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串联型液压混合动力汽车的能量管理策略研究

冯代伟  
【摘要】:近年来,随着经济的发展,公路运输规模和运输汽车数量都在不断增加,运输汽车的燃油消耗量也相应地大幅增长,因此提高运输汽车燃油经济性的需求越来越强烈,这极大地促进了与运输汽车相关的新能源汽车的研究和发展。在这些研究中,采用液压混合动力技术来提高运输汽车的燃油经济性非常具有吸引力。其一,运输汽车一般质量较大,需要的驱动功率也较高;其二,液压系统的一些优秀性能,比如液压泵/马达具有很高的功率密度和效率,液压储能器能够在其整个工作范围内进行快充和快放等,使其非常适合应用于运输汽车的混合动力系统中。因此,液压混合动力技术被视为能有效降低运输汽车耗油量的最可行的技术。然而,液压储能器的能量密度低也给这项技术的应用带来一些挑战。正是液压混合动力技术所面临的这些机遇和挑战使其成为目前混合动力汽车研究领域的热点之一。 液压混合动力系统的结构形式大致可分为串联型和并联型。其中串联型液压混合动力系统能够使发动机与汽车传动系统解耦,进而可以大幅提高发动机的操作柔性和使用性能。再者,串联型液压混合动力系统具有更好的提高运输汽车燃油经济性的潜力。基于以上考虑,本文以串联型液压混合动力系统作为研究对象,并针对当前该研究中存在的需要解决的问题,主要从以下几个方面展开研究: (1)高精度的发动机仿真模型。目前混合动力系统研究中采用的发动机模型普遍将油耗与发动机运行状态视为静态映射,这种方法难以准确估计发动机处于瞬态时的油耗。本文所建立的发动机仿真模型描述了发动机的进气动态和输出力矩动态,并根据发动机电子控制单元的工作方式来修正瞬时油耗。实验结果表明该模型能够精确估计各种情况下的发动机瞬时油耗,并能够准确描述发动机的工作动态。 (2)分层递阶的控制系统结构在串联型液压混合动力系统中的应用。本文所建立了分层递阶的控制系统结构包含两个层级,共三个子控制器。顶层的子控制器即为整个混合动力系统的能量管理策略。底层控制器包含两个子控制器,一个用于控制发动机和与发动机相连的液压泵,另一个用于控制汽车驱动马达和机械制动器。这种控制系统结构使得系统中的全部被控对象和需要特殊考虑的各种特殊情况都能被有效控制和管理。 (3)基于模型预测控制的能量管理策略在串联型液压混合动力系统中的应用以及和其它策略效果的对比。目前混合动力系统能量管理策略种类繁多,根据其发展顺序和特点,大致可分为三类,即基于规则的、基于离线优化的(包括确定型动态规划法、随机动态规划法等)和基于在线优化的(即模型预测控制方法)。其中基于模型预测控制的能量管理策略提出较晚,而且目前该策略在液压混合动力系统中的应用尚未见诸于文献。本文设计并应用了这三种类型中各自最具代表性的能量管理策略,即基于液压储能器荷能状态调节的规则式能量管理策略(Rule Based,RB),基于随机动态规划方法的离线优化式能量管理策略(Stochastic Dynamic Programming,SDP)和基于模型预测控制的在线优化式能量管理策略(Model Predictive Control,MPC),并分别研究其特点和应用效果。结果表明无论从提高燃油经济性还是从改善汽车动力性来说,MPCSDPRB(“”表示“优于”的意思)。其中MPC能充分挖掘该串联型液压混合动力系统的潜力。 (4)实时寻优算法研究。在线寻优计算的实时性是基于模型预测控制的能量管理策略在应用中需要解决的主要问题。本文针对性地提出基于李雅普诺夫方法的实时寻优方法,该方法相比于常用的二次规划法,不仅具有更好的实时性,而且计算时间随优化变量个数的增加仅线性增加。此外,该方法具有和二次规划法相当的计算稳定性。


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