【摘要】：環(huán)境污染與能源危機是我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn),大力發(fā)展新能源汽車、實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為我國政府、企業(yè)和科研機構(gòu)的共識,現(xiàn)已初步確立了將“純電驅(qū)動”作為我國新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展導(dǎo)向。增程式電動汽車具有整車成本較低、續(xù)駛里程長、不需要復(fù)雜的機械傳動裝置以及清潔高效等優(yōu)點,發(fā)展增程式電動汽車是一種適合我國汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和整體國情的可行發(fā)展道路。本論文以增程式電動汽車為研究對象,遵循基于模型的控制系統(tǒng)設(shè)計思想,開展了增程式電動汽車整車建模、能量管理策略設(shè)計與優(yōu)化、增程器控制系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究�；贛ATLAB/Simulink建立了增程式電動汽車前向仿真模型,模型主要由動力系統(tǒng)部件模型(包括驅(qū)動電機模型、增程器系統(tǒng)模型、鋰離子動力電池模型)、整車動力學(xué)模型、駕駛員模型、整車控制器模型四個部分組成。在該模型中構(gòu)建了基于進氣門延遲關(guān)閉修正系數(shù)的米勒循環(huán)發(fā)動機平均值模型。利用臺架試驗與實車試驗對模型的仿真效果進行驗證,結(jié)果表明:模型可對增程式電動汽車在實際工況下的性能進行較高精度模擬,并能夠模擬出增程器系統(tǒng)工作過程中米勒循環(huán)發(fā)動機的主要動態(tài)特性,可作為能量管理策略設(shè)計及增程器控制系統(tǒng)開發(fā)的仿真平臺。研究了增程式電動汽車能量流全局優(yōu)化問題,以燃油消耗量最小為優(yōu)化目標(biāo),采用動態(tài)規(guī)劃算法對能量流全局優(yōu)化問題進行求解。針對傳統(tǒng)動態(tài)規(guī)劃算法的誤差累積問題,提出了一種基于動力電池SOC(State of Charge)狀態(tài)空間有效求解區(qū)域的動態(tài)規(guī)劃ESR算法。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)動態(tài)規(guī)劃算法相比,所提出的動態(tài)規(guī)劃ESR算法降低了累積誤差,使動力電池SOC終端狀態(tài)與目標(biāo)值的差值在1%以內(nèi);并且在NEDC工況下,與原車采用的電能消耗-電能維持型控制策略的仿真結(jié)果相比,基于動態(tài)規(guī)劃ESR算法提高了燃油經(jīng)濟性近19%。本文系統(tǒng)分析了增程式電動汽車充電特點,指出提高增程式電動汽車總運行時間內(nèi)燃油經(jīng)濟性的能量管理策略控制目標(biāo)為:對行駛周期內(nèi)的整車需求功率進行優(yōu)化分配,控制動力電池SOC隨行駛里程以近似線性變化的方式下降;為了提高車輛在行駛周期結(jié)束進入充電站時動力電池存儲電能的能力,動力電池SOC應(yīng)處于最低限值。基于此,本文采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對能量流全局優(yōu)化結(jié)果進行訓(xùn)練,構(gòu)建了增程式電動汽車能量流全局優(yōu)化控制模型集,并與動力電池電能消耗率計算模塊、動力電池目標(biāo)SOC計算模塊和控制模型選擇算法相耦合,提出了基于能量流全局優(yōu)化控制模型的實時能量管理策略。為了提高增程器能夠在響應(yīng)目標(biāo)發(fā)電功率過程中的動態(tài)性能,根據(jù)V型開發(fā)模式,設(shè)計了增程器控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)軟件方面,提出了基于模糊自適應(yīng)優(yōu)化PID的增程器協(xié)調(diào)控制策略,并采用遺傳算法對模糊自適應(yīng)PID基準(zhǔn)參數(shù)進行優(yōu)化,建立了以增程器轉(zhuǎn)速誤差及其變化率為輸入的模糊推理算法;在增程器硬件設(shè)計方面,完成了微處理器選擇、電源電路設(shè)計和通訊模塊設(shè)計等,并利用Altium Designer完成了印刷電路板整體設(shè)計;最后利用MATLAB軟件中RTW自動代碼生成工具箱,開發(fā)了增程器協(xié)調(diào)控制策略嵌入式代碼,并完成了增程器控制系統(tǒng)軟硬件集成。