混聯(lián)式混合動力客車功率均衡能量管理控制策略研究

1、混聯(lián)式混合動力客車功率均衡能量管理控制策略研究隨著能源緊缺的預警逐漸增強,以及越來越龐大的城市交通燃油消耗帶來的巨大壓力,成為發(fā)展新能源汽車的外在壓力和內在驅動力。綜合考慮各種新能源技術產業(yè)化應用的成熟度及可行性,油電混合動力汽車由于具備很好的繼承性和良好的燃油經濟性,不僅成為了在現階段的研究熱點,而且甚至在未來的一個時期內均具有有很大應用空間和發(fā)展?jié)摿?。對于串?lián)式混合動力汽車可改善低速工況時發(fā)動機惡劣的燃油消耗,并聯(lián)式混合動力則在高速工況或高負荷工況具有較強的動力性;然而混聯(lián)式混合動力汽車兼具了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點,所以更能適應各種各樣的行駛工況,尤其適合城市的公交工況。把混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)作為

2、新能源城市公交客車的首選,主要目的是為了節(jié)省燃油,提高燃油的利用效率,而欲實現這一目標,進行相應的多能源的協(xié)調控制就顯得十分重要。對于多能源的控制,亦所謂的能量管理控制策略是一個涉及時變非線性系統(tǒng)控制和復雜問題決策的多緯度模型,其具體因素來自混合動力系統(tǒng)本身及其各部件間的協(xié)調工作極其復雜很難使用準確的數學模型進行表示;另外,運行工況及駕駛員操作均具有相當強的隨機性,不同的行駛道路和不同的駕駛員風格習慣都需要相應的控制策略與之匹配;換言之,控制策略具有一定的通用性同時又具有獨特性,層出不究,是混合動力系統(tǒng)的關鍵技術之一。本文針對一款混聯(lián)式混合動力客車以改善其燃油經濟性為目的,展開了能量管理優(yōu)化和

3、控制策略設計,其具體工作概括如下:根據其結構特點,以整車功率匹配及關鍵部件數值模型、整車動力學模型的建立為基礎,制定以期獲得燃油經濟性的提高并且可應用于實際工程,圍繞著實現滿足發(fā)動機運行于最佳效率曲線并兼顧考慮電池效率的功率均衡分配為核心思想,設計了等效燃油消耗最小的通用優(yōu)化目標函數,分別進行基于龐特里雅金最小值原理為理論基礎的等效燃油最小控制策略進行了功率均衡瞬時優(yōu)化、動態(tài)規(guī)劃算法進行了控制策略的全局優(yōu)化,通過了隨機動態(tài)規(guī)劃獲得了考慮駕駛員特性的功率分配策略并發(fā)展了自適應控制策略以期實現對電池能量的有效管理;接著基于優(yōu)化結果進行統(tǒng)計分析,提取了控制策略的設計規(guī)則結合工況識別算法,進一步完善了

4、控制策略;最后,進行了硬件在環(huán)實驗以及整車道路實驗,對所設計的控制策略進行驗證。以下對各項工作進行具體介紹:整車功率參數匹配是能量管理控制器開發(fā)的基礎,基于城市客車行駛工況的特點對混合動力系統(tǒng)功率進行匹配設計并根據匹配結果選定各關鍵動力部件的進行選型;采用實驗為主、理論為輔的方法建立了各個動力部件子系統(tǒng)的數值模型以及基于matlab/simulink建立整車仿真模型,為實現整車能量管理控制策略的開發(fā)提供了仿真平臺?；趯炻?lián)式混合動力系統(tǒng)的分析,制定以實現發(fā)動機運行于最佳效率曲線并考慮兼顧電池效率的功率均衡分配基本控制策略模型。但是采用經驗式的規(guī)則設計方法很難實現這一控制目標,為此引入了優(yōu)化目

