發(fā)布時(shí)間：2020-03-30 04:04

【摘要】：目前,傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車由于高能耗、高排放的缺點(diǎn),已經(jīng)引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺問題。為了實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,以純電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,EV)為發(fā)展目標(biāo)的新能源汽車方案被相繼提出。然而,由于EV尚存在諸多瓶頸技術(shù)有待攻克,導(dǎo)致其很難在短時(shí)間內(nèi)完全取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。在此背景下,并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)以其出色的節(jié)能減排能力,被視為是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車到EV的理想過渡方案。并聯(lián)型PHEV的能源來自于燃油和電能,為了實(shí)現(xiàn)車輛能源的在線最優(yōu)化管理、進(jìn)一步提升車輛的節(jié)能減排性能,本文對(duì)并聯(lián)型PHEV的能源優(yōu)化問題進(jìn)行了深入的研究。為此,本文分別通過模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control,MPC)和啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Heuristic Dynamic Programming,HDP)兩種優(yōu)化控制方法,設(shè)計(jì)出以下三種基于旅行信息預(yù)測(cè)的能源管理策略(Energy Management Strategy,EMS)。(1)基于混雜旅途模型的在線EMS考慮到車輛在實(shí)際交通環(huán)境下的行駛狀態(tài)不僅受到自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響,還受到道路交通流狀態(tài)的影響,本文通過解析的方式設(shè)計(jì)出基于混雜旅途模型的在線EMS。首先,根據(jù)車輛在實(shí)際道路環(huán)境下的運(yùn)行特征,分別通過構(gòu)造車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和道路元包傳輸模型(Cell Transmission Model,CTM)去描述車輛的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程和交通流變化過程;然后,利用混雜自動(dòng)機(jī)(Hybrid Automata,HA)理論將連續(xù)車輛運(yùn)動(dòng)過程和離散交通事件切換過程進(jìn)行融合,構(gòu)造出混雜旅途模型,用于車速軌跡的在線預(yù)測(cè);在此基礎(chǔ)上,利用MPC思想設(shè)計(jì)出基于混雜旅途模型的能源管理控制器,并通過控制算法對(duì)其EMS進(jìn)行了在線實(shí)現(xiàn)。(2)基于旅途工況預(yù)測(cè)模型的在線EMS進(jìn)一步地,考慮到實(shí)際交通環(huán)境里車輛行駛工況的隨機(jī)性變化,本文利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)出基于旅途工況預(yù)測(cè)模型的在線EMS。為此,本文先根據(jù)車輛工況數(shù)據(jù)的演化特征,利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Network,BPNN)構(gòu)造出車輛旅途工況預(yù)測(cè)模型;然后通過環(huán)境模態(tài)劃分、遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)和粒子群算法(Particle Swarm Optimization Algorithm,PSOA)對(duì)建立的旅途工況預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而設(shè)計(jì)出基于GA/PSOA的BPNN旅途工況預(yù)測(cè)模型,用于車速軌跡的在線預(yù)測(cè);在此基礎(chǔ)上,利用MPC思想設(shè)計(jì)出基于旅途工況預(yù)測(cè)模型的能源管理控制器,并通過控制算法對(duì)其EMS進(jìn)行了在線實(shí)現(xiàn)。(3)基于HDP的在線EMS更進(jìn)一步地,考慮到MPC的優(yōu)化效果依賴于未來信息的預(yù)測(cè)量和預(yù)測(cè)精度,本文利用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Adaptive Dynamic Programming,ADP)的思想設(shè)計(jì)出基于HDP的在線EMS。首先,考慮到車輛在實(shí)際交通環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)過程具有很強(qiáng)的不確定性和高度的非線性,本文利用BPNN設(shè)計(jì)出并聯(lián)型PHEV的狀態(tài)空間模型;其次,考慮到HDP在求解最優(yōu)化問題時(shí)并不依賴于未來信息的預(yù)測(cè)量,而是根據(jù)貝爾曼最優(yōu)原理和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的思想去實(shí)現(xiàn)問題最優(yōu)解的無限逼近,因此利用BPNN設(shè)計(jì)出基于HDP的能源管理控制器,并通過控制算法對(duì)其EMS進(jìn)行了在線實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的三種EMS的有效性,本文以北京市路網(wǎng)為背景,借助于實(shí)際道路交通數(shù)據(jù),分別對(duì)這三種EMS進(jìn)行了仿真研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,首先,與現(xiàn)有的在線EMS相比,本文設(shè)計(jì)的三種EMS在保證實(shí)時(shí)性的前提下,均可使車輛的能耗性能得到進(jìn)一步的改善,其中燃油消耗的減少量從3.46%到60.27%不等。其次,與離線全局最優(yōu)化EMS相比,雖然本文設(shè)計(jì)的三種EMS的油耗和排放均有不同程度的增加,但是它們的能耗優(yōu)化效果與離線全局最優(yōu)化EMS的優(yōu)化效果已相當(dāng)接近,尤其是基于HDP的在線EMS的能耗優(yōu)化效果與離線全局最優(yōu)化EMS的優(yōu)化效果之間的最小差距只有2.13%,最大也僅有4.5%;并且,本文設(shè)計(jì)的三種EMS均可進(jìn)行車輛能源的實(shí)時(shí)優(yōu)化,而離線全局最優(yōu)化EMS只能用于其他EMS的離線性能分析。由此說明,相較于現(xiàn)有的EMS,本文設(shè)計(jì)的EMS進(jìn)一步提升了并聯(lián)型PHEV的整體節(jié)能表現(xiàn),為車輛能源的在線優(yōu)化管理提供了更加有效的解決途徑。除此之外,本文在實(shí)現(xiàn)上述EMS過程中所采用的優(yōu)化思想、設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法,亦可用于具有多套電機(jī)總成或者具有多套電力能源系統(tǒng)的EV中。為EV在提高電能利用率、增加續(xù)航里程、延長(zhǎng)電池使用壽命等方面的研究提供有效的理論依據(jù)和技術(shù)方法。
【圖文】：

