随着世界汽车保有量的持续增长,能源短缺与环境污染已经成为全人类亟待解决的问题。开发低油耗、低排放的新型汽车已经成为行业的首要任务。因此,同时具有传统汽车和电动汽车优势的混合动力汽车登上了历史舞台。混合动力汽车配备发动机和电机两种动力源,其节油能力很大程度上取决于这两种动力源的能量管理策略。为了提高燃油经济性,本文提出了一种基于模式分离的瞬时燃油消耗最小策略对发动机和电机的扭矩进行分配,进而得到发动机和电机的期望扭矩。而对发动机期望扭矩的跟踪效果直接影响着车辆的动力性和稳定性,所以我们设计了数据驱动MPC扭矩跟踪控制器对发动机扭矩进行跟踪,通过优化求解得到期望的底层控制量:节气门开度、空燃比和点火提前角。由于空燃比系统较为复杂,无法直接将控制量作用于执行装置,所以设计了空燃比模型预测控制器对期望空燃比进行跟踪控制。首先,以混联式混合动力汽车为研究对象,匹配了动力系统各部件的参数。为了实时求取车辆的需求扭矩,基于系统参数建立了车辆纵向动力学模型,并和GT-Power软件中的集成模型做了对比仿真,验证了动力学模型的精度。由于本文研究的是基于瞬时燃油消耗最小原则的能量管理策略,所以根据采集得到的发动机有效燃油消耗数据和电机效率数据分别建立了发动机瞬时燃油消耗速率模型和电机的瞬时燃油消耗速率模型。基于以上模型设计了模式分离瞬时燃油消耗最小策略。为了验证所提出的能量管理策略对燃油经济性的提升效果,将提出的方案分别与基于规则和动态规划的能量管理策略进行对比,通过NEDC循环工况仿真,验证了所提出的能量管理策略的有效性。其次,发动机期望扭矩的跟踪精度和尾气排放量直接影响着混合动力汽车的整体性能。为了在满足排放的前提下精确跟踪期望扭矩,设计了扭矩跟踪控制器对期望扭矩进行跟踪控制。由于发动机是一个复杂、强耦合、非线性系统,无法基于机理进行建模,所以选取合适的节气门开度、空燃比、转速和点火提前角激励数据作用于发动机系统,然后将系统的I/O数据进行采集和处理,应用数据驱动方法建立了扭矩和排放的预测模型,并对模型精度进行了仿真验证。最后,以节气门开度、空燃比和点火提前角为控制量,发动机输出扭矩、CO和NOx排放量为输出量,综合考虑系统约束,设计了数据驱动MPC扭矩跟踪控制器,并在GT-POWER与Simulink的联合仿真环境中验证了扭矩跟踪精度和排放性能。最后,考虑到扭矩跟踪控制器优化的期望空燃比无法直接作用于系统,设计了相应的空燃比跟踪控制器。为了提高控制器的响应速度,通过MAP表标定的方法设计了空燃比前馈控制器。此外,为了减小空燃比系统固有时滞的影响,提高跟踪精度,建立了含时滞的空燃比系统模型,并应用模型预测控制理论设计了空燃比反馈控制器,并通过不同仿真工况验证了控制器的快速性和准确性。分别验证了能量管理策略、扭矩跟踪控制器和空燃比跟踪控制器的性能之后,将上面三层控制器进行联合和优化,通过仿真验证了该三层级联控制器的性能。