增程式电动汽车控制策略的仿真研究.docx

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1、 单位代码： 10359 密级： 公开 学 号： 2014110227 分类号： U469. 72 Hefei University of Technology 硕士学位论文 MASTER， S DISSERTATION 论文题目： 增程式电动汽车控制策略的仿真研究 学位类别： _ 学历硕士 _ 专业名称： 动力机械及工程 _ 作者姓名： _ 麵 _ 导师姓名： 滕 勤 副 教 授 陈 汉 玉 讲 师 完成时间： _ 2017年 4月 _ 合 肥 工 业 大 学 学历硕士学位论文 增程式电动汽车控制策略的仿真研宄 陈 汉 玉 讲 师 专业名称： 动力机械及工程 研宄方向： 内燃机新能源及应用

2、2017年 4月 A Dissertation Submitted for the Degree of Master Simulation Study on Control Strategy of E作者姓名 : 沈海 指导教师 : 滕 勤 副 教 授 xtended-Range Electric Vehicle By Shen Hai Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China April, 2017答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名 ) 合 肥 工 业 大 学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学学历硕士

3、学位论文质量要求。 签名曰期：於 n年 +月 q曰 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得 合肥工业大学 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体，本 人已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学 位 论 文 作 者 签 名 ： 签 名 日 期 ： 2 丨了年 f月 21日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大

4、学 有关保留、使用学位论文的规定， 即：除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可 以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 致谢 本课题的研宄及相关内容的论文撰写工作是在我的导师陈汉玉博士后的精心 指导下完成的，陈汉玉博士后对我在学习及工作上的指导和督促，给我在研究生 阶段的课题研宄和论文写作带来了很大帮助。故在此需要感谢陈汉玉博士后一年 多以来对我的敦敦教诲和耐心指导。 导师工作调离后，滕

5、勤副教授担任了我在研二、研三的指导老师，滕老师深 厚的电控知识和丰富的项目开发经验，让我在课题研宄方面少走了很多弯路，课 题组两周一次的总结汇报也让我学习到了许多新知识，拓宽了自己的眼界。滕老 师对工作认真负责的态度，对学术严于求证的作风，让我难忘终生，感谢滕勤老 师两年以来的在课题研宄和论文写作给出的指导和建议。感谢孙军老师在研究生 阶段提供的良好学习环境。 感谢温吉辉、许枫、徐东等师兄在研究生阶段给予的鼓励和建议，感谢张正、 彭杨铭、姚登举、罗琳、周小龙、赵军伟、马志振、徐志豪、刘成、李宏超、邱 松林、杨茜、吴若楠等同届好友，感谢朱少宇、郝飞飞等师弟在 生活给予的热情 帮助。 多年求学之路

6、离不开家人的默默奉献，感谢父母的养育之恩和长期以来的支 持关心，你们殷切的希望是我努力学习和进步的动力源泉。 感谢评阅本论文的老师、专家们！ 作者：沈海 2017年 3月 20日 近年来汽车工业的快速发展，全球环境污染和能源危机日益严重，新能源车 取代传统燃油车已经成为一个不可逆转的必然趋势。在众多新能源车型中最适合 发展的是纯电动车，但由于纯电动车难以在短时间内大幅度提高续航里程，无法 满足人们日常使用需要。增程式电动汽车除了具备纯电动车的优点外，还能弥补 其续航里程不足的缺点，是从传统汽车向纯电动车过渡的最合理车型。在行驶中 合理的能量管理控制策略不仅能够减少污染排放，还能增加续航里程，对

7、推动增 程式电动汽车的市场化进程具有重要意义。 本文以安徽省自然科学基金资助的 “ 计入 C02排放的 E-REV增程型电动汽 车能耗评估及优化研宄 ” 项目为背景，米用 Cruise和 Matlab/Simulink软件联合仿 真方法，围绕动力系 统参数匹配、车辆仿真建模和能量管理控制策略展开研宄， 主要内容如下： 结合实际增程式电动汽车产品，提出动力系统设计的整车参数和性能指标要 求。综合可备选部件的优劣条件，对动力系统的关键部件进行合理选型，并进行 动力部件关键参数的匹配计算，为后续控制策略制定和车辆模型仿真验证提供依 据。 针对增程式电动汽车行驶模式和各部件工作情况的分析，设计了驱动电