5、標函數?；谧钚≈祪?yōu)化控制理論推導出等效燃油消耗最小控制策略的理論模型根據理論模型進行簡化以期獲得可用于實際應用的實時優(yōu)化算法,確定電池等效燃油計算模型,以各時刻下客車燃油消耗率最小為優(yōu)化目標,對電池和發(fā)動機功率進行實時優(yōu)化均衡控制。最后為獲得控制策略實現效果的參考依據,以動態(tài)規(guī)劃算法進行功率均衡全局優(yōu)化,經仿真結果分析表明采用動態(tài)規(guī)劃全局優(yōu)化控制策略的燃油經濟性最好相比原型車提高了34%;而基于此參考值,所制定的功率均衡等效燃油最小控制策略對改善整車燃油經濟性是有效的,對實際工程的應用具有一定的價值。為滿足控制策略對不同駕駛員風格的適應性,建立了馬爾科夫駕駛員需求功率模型;在此基礎上針對混聯(lián)

6、式混合動力客車,采用隨機動態(tài)規(guī)劃算法（又稱馬爾科夫決策理論）以在每一個SOCK車速的狀態(tài)下對任何時刻的駕駛員需求功率以及根據統(tǒng)計規(guī)律預測的下一時刻的需求功率,以使得當前時刻及未來時刻下的期望成本累加值最小,即燃油消耗最?。ㄟ@里同樣也是采用等效燃油）,對混聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)功率分配進行優(yōu)化,其所獲得的發(fā)動機和電池之間功率分配的優(yōu)化結果可直接應用于能量管理控制策略,而且該能量管理策略反映了城市道路行駛工況的特性。隨機動態(tài)規(guī)劃所獲得的控制策略雖然可直接應用于實時控制,但是其在計算過程中仍然會面臨“維數災難”的問題,亦采用的求解方法所需的計算量和數據存儲空間會隨著狀態(tài)的數目呈指數級增長,這對于應

7、用在存儲空間不大的控制器是一種致命的限制。為此,將隨機動態(tài)規(guī)劃所獲得的控制策略擬合成數表并以此為基礎引入等效燃油系數,通過分析等效燃油系數對對發(fā)動機工作點的影響以及在不同工況下對燃油經濟性和電池SOC勺影響，利用基于最小值原理對功率均衡控制策略模型進行離線優(yōu)化,獲得在各個等效燃油系數,不同需求功率和車速下的最優(yōu)電池分配功率,并在此基礎上利用自適應模糊滑模控制對等效燃油系數進行更新控制,從而制定了功率均衡自適應時實優(yōu)化控制策略。通過仿真實驗驗證,自適應時實優(yōu)化控制策略可對電池SOCS行有效平穩(wěn)的控制,表明通過利用等效燃油系數改變電池電量的價值進而實現控制策略對行駛工況的適應性,也說證明了在每個道

8、路工況下均存在一個等效燃油系數能夠實現電池與發(fā)動機功率之間合理均衡的分配?；趦?yōu)化算法的結果,進行能量管理控制系統(tǒng)設計。根據動態(tài)規(guī)劃的全局優(yōu)化計算結果,通過統(tǒng)計分析和多元非線性回歸的方法總結最優(yōu)控制下車輛能量流分配的宏觀規(guī)律,確定動力總成工作模式的切換規(guī)則及各種模式下能量流分配規(guī)則;以“人-車-路”思想為指導,設計行駛道路識別及駕駛員意圖識別規(guī)則并結合能量管理控制策略,形成基于工況識別的功率均衡控制策略。在上述基礎上,以“人-車-路”思想為指導,設計行駛道路識別及駕駛員意圖識別規(guī)則并結合能量管理控制策略,形成基于工況識別的功率均衡控制策略。最后經設計相應的工況進行仿真實驗,其結果表明:工況識別的控制策略適用于實際路況的多變性,該方法具有較好的發(fā)展空間及應用前景。最后,論文進行了混聯(lián)式混合動力客車功率均衡控制策略的實驗驗證。為驗證模式切換、串