而且沒有對(duì)部分資源進(jìn)行限制[44]。首先，該款軟件整合了豐富的整車仿真平臺(tái)及工況測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)者可以方便的根據(jù)自己的需求選擇車型和仿真工況進(jìn)行模擬測(cè)試。其次，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要靈活的選擇組件搭建車輛平臺(tái)，組件中提供了大量可調(diào)參數(shù)，這些參數(shù)是基于真實(shí)車輛確定的。最后，軟件提供了較為系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析工具，設(shè)計(jì)者可以直觀的看到車輛的仿真過程及各個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)。因此，本文利用 Advisor2002 軟件對(duì)并聯(lián)型 PHEV 的車輛仿真平臺(tái)進(jìn)行了搭建。軟件的設(shè)計(jì)界面如圖 2-6 所示，包括整車參數(shù)設(shè)置區(qū)、總成結(jié)構(gòu)區(qū)、車輛總成視圖區(qū)以及組件物理特性區(qū)。其中，整車參數(shù)設(shè)置區(qū)用來調(diào)整車身總成各組成部件的核心參數(shù)，其他參數(shù)可通過各組件的.m 文件進(jìn)行修改。總成結(jié)構(gòu)區(qū)用來顯示車輛各模塊的物理連接關(guān)系，具體視圖需要點(diǎn)擊 View Block Diagram 按鍵進(jìn)入；同時(shí)，修改車輛的總成結(jié)構(gòu)也需要在此界面操作。由此，根據(jù)前述章節(jié)建立的車輛狀態(tài)空間模型，本文搭建的并聯(lián)型PHEV車輛仿真平臺(tái)如圖2-7所示，這樣就完成了車輛仿真平臺(tái)的構(gòu)造。

顯示車輛各模塊的物理連接關(guān)系，具體視圖需要點(diǎn)擊 View Block Diagram 按鍵進(jìn)入；同時(shí)，修改車輛的總成結(jié)構(gòu)也需要在此界面操作。由此，根據(jù)前述章節(jié)建立的車輛狀態(tài)空間模型，，本文搭建的并聯(lián)型PHEV車輛仿真平臺(tái)如圖2-7所示，這樣就完成了車輛仿真平臺(tái)的構(gòu)造。圖 2-6Advisor2002 軟件設(shè)置界面Fig.2-6 Advisor 2002 software setup interface
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O221.3;U469.7

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本文編號(hào)：2607008