8、机、 增程器发动机和动力电池的控制，针对增程器中的发动机转速切换控制，设计了 二阶滑模控制器。 基于 Crmse软件根据电机、动力电池和发动机的特性数据，搭建了车辆 正向 仿真模型，米用 Matlab/Simulink软件搭建了控制模型，并利用 Cruise软件 Matlab-DLL模块完成车辆模型和控制模型集成。进行了爬坡性能、稳态行驶性能、 90km/h的定速巡航工况、全负荷加速过程和 NEDC循环工况的仿真，结果表明， 车辆能够达到预定的动力性和经济性要求。通过多转速控制策略、恒功率策略和 不同电量初值的仿真，验证控制策略有效性。 为了进一步提高车辆经济性能，利用 Isight软件以车辆

9、百公里油耗量和增程 模式下车辆纯发电量为目标函数，对策略中发动机工作转速多目标优化，并对参 数优化前后的计算结果进行了对比。 关键词：增程式电动汽车；参数匹配；控制策略；多目标优化 ABSTRACT In recent years, with the rapid development of the automobile industry the global environmental pollution and energy crisis is increasingly serious. Developing new energy vehicles to replace tradition

10、al fuel vehicles has been an irreversible inevitable trend. Among many new-energy vehicles electric vehicle is the most promising model. But it is difficult to significantly improve the mileage of electric vehicle in a short time, peoples transportation need can not be met. However,the shortcoming o

11、f short mileage can be overcome in extended-range electric vehicle. In the meanwhile extended-range electric vehicle has the advantages of electric vehicle. Extended-range electric vehicle is considered to be the most reasonable transition from traditional vehicle to electric vehicle. There is great

12、 significance to research energy management control strategy for promoting the market process of extended-range electric vehicle.With reasonable energy management control strategy the emission can be reduced and the mileage can be increased This paper was based on the project of energy consumption e

13、valuation and optimization study of E-REV considering C 2 emission, which was funded by Provincial Natural Science. With co-simulation of Cruise and Matlab/Simulink, the research on parameter matching of powertrain, system modeling and energy management control strategy was carried out. The main con

14、tents were summarized as following: Combining with actual products of extended-range electric vehicle, the parameters and performance requirements of the dynamic system were put forward. After the comparison of the advantages and disadvantages among optional products, the main components of the dyna

15、mic system were selected. Then key parameters of these components were matched via theoretical calculation, which provide the basis for the formulation of control strategy and simulation of vehicle model. Based on the driving mode of extended-range electric vehicle, the control of main component was

16、 analyzed. Control strategy for drive motor, engine and power battery was designed. A second-order sliding mode controller was designed for switching control of the engine speed in the extender. In Cruise a forward simulation model of vehicle was built by entering characteristic parameters of motor,

17、 power battery and engine. The control mode was built in Matlab/Simulink. The vehicle model and the control model were integrated by using the Matlab-DLL module in Cruise. Then climbing performance calculation, constant drive calculation, full load acceleration calculation and cycle run calculation

18、under cruise conditions and NEDC conditions were simulated. The results showed that the vehicle can meet the designed dynamic requirements and economic requirements. To verify the effectiveness of the designed control strategy,the simulation with multi-point control strategy, constant power strategy

19、 and different initial value of SOC were carried out In order to further improve the economic performance of the vehicle, the Isight software was used to optimize the engine speed. 100 km fuel consumption and pure power generation in extended-range mode were set as optimization function. Finally,the

20、 simulation results before and after the parameters optimization were compared. Key Words: Extended-range electric vehicle, parameters matching, control strategy, multi-objective optimization第 1章绪论 . 1 1.1增程式电动汽车研宄背景 . 1 1.2增程式电动汽车发展现状 . 3 1.3增程式电动汽车的关键技术 . 6 1.4动力部件参数匹配现状 . 7 1.5控制策略研宄现状 . 7 1.6课题来