利用dSPACE實時仿真系統(tǒng),建立了增程式電動汽車整車控制器硬件在環(huán)試驗平臺。通過硬件在環(huán)試驗研究,驗證了所提出能量管理策略及其提高燃油經(jīng)濟性的有效性。分析試驗結(jié)果表明:所建立的能量管理策略能夠?qū)崟r控制增程式電動汽車并實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo);與原車控制策略相比,在已知駕駛員期望行駛里程信息時,采用該策略可以提高行駛周期內(nèi)燃油經(jīng)濟性9.2%,并能夠控制動力電池SOC在車輛行程結(jié)束達到充電站時降到最低值。建立了增程器試驗臺架,進行了增程器不同工作模式的臺架測試。分析臺架試驗結(jié)果表明:所設(shè)計的增程器控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制增程器并能夠達到設(shè)計目標(biāo);在增程器啟動過程臺架測試中,相比基于發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的啟動控制策略,所建立的基于發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制的啟動控制策略降低了增程器啟動過程加速度峰值68.9%以上;在增程器發(fā)電功能臺架測試中,所設(shè)計的基于模糊自適應(yīng)優(yōu)化PID的增程器協(xié)調(diào)控制策略,能夠改善增程器在跟隨目標(biāo)發(fā)電功率過程中的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,其中在超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差兩方面,與所要求的性能指標(biāo)值相比,平均降低了 55.0%和 36.0%。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U469.72
【圖文】：

使得活塞在壓縮行程開始之前使混合氣經(jīng)歷一個膨脹過程，對混合氣進行逡逑冷卻，降低發(fā)動機熱負(fù)荷、減少壓縮功。米勒又進一步提出：采用進氣增壓中冷逡逑的方式，彌補由于氣門早關(guān)引起的進氣充量減少量，增大發(fā)動機的輸出功［１７］。逡逑現(xiàn)今米勒循環(huán)發(fā)動機主要以進氣門晚關(guān)實現(xiàn)膨脹比大于壓縮比，這也是與奧逡逑托循環(huán)最大的區(qū)別。在進氣門晚關(guān)過程中多余的氣體會回流至進氣歧管，從而實逡逑現(xiàn)了負(fù)荷調(diào)節(jié)，這樣可以減小泵氣損失，提高了燃油經(jīng)濟性，熱效率更高［１８“９］。逡逑但由于采用進氣晚關(guān)技術(shù)，使得米勒循環(huán)發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)較差；活塞行逡逑程邊長，高轉(zhuǎn)速往復(fù)運動時振動較大，降低了發(fā)動機壽命，同時對于發(fā)動機升功逡逑率的提升也很不利［２Ｑ＿２１］。逡逑由于米勒循環(huán)發(fā)動機的不足之處阻礙了其在汽車上的發(fā)展。近年來，隨著混逡逑合動力汽車的興起，米勒循環(huán)的研宄也逐漸成為熱點［２２］。米勒循環(huán)在穩(wěn)定工況下逡逑具備較高的熱效率；在低速工況下，可以采用純電驅(qū)動，改善米勒循環(huán)發(fā)動機低逡逑速轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)差的缺點；而高負(fù)荷階段則可充分發(fā)揮米勒循環(huán)的節(jié)能特性。這樣米逡逑勒循環(huán)發(fā)動機可以與動力電池形成互補。目前米勒循環(huán)發(fā)動機在量產(chǎn)汽車上通常逡逑有兩種不同類型的運用：一種作為專用發(fā)動機應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)；另外作為一逡逑種部分發(fā)動機循環(huán)應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車，即雙逡逑

