计及温度效应的插电式四驱混合动力汽车多行驶模式实时优化能量管理策略

This research focuses on plug-in 4WD hybrid electric vehicle, because the vehicle's catalytic converter is easy to work in abnormal working temperature range，cab heating consumes too large battery power, and the fuel consumption and emission multiple targets control strategy based on pontryagin's minimum principle is difficult to be applied to real-time control, this project researches on plug-in 4WD HEV’s real-time optimal energy management strategy with multi-driving mode considering temperature effect. The research contents include: Firstly, based on off-line optimization, the relationship between the driving distance and driving mode is determined by statistical analysis; Secondly, aiming at motor mainly driving mode, the real time control strategy basing on power system’s optimal efficiency is researched; Thirdly, aiming at the power balance driving mode, the fuel consumption and emission multiple targets real-time optimization control strategy based on approximate pontryagin's minimum principle is studied; Fourthly, under the engine mainly driving mode, on the basis of the research on the control strategy considering the catalytic converter’s temperature effect and cab temperature effect, integrated the control law of the above two kinds of control strategy, real time optimization control strategy including the effect of temperature is obtained; Finally, the energy management strategy’s real-time performance and effectiveness is verified through the hardware in the loop simulation and bench test. This research project has important significance on improving plug-in hybrid vehicles’ fuel economy and emission performance.

本项目以插电式四驱混合动力汽车为研究对象，针对该车辆的三元催化器易工作在非正常工作温度区间、驾驶室供暖对电池电能消耗过大和基于极小值原理的油耗和排放多目标控制策略难以应用于实时控制等关键问题，研究计及温度效应的插电式四驱混合动力汽车多行驶模式实时优化能量管理策略，具体包括：1) 基于离线优化，应用统计分析确定行驶距离和行驶模式的关系；2) 针对电机为主行驶模式，研究基于动力系统效率最优的实时控制策略；3) 针对动力均衡行驶模式，研究基于近似极小值原理的油耗和排放多目标实时优化控制策略；4) 针对发动机为主行驶模式，首先研究计及催化器温度效应和计及驾驶室温度效应的控制策略，然后综合上述两种控制策略的控制律，获得计及温度效应的实时优化控制策略；5) 分别通过硬件在环仿真和台架试验验证能量管理策略的实时性和有效性。项目的研究对提高插电式混合动力汽车的燃油经济性和排放性能具有重要意义。

插电式四驱混合动力汽车具有多个可以独立或协同工作的动力部件，且控制变量较多，因此其能量管理策略的制定是一项复杂的工程。本项目以插电式四驱混合动力汽车为研究对象，研究计及温度效应的插电式四驱混合动力汽车多行驶模式实时优化能量管理策略。取得的主要成果如下：（1）插电式四驱混合动力汽车动力传动系统参数优化匹配：以插电式混合动力汽车分别在CD阶段和CS阶段的百公里油耗最小为插电式混合动力汽车经济性方面的优化目标，同时以0-120km/h的加速时间最小为动力性方面的优化目标，采用多目标遗传算法对动力传动系统部件参数进行优化。（2）计及三元催化器温度效应的能量管理策略研究：首先建立三元催化器热模型，然后构建催化器温度偏离其正常工作温度区间时的附加代价函数，最后以发动机燃油消耗和催化器温度偏离其正常工作温度区间的附加代价为目标函数，依据庞特里亚金极小值原理建立Hamilton函数，对目标泛函进行求解，从而获得计及催化器温度效应的能量管理控制策略。（3）基于近似极小值原理的实时优化控制策略：首先建立发动机瞬时油耗模型和电池瞬时等效油耗模型，然后构建以等效油耗为性能指标的Hamilton函数，最后研究基于近似极小值原理的实时优化控制策略。（4）计及温度效应的插电式混合动力汽车实时优化控制策略：在综合考虑三元催化器温度和发动机冷却液温度等温度效应的基础上，提出了在整车驱动效率损失不大的前提下，通过在目标函数中增加发动机冷却液温度低于温度阈值时的惩罚，以增加发动机冷却液废热供暖，减少驾驶室供暖对电池电能的消耗，同时通过加入启停滤波器对优化之后的发动机转矩进行启停滤波处理，以减少发动机启停次数，从而提高催化器的转化效率。结果表明所提出的能量管理策略能有效提高车辆的燃油经济性，为我国自主知识产权插电式混合动力汽车的开发提供了理论基础与技术支持。在本项目的支持下，共发表论文11篇，其中SCI检索5篇，EI检索3篇。授权发明专利1项，公开申请发明专利4项。