确定最优功率分配与开关控制，从而降低了非预测类能量管理参数调节的难度。两种策略都是先得到功率分配再反向求解工作点，因此进一步节省了运算时间。对三种不同工况进行仿真，结果表明ECMS-DP相比于DP可以直接降低全局优化的运算时间达99%以上，运算效率显著。对比两种不同策略，预测能量管理控制最优度可达97%以上，而自适应能量管理为92%~96%。　　为了验证所设计的传动系统参数的合理性和能量管理策略的有效性，建立EVT混合动力系统的降功率半实物仿真平台。采用一台永磁EVT和两台感应电机，建立电机对拖平台，利用感应电机分别建立发动机模拟系统和道路负载模拟系统，实现对传动系的输入端和输出端进行加载。在Matlab/Simulink中建立虚拟储能源模型和半实物仿真平台的控制回路，基于dSPACE实现EVT混合动力系统的快速原型开发。实验表明所设计系统参数可以满足传动系的动态响应需求，而所提出的预测能量管理也可以实现在线实时运算。对比于稳态仿真，在动态实验下预测能量管理和自适应能量管理的燃油经济性都有所下降。
作者：	马泽涛
专业：	电机与电器
导师：	崔淑梅
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020