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一种混联式混合动力客车能量管理及模式切换协调控制研究

王磊  
【摘要】:混合动力客车整车能量管理策略及行驶模式切换协调控制是提高混合动力客车能量转换效率及车辆驾驶性能的关键。因此,针对混合动力客车在实际循环工况中多个动力源的能量分配和效率优化及行驶模式切换动态过程中多个动力源的协调控制的研究对于实现混合动力客车的高效、平稳运行具有重要意义。 本文针对一种动力系统结构和零部件参数确定的混联式混合动力客车,在整车能量管理策略及动力系统模式切换协调控制方面,以提高混合动力客车的燃油经济性和保证车辆的驾驶性能为目标,进行了整车动力学建模、纯电动至并联驱动模式切换过程中的驾驶性能分析、整车控制系统设计、硬件在环仿真试验及实车道路试验等方面的研究。 根据混合动力客车整车能量管理策略有效性验证及模式切换动态过程中驾驶性能分析的需求,针对混合动力客车的动力系统结构和能量流动方向,以Matlab/Simulink为平台,建立了适用于混合动力客车整车能量管理策略及模式切换协调控制研究的混合动力客车整车动力学模型。模型基于理论建模和试验建模相结合的方法,充分反映了柴油发动机和电控自动离合器的动态性能,能较好地描述混合动力系统对整车控制器设定值的动态响应特性。 对于混合动力客车多个动力源的能量分配和效率优化问题,基于迭代动态规划方法和Elman动态神经网络,设计了混合动力客车的实时次优能量管理策略。由于城市公交客车通常在固定的线路上运行,其道路循环工况相对确定。本文首先以最小燃油消耗为目标,采用迭代动态规划方法求解了混合动力客车在给定循环工况下的最优控制律;然后通过构建Elman动态神经网络,将采用迭代动态规划方法计算出的最优控制律从一组随时间变化的序列转化为一组随状态变化的序列,从而将迭代动态规划方法的优化结果应用于混合动力客车的实时控制;最后基于ETAS PT-LABCAR硬件在环仿真系统,建立了混合动力客车整车控制器硬件在环仿真试验台,对设计的实时次优能量管理策略进行了硬件在环仿真试验研究,验证了控制策略具有实时控制功能且能显著提高混合动力客车的燃油经济性。设计方法不仅极大地提高了混合动力客车能量管理策略优化的计算效率,也为混合动力客车能量管理策略的优化提供了新的途径。 对于混合动力客车的动力系统在行驶模式切换过程中的协调控制问题,提出了基于自适应模糊滑模方法的混合动力客车模式切换协调控制方法,在满足驾驶员动力需求的前提下,以减小模式切换过程中的动力系统输出转矩波动和车辆纵向冲击为目标,设计了混合动力客车纯电动至并联驱动模式切换协调控制策略。本文首先分析了混合动力客车在纯电动模式切换至并联驱动模式过程中的驾驶性能,并在此基础上提出了混合动力客车从纯电动模式切换至并联驱动模式过程的协调控制原理及控制系统方案。然后采用自适应模糊滑模方法,针对离合器在结合过程中的不同运行状态,且在限制发动机油门变化率的基础上分段设计了混合动力客车纯电动至并联驱动模式切换协调控制策略,并通过Lyapunov直接方法设计了自适应律并分析了控制系统的稳定性。设计方法将发动机实际输出转矩与其目标转矩的偏差和系统参数不确定性引起的偏差归入统一的干扰项,因此设计的模式切换协调控制系统在保证控制精度的同时避免了系统参数的在线辨识;同时干扰项采用自适应模糊系统进行估计用于修正固定边界层滑模控制器的控制参数,因此设计的模式切换协调控制系统在消除控制量颤振的同时减少了系统的控制误差。相关仿真结果表明,设计的模式切换协调控制策略实现了混合动力客车纯电动模式至并联驱动模式的平稳切换且显著改善了离合器的工作状况。 针对混合动力客车实车道路试验,设计了基于CAN总线的车载道路试验测试系统,并进行了典型工况下的混合动力客车纯电动至并联驱动模式切换实车道路试验,对设计的协调控制策略的有效性进行了验证。试验结果表明,设计的模式切换协调控制策略显著降低了混合动力客车从纯电动模式切换至并联驱动模式过程中的动力系统输出转矩波动和车辆的纵向冲击度,在满足驾驶员动力需求的前提下实现了混合动力客车从纯电动模式至并联驱动模式的平稳切换,有效提高了车辆的驾驶性能。


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