基于CVT的插电式混合动力汽车能量管理策略研究硕士学位论文(71页).doc
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1、-基于CVT的插电式混合动力汽车能量管理策略研究硕士学位论文-第 61 页基于CVT的插电式混合动力汽车能量管理策略研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名:赵新庆指导教师:秦大同 教 授专 业:车辆工程学科门类:工 学重庆大学机械工程学院二O一四年五月Study on Energy Management Strategy for Plug-in Hybrid Electrical Vehicle with CVTA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for t
2、heMasters Degree of EngineeringByZhao XinqingSupervised: Prof. Qin DatongSpecialty: Vehicle EngineeringCollege of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2014摘 要融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车优点的插电式混合动力汽车,既可以高效地降低燃油消耗、减少汽车尾气污染,又可以使用外接电网充电,实现更长的纯电动续驶里程,是国际上新能源汽车研发的热点。而合理设计动力系统参数,更好地分配传动
3、系统的能量流,控制车辆的工作模式,以达到更好的整车经济性,是插电式混合动力汽车开发的核心技术。为此,本文主要从插电式混合动力汽车的参数匹配和能量管理策略制定两个方面进行了分析研究。具体内容从以下几个方面展开:对插电式混合动力汽车典型动力总成的结构特点和性能进行综合分析的基础上,提出了新型并联式动力总成结构,并对其工作模式进行详细分析。应用理论计算法和循环工况综合分析法对动力传动系统关键部件的参数进行匹配研究。基于MATLAB/Simulink平台搭建了动力传动系统的仿真模型:根据动力传动系统各关键部件的特性搭建相应部件的数学模型;基于车辆动力学原理建立车辆动力学仿真模型;应用PI算法建立基于车
4、辆需求扭矩的驾驶员仿真模型。在综合考虑等效燃油消耗率和发动机工作效率的前提下,对动力传动系统各种工作模式的动力分配以及CVT速比进行了优化分析。在此基础上建立了基于规则的能量管理策略,并结合动力传动系统仿真模型建立插电式混合动力汽车的前向仿真模型,对车辆的动力性和经济性进行了初步的仿真分析,验证了本文参数匹配结果和能量管理策略的可行性。为进一步提高新型插电式混合动力汽车的整车经济性,考虑到整车能耗经济性的两个主要影响因素-车辆行驶工况和行驶里程,提出变参数能量管理策略。针对车辆行驶工况的影响,应用模糊欧几里德贴近度的方法,建立了基于典型循环工况的车辆行驶工况识别控制策略。而对于车辆行驶里程的影
5、响,至少需要分析长途模式和短途模式下的能量管理策略才能满足插电式混合动力汽车经济性的需求。为此,本文应用模糊识别的方法,建立了以车辆行驶里程和车辆启动时的动力电池SOC 为输入,行驶里程模式为输出的车辆里程模式预测方法。最终以基于规则的能量管理策略为基础提出基于车辆行驶工况识别和行驶里程模式预测的变参数能量管理策略。最后对整车能量管理策略进行了仿真分析,结果表明:和定参数的能量管理策略相比,变参数能量管理策略可以有效地降低整车等效百公里油耗5%以上。关键词:插电式混合动力汽车,参数匹配,行驶工况识别,行驶里程模式预测,变参数能量管理策略ABSTRACTThe plug-in hybrid el
6、ectric vehicle(PHEV), which could help to reduce the consume of fuel and have longer pure electric mileage by using more energy from electrified wire netting, was the research focus in the world. It was the core technology of PHEV to match the powertrain parameter rationally and to have the energy m
7、anagement strategy for better vehicle economy. Therefore, two main aspects, paremeter matching of powertrain and making the energy management strategy, were researched seriously. The specific content included the following parts:A novel parallel powertrain configuration was proposed based on analyzi
8、ng the characteristics and capabilities of typical PHEVs. Then its work models were analyzed in detail. The theoretical calculation method and driving cycle comprehensive analytic approach were used to match parameters of the powertrain critical components. The simulation model of PHEV was set up.Th
