插电式混合动力汽车能量管理策略设计优化

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人类社会面临着能源危机、大气污染和全球变暖等问题,为践行低碳生活理念,发展新能源汽车是实现绿色高质量发展的必然选择。插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)作为国家新能源汽车“三纵”战略发展的重要“一纵”,既与人民生活紧密相关,又与国家科技创新布局和绿色健康发展的重大战略需求相适应,具有重要的研究意义。能量管理策略作为插电式混合动力汽车开发的关键技术之一,对车辆实现高效率、低排放和低能耗运行起到至关重要的作用。论文以某插电式混合动力汽车开发为依托,主要围绕动力系统选型、工作模式分析、动力参数匹配、整车控制建模和能量管理策略设计优化进行研究,主要研究工作和结论如下:(1)动力系统选型及工作模式分析。对现有PHEV基本构型进行分析比较,确定车辆构型,并对其转速转矩耦合装置进行工作特性分析。在此基础上,通过建立等效杠杆模型结合能量流分析法,对车辆在不同工作模式下离合器、锁止器的工作状态,以及发动机、发电机和电动机的转速转矩关系进行分析,并建立了动力系统数学模型。(2)动力系统参数匹配。首先基于动力系统参数匹配基本原则确定动力参数匹配设计流程。然后根据新能源汽车相关国家标准确定车辆基本参数和性能指标,进而以动力性指标和循环工况为基础分析车辆所需的峰值功率、峰值转矩、峰值转速和常用功率、常用转矩、常用转速。并以此为依据,分别对发动机、电动机、行星机构特征参数、发电机、动力电池和传动系的关键参数进行匹配设计。(3)整车控制模型的设计与搭建。首先进行发动机、发电机、电动机和动力电池数学建模,并基于Amesim软件建立了整车物理模型。然后基于能量管理策略设计原则和各动力部件的工作特性,设计发动机转速、驱动转矩和再生制动控制策略,进而制定出基于规则的能量管理策略,在此基础上,应用Simulink建立车辆工作模式切换规则和各工作模式下动力部件的执行模块,最后搭建了Amesim与Simulink整车性能联合仿真模型。(4)基于规则的能量管理策略优化。基于搭建的Amesim-Simulink整车性能联合仿真模型,以车辆使用成本为目标函数,车辆传动系结构和控制参数为优化变量,利用遗传算法对整车性能进行优化,确定了最优的传动系结构和控制参数。然后以WLTC+CLTC-P+NEDC组合测试工况为验证工况,对优化结果的合理性与有效性进行验证。最后,基于优化后的传动系结构参数对整车动力性进行仿真验证。(5)等效消耗最小化能量管理策略(Equivalent Consumption Minimization Strategy,ECMS)设计与优化。首先对ECMS影响因素进行分析,然后利用遗传算法对重要影响因子进行优化,确定ECMS基本参数,进而基于ECMS对整车性能进行仿真分析,并与基于规则的能量管理策略仿真结果进行比较。结果显示,ECMS算法比基于规则的控制效果更佳,但其计算效率低于基于规则的控制方法。
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