轉(zhuǎn)子通過扭轉(zhuǎn)減震器連接，將輸出機械能轉(zhuǎn)換為電能，該套系統(tǒng)省去了傳統(tǒng)的啟逡逑動電機，提升了空間利用率；動力電池通過轉(zhuǎn)換器可以為驅(qū)動電機提供電能，也逡逑可以回饋制動時存儲驅(qū)動電機發(fā)出的電能。增程式電動汽車結(jié)構(gòu)示意圖如圖２－１逡逑所示。主要參數(shù)如表２－１所＾邐逡逑１＂邋ａ邋，邋ｎ邋ｎ邋ｎ邋ｎ邐增程器系統(tǒng)邐／邐邋ｊ逡逑１邋ｌ邋？？？？邋］邋Ａ邋＼＊邐？！邐ｆｌ邋Ｉ逡逑｜邋（ｆ米勒循環(huán)發(fā)動流轉(zhuǎn)換器ｊ邋ｉ逡逑Ｌ－＿邐ｖ邐」邐■二」逡逑驅(qū)動電機）二１１４１邋／——＾逡逑邐＾邋ｉ；邐逡逑＾直流／直ｆ逡逑動力電池Ｕ邋＜邐？流轉(zhuǎn)換器ｊ逡逑—邋＿崣＝電氣連接逡逑圖２－１增程式電動汽車結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｅｘｔｅｎｄｅｄ邋ｒａｎｇｅ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑表２－１增程式電動汽車主要參數(shù)逡逑邐Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｍａｉｎ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｅｘｔｅｎｄｅｄ邋ｒａｎｇｅ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｖｅｈｉｃｌｅ邐逡逑項目邐邐Ｍ邐逡逑車輛類別邐Ｍｌ邐逡逑滿載質(zhì)量／ｋｇ邐１８４０邐逡逑車輪半徑／ｍ邐０．２９８邐逡逑邐迎風(fēng)面積／ｍ２邐Ｚ９邐逡逑類型邐三缸米勒循環(huán)發(fā)動機逡逑排量／Ｌ邐０９邐逡逑發(fā)動機邐最大功率／ｋＷ邐５２邐逡逑最大轉(zhuǎn)矩／Ｎ－ｍ邐９０邐逡逑最高轉(zhuǎn)速／邋（ｒ／ｍｉｎ）邐６０００逡逑類型邐永磁同步電機逡逑ＩＳＧ邐最大功率／ｋＷ邐５３邐逡逑最大轉(zhuǎn)矩／Ｎ－ｍ邐２５０邐逡逑類型邐永磁同步電機逡逑，N＾邐最大功率／

ＡＴ為節(jié)氣門轉(zhuǎn)角，°；邐？0為節(jié)氣門全關(guān)時蝶閥與節(jié)氣門體內(nèi)徑夾角，°；逡逑為節(jié)氣門體內(nèi)徑，ｍｍ。逡逑節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖２－５所示。逡逑圖２－５節(jié)氣門體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖逡逑Ｆｉｇ．２－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｆｏｒ邋ｔｈｒｏｔｔｌｅ邋ｂｏｄｙ逡逑由于節(jié)氣門體流量系數(shù)與其有效截面積、進氣壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度逡逑均相關(guān)，需要經(jīng)過大量的標(biāo)定實驗確定，使得節(jié)氣門體氣體流量的確定過于復(fù)雜，逡逑因此Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓ等人［１２４＿ｍ】針對蝶閥式節(jié)氣門提出了雙通道節(jié)氣門氣體流動假說，逡逑建立了自然吸氣發(fā)動機節(jié)氣門體氣體流動數(shù)學(xué)模型，如式（２－５）至式（２－８）所示。逡逑叫＝／＾．０邋＋邋內(nèi)。邐（２－５）逡逑ｐ＾Ｐ，｛ａ）Ｐ２（ｐｒ）邐（２－６）逡逑＾（？）邋＝邋１－00５（？－？０）邐（２－７）逡逑Ｌ－１邐２￣￣逡逑＼ｈｒ（￣７Ｔ邋廣１邐ｐＪｐ＾＾逡逑／５２（Ａ）邋＝邋Ｊ邋Ｖ邋２ｊｆ邋＋邋ｌ邐（２－８）逡逑Ｉ￣ｉ邐７＋ｒ逡逑．＼ＰｒＫ￣Ｐ，邋Ｋ邐Ｐｍ＇逡逑２２逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2750388