摘要:
增程式电动汽车结合了纯电动汽车与混合动力汽车的优点,能够有效提高纯电动汽车一次充电续驶里程,同时降低车辆对化石燃料的依赖度。因为其先进的动力系统部件混合度配置以及独特的使用特点,所以目前成为新能源汽车领域研究的热点。对增程式电动汽车动...
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增程式电动汽车结合了纯电动汽车与混合动力汽车的优点,能够有效提高纯电动汽车一次充电续驶里程,同时降低车辆对化石燃料的依赖度。因为其先进的动力系统部件混合度配置以及独特的使用特点,所以目前成为新能源汽车领域研究的热点。对增程式电动汽车动力系统开发设计的关键技术进行研究,具有重要的现实意义。 本文研究的主要目的是结合增程式电动汽车的结构特点及使用特点,对增程式电动汽车动力系统部件参数匹配方法及流程进行探索,深入研究键合图理论在增程式电动汽车动力系统建模中的应用,在所建立的动力系统模型基础上设计开发多种面向应用的增程式电动汽车能量管理控制策略,利用离线仿真与硬件在环试验相结合的方法验证评价各能量管理策略的控制效果,最终构建一套完整的增程式电动汽车动力系统设计开发流程及方法,为增程式电动汽车动力系统的设计与开发提供理论支持。 本文主要完成了以下几部分的研究工作: (1)分析了增程式电动汽车的动力系统拓扑结构组成,按照安装方式及发电方式的不同对现有增程器进行了分类,研究比较不同类型增程器的特点。 (2)研究增程式电动汽车动力系统参数匹配设计流程及方法,提出三步骤设计开发流程,即:a.基于汽车动力学理论的参数静态匹配设计;b.基于计算机仿真技术的准动态、动态参数匹配校核;c.基于计算机仿真技术及优化设计理论的参数优化设计。研究增程式电动汽车动力系统主要部件基于汽车动力学理论的参数静态匹配方法,深入探讨电机扩大恒功率区系数对整车动力性能的影响,结合本文科研项目完成某型燃料电池增程式微型电动汽车动力系统参数设计,为后续研究确定了研究对象。基于ADVISOR仿真软件建立该型增程式电动汽车动力系统模型,利用该模型完成动力系统参数准动态仿真校核,对其动力性及续驶里程进行仿真分析。仿真结果验证了所提出的基于汽车动力学理论参数静态匹配设计方法的正确性。 (3)提出用于能量管理控制策略设计的电动汽车动力系统建模共性需求,对几种常见图形化建模方法进行比较与分析。利用键合图理论在复杂多物理领域系统建模仿真方面的优势,构建了所研究燃料电池增程式电动汽车动力系统关键部件模型以及动力系统整体模型,包括动力蓄电池模型、永磁同步电机模型、质子交换膜燃料电池增程器及DC/DC变换器模型、车辆及驾驶员模型等,为后续基于模型的能量管理策略研究奠定了基础。整个建模过程充分体现了键合图建模方法如下突出特点:多物理领域统一建模,图形化建模方式使得模型物理结构清晰,模型修改方便,避免繁琐的数学公式表达,系统状态量观测分析方便。 (4)从燃料电池增程式电动汽车车载能量源能量特性分析出发,制定了多种面向应用的燃料电池增程式电动汽车能量管理控制策略,包括基于规则的恒温器能量管理策略、基于规则的功率跟随能量管理策略、基于模糊逻辑理论的能量管理策略,并创新性的提出基于损失功率最小的瞬时优化能量管理策略、基于工况识别的多模式切换能量管理策略。详细研究各能量管理控制策略的控制思想,在恒温器能量管理策略和模糊逻辑能量管理策略的控制参数设计过程中引入遗传算法优化设计理论进行优化设计。为解决瞬时优化能量管理策略存在的局部最优问题,提出增程器输出功率增益因子,根据车载燃料量对燃料电池输出功率进行动态调整,从而获得逼近全局最优解的燃料经济性结果。采用模型仿真与实车试验相结合的方法,从动力性、经济性、对燃料电池增程器功率输出离散程度的影响、燃料电池增程器功率输出性能衰减情况下策略适应度以及针对增程式电动汽车使用特点的一周典型工况策略经济性五方面对所制定的能量管理策略的控制效果进行评价分析。 (5)为了验证所制定各能量管理策略的实时控制效果,同时完善基于键合图理论进行电动汽车动力系统建模仿真及能量管理控制策略开发的方法论体系,搭建了直接基于键合图模型的控制器硬件在环仿真测试平台,利用该测试平台完成所制定能量管理控制策略的有效性及控制效果验证评价。 (6)通过对以上研究工作的总结与提炼,取得一套完整的增程式电动汽车动力系统开发流程及方法。从分析增程式电动汽车动力系统开发要素入手,将增程式电动汽车动力系统开发的要素分为开发系统、开发流程及开发方法。研究发现增程式电动汽车动力系统开发系统、开发流程以及开发方法均表现出一定的层级性。结合实际燃料电池型增程式电动汽车动力系统开发项目,给出增程式电动汽车动力系统通用开发流程,子系统开发流程以及面向解决具体技术问题的开发流程。将增程式电动汽车动力系统开发过程中的方法分为系统层面的基于模型开发方法,以及解决各个开发环节具体技术问题的方法。研究总结了系统层面的基于模型开发方法在开发过程中的使用特点。以针对动力性、经济性的增程式电动汽车动力系统设计开发为例,总结提炼出开发过程中所涉及的主要技术方法框图,阐述了各方法彼此之间的顺序关系以及相互作用关系。
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