基于混杂系统理论的双行星排式HEV能量管理系统动态建模与优化控制研究

In the power transfer process of the dual-planetary gear hybrid electric vehicle (HEV), there are coordinations and matching problems of multiple power sources and the energy management system design has become the core of the related researches. In this program, taking the hybrid dynamic characteristics in the energy management system of the dual-planetary gear HEV into consideration, the energy management problems will be transformed into some certain scientific problems, such as the dynamic modeling and optimal control of a determined hybrid system.Based on the operating mode extraction of the powertrain system and the inner loop power analysis of the gear set, the structural parameters of the power coupling device will be optimized. Then an in-depth study on the hybrid dynamic behaviors of this energy management system will be carried out. Based on the above analysis, the coupling mechanism and rules between the continuous dynamic process and the discrete event, which are closely related and interacted with each other, will be disclosed. Then, a mixed logical dynamical system model will be established based on the hybrid system theory and an effective control system will be designed based on the model predictive control technology. Subsequently, the explicit expressions of the hybrid model predictive control laws will be achieved by means of multi-parametric programming techniques. Finally, the hardware-in-loop simulations and bench tests will be carried out to verify the actual performance of the control system. In a nutshell, for the dual-planetary gear HEV, this research can accurately grasp the hybrid nature of the system. At the same time, it will improve the fuel economy and guarantee the switching quality by the optimal control based on the hybrid system theory. The research will realize efficient energy management and provide the new theoretical basis and technical support for the analysis and design of the energy management system for dual-planetary gear HEV.

双行星排式HEV动力传递过程涉及多个动力源的协调与匹配，其能量管理系统设计成为研究的核心和关键。本项目针对双行星排式HEV能量管理系统存在的混杂动态特征，将问题抽象为一类混杂系统动态建模及其优化控制的科学问题。通过进行双行星排式HEV动力总成系统工作模式提取和齿轮组内部循环功率分析，优化动力耦合装置的结构参数，深入探究系统存在的混杂动力学行为，揭示系统中连续动态过程和离散事件相互影响的耦合机理与特征规律，基于混杂系统理论构建系统混合逻辑动态模型，采用模型预测控制方法进行控制系统的有效综合，结合多参数规划技术实现系统混杂模型预测控制律的显式表达，最后完成控制系统的硬件在环仿真和台架试验。项目旨在准确掌握系统存在的混杂本质，引入混杂系统理论进行优化控制，提高系统燃油经济性，改善系统切换品质，实现能量的高效管理，为双行星排式HEV能量管理系统分析和设计提供新的理论基础和技术支持。

采用离合器和制动器的双行星排式动力耦合机构能够使混合动力汽车具有更丰富的工作模式，从而有效改善车辆经济性和动力性。然而，智能复杂的动力耦合机构对能量管理系统提出了更高的控制要求，急需先进智能的控制策略指导双行星排式混合动力汽车的能量优化分配，以充分发挥其结构优势，尤其是双行星排式 HEV 能量管理系统存在明显的混杂动力学行为，系统连续动态过程和离散事件相互耦合、相互作用，直接影响整个动力系统的工作品质。本项目重点开展了以下研究：. （1）开展了双行星排式动力耦合机构的工作机理研究，进行了动力耦合机构传动效率分析，确定了能够保证较高传动效率的动力系统结构，并对行星排齿轮组的功率循环机理进行了探析，确定了避免产生循环功率的必要条件和工作范围，在此基础上，优化了双行星排混合动力系统的结构参数；..（2）进行了双行星排式混合动力系统的优化控制策略研究，提出了基于传动效率最优的机械点控制策略和基于等效油耗最优的等效燃油消耗最小控制策略；针对行星排式 HEV 能量管理系统的混杂动力学行为特征，基于混杂系统理论进行了能量管理系统的建模研究，包括基于混杂自动机的多模式切换结构模型以及基于混合逻辑动态的混合整数模型，在此基础上基于模型预测控制进行了控制律的优化设计，并通过硬件在环试验验证了混杂控制器的有效性和优越性；..（3）针对双行星排式混合动力系统不同动力源的稳态转矩分配以及模式切换过程存在的转矩波动问题，基于双行星排式混合动力系统发动机与电机转矩的高度耦合特性，提出了发动机转矩实时估计方法，结合电机转矩补偿的思想，建立了系统的动态协调控制策略，保证了纯电动模式与混合驱动模式切换品质。..（4）基于V2I和V2V通信技术，开展了混合动力车辆队列的车速优化控制研究，探索了混合动力车队通过通过多个信号灯路口的节油潜能，通过分层协调控制实现了车队车速的优化，提高了道路通行效率、车辆燃油经济性并保证安全与舒适； ..（5）发表学术论文25篇，其中SCI检索论文14篇，EI检索论文2篇；此外，录用SCI 源期刊论文3 篇，EI 源期刊论文1 篇。申请国家发明专利10件，已授权8件。培养博士2名，硕士8名。3位教师晋升教授，1位教师晋升副教授，培养江苏省“333高层次人才培养工程”资助对象1名，江苏省“六大人才高峰”资助对象2名。