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原文传递基于能量流试验和仿真的混合动力汽车节油控制策略优化

论文题名：	基于能量流试验和仿真的混合动力汽车节油控制策略优化
关键词：	混合动力汽车;整车控制策略;油耗分析;能量流分析
摘要：	随着我国交通网络的不断完善，汽车作为一种快捷的交通方式受到了越来越多人的青睐。但是由于整个行业的飞速发展，也带来了环境污染和石油资源匮乏的问题。为了应对这一问题，全球各地都在不断加强对混合动力、纯电动汽车的技术研究与开发。近年来，对混合动力汽车的研究主要集中在能量管理控制策略方面。此外，整车的能量流分析作为一种有效的研究方法也被广泛应用于混合动力汽车的设计、开发和优化中。因此，本文以某混合动力汽车为研究对象，基于全球统一轻型车测试循环（WLTC）工况，采用试验和仿真相结合的研究方法，通过基于规则的控制策略并结合能量流分析的方式，利用Matlab/Simulink和GT-Suite仿真平台，研究整车控制策略对混合动力汽车油耗的影响，实现了整车油耗降低5%以上的目标。本文的主要研究内容包括：　　（1）对该混合动力汽车整车开展WLTC工况下的能量流试验，获得整车的工况特性和能量流特性。试验结果显示：发动机的低油耗区较宽，并且在并联模式下的电机扭矩较小、效率比较低等。这为后续的控制策略优化研究提供了指导。　　（2）利用GT-Suite和Matlab/Simulink分别搭建混合汽车整车物理模型和控制策略模型，并利用 WLTC 工况下的试验数据完成对联合仿真模型的校核，整车累计油耗、动力电池SOC、发动机扭矩、电机扭矩、发电机转速等实测数据和仿真数据的误差基本在5%以内，可以利用此联合仿真模型开展后续研究。通过利用能量流分析的方法对该混合动力汽车进行仿真分析，发现原车的驱动电机损失高达14%，主要是因为很多电机工作点处于较低的工作效率区，并且减速器的能量损失也较多。此外，并联模式下，发动机将输出的剩余能量（24.3%）通过驱动电机给电池充电；并且电池在整个过程中的充放电次数较多。后续将提出有效的控制策略来解决这些问题。　　（3）通过对该混合动力汽车基于确定规则的控制策略研究，发现原车在串联模式下采用发动机6个固定工作点发电，并联模式下发动机沿着高、低两条SOC线工作的控制策略。通过对串、并联模式的边界进行静态计算分析，确定最优的串联模式稳态工作点以及串、并联模式的切换边界等。通过调整增程器的最低功率来控制串联模式下的效率、发电量和耗电量等。并联模式下主要针对切入并联的下限、发动机直驱的上下限以及并联充电扭矩界限等进行调整。最后，结合串、并联优化方向，提出整车 WLTC 工况的优化方向，从而得到当前架构和配置下的相对最优油耗，为实际控制策略优化提供方向。　　（4）通过对整车WLTC工况试验数据、整车能量流分布以及串、并联模式边界等进行分析，提出了两种不同的控制策略优化方案。两种方案主要对并联扭矩范围、串并联切换的车速阈值、并联模式下的切换条件等做了调整，并且新增了并联模式下的发动机直驱模式。通过校核好的仿真模型对两种方案进行了模拟，并对优化方案的模拟结果进行了详细的分析。　　（5）优化结果显示：本文提出的两种控制策略优化方案使得WLTC工况下该混合动力汽车整车百公里油耗分别从 5.73 L/100km 降低到了 5.37 L/100km 和 5.36 L/100km，分别降低了 6.3%和 6.5%，提出的两种方案均满足了优化的目标要求。方案 1 和方案 2 发动机直接驱动车辆行驶的能量占比分别从 48.1%提高到了 67.3%和59.9%。方案1和方案2的车辆动力传动系统的总能量损失分别从30.6% 下降到21.1%和 22.4%。原车、方案 1 和方案 2 的动力总成系统效率分别为 88.14%、93.42%和93.72%。这是使得方案1和方案2控制策略下油耗降低的主要原因。原车发动机虽然热效率较高，但整个动力总成系统效率最低，油耗最高。对控制策略进行优化后，发现发动机、驱动电机、发电机等动力系统部件工况的相对平衡可以使得整车油耗降低。
作者：	李光华
专业：	车辆工程
导师：	冯仁华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2023