9、e powertrain simulation model was built by using MATLAB/Simulink software: the simulation model of critical components was built, the principle of dynamic was used to build the vehicle dynamic model, the driver model was built by using PI arithmetic.Power distribution and CVT ratio of different powe
10、rtrain work models were optimized on the basis of considering equivalent fuel consumption efficiency and engine efficiency. A rule-based energy management strategy was built. Then the dynamic and economy of PHEV were checked by simulation model. To improve the complete vehicle economy further, the v
11、ariable parameters energy management strategy was proposed based on driving cycle and trip distance, which influenced the vehicle economy. The fuzzy Euclids degree of nearness was used to build the driving cycle prediction control strategy based on typical driving cycles.To reduce the influence of t
12、rip distance, two trip distance modes, long trip mode and short trip mode, at least need be used for energy control strategy. The vehicle trip distance mode prediction was proposed by using fuzzy prediction, the trip distance and the SOC of vehicle start were inputs, the trip mode was output. The en
13、ergy management strategy of switching key control parameters was put forward by using the driving cycle prediction control strategy and trip distance mode prediction control strategy. Eventually, a complete vehicle simulation model for energy management was built, the simulation results showed that,
14、 compared with the constant parameters strategy, the variable parameters energy management strategy could reduce the equivalent fuel consumption more than 5%.Key words: PHEV, parameter matching, driving cycle prediction, trip distance mode prediction, the variable parameters energy management strate
15、gy目 录中文摘要I英文摘要III1绪 论11.1选题背景及意义11.2插电式混合动力汽车发展概况21.3插电式混合动力汽车参数匹配研究现状31.3.1理论计算法41.3.2循环工况综合分析法41.3.3优化匹配设计法51.4插电式混合动力汽车能量管理策略研究现状51.4.1动力电池工作模式51.4.2能量管理策略61.5论文的主要研究内容102动力总成结构分析及参数匹配112.1引言112.2动力总成方案分析112.2.1典型动力总成方案112.2.2新型并联式动力总成结构132.2.3工作模式分析132.3关键部件参数匹配152.3.1动力性能需求初步分析152.3.2行驶工况分析172.
16、3.3ISG电机选型及参数匹配192.3.4发动机参数匹配212.3.5动力电池选型和参数匹配212.3.6传动系速比参数匹配233动力传动系统仿真建模253.1引言253.2动力传动系统关键部件仿真模型253.2.1发动机模型253.2.2ISG电机模型283.2.3CVT仿真模型293.2.4动力电池模型303.3车辆动力学模型343.3.1驱动工况动力学分析353.3.2制动工况动力学模型363.4驾驶员模型364基于规则的能量管理策略394.1引言394.2动力传动系统能耗优化分析394.2.1纯电动驱动模式下动力传动系统能耗优化分析404.2.2发动机单独驱动模式下动力传动系统能耗优
