基于行驶状况识别的混联式HEV多模式能量控制策略研究

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混合动力电动汽车(Hybrid electric vehicle,HEV)整车驱动能量控制策略是HEV核心技术之一,一直以来都是HEV的研究热点,但目前相关研究因为没有很好地处理以下三个问题,导致HEV油耗和尾气排放依然偏高。第一,控制策略没有考虑行驶状况(整车载荷、道路坡度)动态变化对于能量控制策略的反作用;第二,控制策略主要基于动力型驾驶模式,当驾驶人对动力性要求过高时,会导致HEV的油耗和排放变差;最后,控制策略优化模型中的部件特性忽略了车况变化的影响。鉴于此,论文进行了基于行驶状况识别的混联式HEV多模式能量控制策略研究。具体如下:进行了基于行驶状况识别的驾驶人意图辨识模型研究,首先,以一款混联式HEV作为研究对象,基于汽车纵向动力学原理,利用实车动态采集的车速、加速度等汽车行驶动力学参数,运用最小二乘方法构建了HEV整车载荷和道路坡度求解模型,运用粒子群智能优化算法,研究了载荷和坡度在线求解机理,并开展了18组实车载荷和坡度识别验证实验,验证方法可行性;然后,为探析驾驶人的驾车意图,对180名驾驶人进行了调查,得出“驾驶人对于加速踏板的操作更多的体现为驾驶人对车速的需求”结论,由此利用人机工程学舒适度与疲劳原理,建立了“加速踏板——车速需求”非线性关系模型,用于解析驾驶人的车速需求,基于此,研究了基于行驶状况识别的HEV驾驶人需求转矩意图辨识模型,可为HEV能量控制策略优化提供驾驶人的需求转矩信息;最后,为了分析驾驶人意图辨识结果对HEV驱动能耗的影响,进行了不同载荷和坡度下的实车实验,得出基于载荷和坡度识别的驾驶人意图辨识模型,较原车可节约驱动能耗3.08%的结论。进行了基于行驶状况识别的混联式HEV建模研究,运用MATLAB/SIMULINK软件,建立了HEV能量控制策略整车模型,包括整车动力学模块、行驶状况识别模块、驾驶意图辨识模块、发动机、发电机、电动机模块和动力电池模块等,并利用实车实验数据对模型进行了有效性验证。其中,在发动机模型方面,研究了发动机平均值模型的基础理论,基于此,结合行星齿轮动力耦合机构的动力学模型和效率模型,提出了用发电机转矩来间接测算发动机输出转矩的方法,并进行了实验验证,解决了发动机平均值模型中发动机输出转矩难以获得的问题;此外,从270组发动机实车实验(实验道路包括城市、城郊、高速、山区道路,实验车况为空载、半载和满载,实验路况为平路和坡道)数据中,选取其中47组典型的发动机运行参数实验数据,运用最小二乘辨识方法和粒子群算法及遗传算法,对发动机平均值模型的37个待定系数进行了辨识,最终建立了1NZ—FXE4缸16气门发动机平均值模型,基于此,提出了利用发动机平均值模型构建发动机效率模型的方法,可解决HEV在用过程中,因发动机效率模型变化,进而导致HEV节能减排效果恶化的问题;最后,为解决动力总成效率等特性参数查表模型存在插值误差的问题,基于查表模型数据,经过训练,建立了发动机、发电机、电动机和动力电池的特性参数神经网络模型。进行了HEV多工况多模式能量控制策略研究,首先,由HEV能量控制模型和基于行驶状况识别的驾驶意图辨识模型,给出驾驶人需求驱动转矩意图,作为HEV能量控制策略输入参数之一;然后,结合遗传粒子群智能仿生理论的全局最优和快速收敛优点,研究了HEV多工况多模式能量控制策略,控制策略涵盖5种工况(停车充电、起步、起步后、制动、倒车)、3种驾驶模式(动力型、经济型、平衡型)、4种能量流模式(电驱动、油驱动、油驱电充、油驱电放),共37种具体优化策略。控制策略以综合考虑能耗和排放的HEV综合性能指标为优化目标,共计优化了179584个HEV工作状态点,其中动力型能量控制策略体现了动力性强的特点,经济型策略体现了能耗特性优的特点,而平衡型策略介于二者之间,通过研究还发现了在SOC、车速相同条件下,HEV能量转化率随驾驶人需求驱动转矩的增加呈现“U形抛物线”规律;实验结果表明,所研究的控制策略不论能耗还是排放特性相对原车均有改善;最后,对PRIUS原车倒车工况下,混动驱动模式的能量控制策略进行了理论分析和实车实验,发现原车因发动机转向与驱动轮转向相反,而导致能量浪费的问题,并提出改进方案。最后,对基于行驶状况识别的混联式HEV多模式能量控制策略进行了仿真和实车实验研究。
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