17、化分析424.2.3混合驱动模式下动力传动系统能耗优化分析434.2.4行车充电模式下动力传动系统能耗优化分析464.2.5制动能量回收模式下动力传动系统能耗优化分析494.3基于规则的能量管理策略504.3.1驱动模式504.3.2制动模式534.4仿真验证544.4.1动力性验证554.4.2经济性验证585基于行驶工况识别和行驶里程模式预测的能量管理策略615.1引言615.2能量管理策略关键控制参数优化分析615.2.1粒子群优化算法615.2.2能量管理策略关键控制参数优化分析625.2.3能量管理策略控制参数的影响因素分析655.3基于行驶工况识别和行驶里程模式预测的能量管理策略6
18、85.3.1基于行驶工况识别的控制策略685.3.2车辆行驶里程模式预测715.3.3变参数能量管理策略735.4能量管理策略对比仿真分析746结论与展望776.1全文总结776.2工作展望77致 谢79参考文献81附 录87A. 作者在攻读学位期间发表的论文或专利目录87B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目目录871 绪 论1.1 选题背景及意义随着全球能源短缺和环境污染等问题的日益突出,降低人类对石油能源的依赖和减少温室气体排放成为汽车工业发展的首要任务。而传统的内燃机汽车(Internal combustion engine vehicles ,ICEV)是造成以上问题的重要原因之一。
19、内燃机汽车不仅大量消耗着石油资源,而且还排放出HC 、CO和NOx等有害物污染环境。同时随着人们生活水平的不断提高,汽车保有量将逐年攀升。根据德国一家汽车市场调研机构R.L.POLK MARKETING SYSTEMS的预测数据,到2015年,全球汽车保有量将从2007年的近9.2亿辆增至11.2亿辆左右。在此背景下,节能减排日益受到重视,新能源汽车的开发和应用也就成了世界范围内的新课题和大趋势。从当前各国发展的新能源汽车来看,一般可以分为三种类型:纯电动汽车(Electric Vehicle, EV)、混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)、燃料电池电动汽车
20、(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)。由于动力电池性能和价格的制约,纯电动汽车的发展一直受限;鉴于燃料电池的寿命短、适应性差等因素直接影响燃料电池汽车的发展1。混合动力汽车既可以高效的利用石油燃料,又可以降低汽车尾气对空气的污染,一度成为新能源汽车的研发热点。但是常规的混合动力汽车也存在一些问题,比如价格较高、仍然较多的使用汽油或柴油、纯电动续驶能力较差,因此前景并不太乐观2。近几年在传统混合动力汽车的基础上,又派生出一种插电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)。其融合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点,可
21、以使用外接电网充电,纯电动行驶里程更长,节油率更高,成为许多国家在发展新一代电动汽车时的重点关注对象之一3,4,5。相对于常规的混合动力汽车,插电式混合动力汽车工作模式更加复杂,对传动系统的结构参数设计、能量管理策略等提出更高的要求。动力传动系统的参数匹配是插电式混合动力汽车设计的一个重要内容,其直接影响到插电式混合动力汽车的燃油经济性、动力性、排放等。在合理设计动力系统参数满足车辆动力性能要求的前提下,如何更好地分配传动系统的能量流,控制车辆的工作模式,以达到更好的整车燃油经济性,是能量管理策略应达到的目标。为此,国内外做了大量工作,取得了一些进展,但还没有最佳的参数匹配方法和能量管理策略,
22、因此对插电式混合动力汽车的参数匹配和能量管理策略进一步的研究对国家新能源汽车的发展具有重要的意义。1.2 插电式混合动力汽车发展概况插电式混合动力汽车本身并不是新世纪才有的产物,它的历史可以追溯到一个多世纪之前。早在1899年,Lohner- Porsche公司生产出了第一款混合动力汽车Mixte Hybrid。因为那时的混合动力汽车可以使用外接电源充电,也可以说是第一款“插电式”混合动力汽车6。直到1969年六月,号称“插电式混合动力汽车之父”的美国加州大学戴维斯分校的Andrew Frank教授,在Popular Science期刊上描述通用生产的XP-883时第一次正式提出插电式混合动力
23、汽车的概念。XP-883的动力源由一个两缸的汽油发动机和一个直流驱动电机组成,行李箱部分安装六块12伏的铅酸电池组,可以使用115伏电压的外接电源为动力电池充电。2000年美国加利福尼亚大学研制出一辆并联插电式混合动力汽车,之后插电式混合动力汽车逐渐被人们所认识7。进入21世纪之后,在能源危机和环境污染等问题日益突出的大背景下,世界各大汽车企业都在努力发展自己的新能源汽车产业。业界普遍的观点是,纯电动汽车和燃料电池汽车是长远的战略目标,过度期间最理想的选择就是混合动力汽车,而插电式混合动力汽车是最佳的解决方案。当然插电式混合动力汽车的发展也离不开政府政策的强力支持。美国能源部自由车和车辆技术项
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