21、源及本文研宄内容 . 9 第 2章部件选型及动力系统匹配 . 10 2.1整车动力系统结构 . 10 2.2评价的性能指标 . 10 2.3主要部件的选型及匹配 . 11 2.3.1驱动电机选型 . 11 2.3.2驱动电机的参数匹配 . 12 2.3.3动力电池的选型 . 16 2.3.4动力电池的参数匹配 . 17 2.3.5增程器发动机选型 . 19 2.3.6增程器的参数匹配 . 20 2.4动力部件匹配结果汇总 . 20 2.5本章小结 . 21 第 3章控制策略设计 . 22 3.1增程式电动汽车行驶模式分析 . 22 3.2控制策略设计原则 . 23 3.3驱动控制设计 . 25

22、 3.4制动控制设计 . 26 3.5动力电池控制设计 . 28 3.6增程器控制设计 . 29 3.6.1工作转速的选取 . 30 3.6.2转速切换的控制方法 . 31 3.7本章小结 . 34 第 4章仿真模型搭建和模拟分析 . 36 4.1 Cruise软件介绍 . 37 4.2基于 Cruise的增程式电动汽车整车模型 . 38 4.2.1驱动电机模块 . 38 4.2.2动力电池模块 . 40 4.2.3发动机模块 . 41 4.2.4发电机模块 . 42 4.3基于 MATLAB/Simulink的控制策略模型 . 43 4.3.1驱动控制模型 . 44 4.3.2增程器控制模型

23、 . 45 4.3.3车辆模型与控制策略模型的联合 . 46 4.4联合仿真及结果分析 . 46 4.4.1动力性分析 . 46 4.4.2经济性分析 . 48 4.4.3对比分析 . 51 4.5控制参数的优化 . 53 4.5.1选取优化的变量 . 53 4.5.2设定目标函数与约束条件 . 53 4.6本章小结 . 55 第 5章全文总结与工作展望 . 56 5.1全文总结 . 56 5.2论文创新点 . 57 5.3工作展望 . 57 参考文献 . 58 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 . 61插图清单 图 1.1国外增程式电动汽车产品 . 4 图 1.2国内增程式电动汽车产品

24、. 5 图 2.1增程式电动汽车动力系统结构 . 10 图 2.2驱动电机转矩（功率 ） -转速特性 . 12 图 2.3动力电池最大放电倍率 -容量曲线 . 18 图 3.1车辆行驶模式 . 22 图 3.2整车控制流程图 . 24 图 3.3加速踏板信号和需求转矩的关系 . 25 图 3.4驱动控制流程图 . 25 图 3.5制动控制流程图 . 27 图 3.6动力电池控制流程 . 28 图 3.7增程器控制逻辑 . 30 图 3.8发动机万有特性图 . 30 图 3.9发动机多转速控制流程 . 31 图 3.10发动机转速控制框图 . 34 图 4.1逆向仿真流程 . 36 图 4.2正

25、向仿真流程 . 37 图 4.3整车仿真模型 . 38 图 4.4电机模块基本参数 . 39 图 4.5驱动电机转速 -扭矩特性 . 39 图 4.6驱动电机效率 . 40 图 4.7驱动电机效率三维图 . 40 图 4.8动力电池模块基本参数 . 41 图 4.9发动机全负荷特性 . 41 图 4.10发动机模块基本参数 . 42 图 4.11发动机万有特性 . 42 图 4.12发电机模块基本参数 . 43 图 4.13控制策略顶层模型 . 43 图 4.14驱动控制 . 44 图 4.15增程器控制 . 45 图 4.16发动机转速二阶滑模控制 . 45 图 4.17最大爬坡能力曲线 .

26、 46 图 4.18最高车速计算结果 . 47 图 4.19全负荷加速计算结果 . 47 图 4.20 NEDC循环工况信息 . 48 图 4.21 NEDC工况计算结果 . 49 图 4.22巡航工况计算结果 . 49 图 4.23多转速控制策略仿真的电池 SOC变化曲线 . 50 图 4.24 个 NEDC工况下的仿真结果 . 50 图 4.25恒功率策略仿真的电池 SOC变化曲线 . 51 图 4.26不同电量初值的电池 SOC变化曲线 . 51 图 4.27车辆需求功率曲线 . 52 图 4.28发动机实际输出功率曲线 . 52表格清单 表 2.1整车性能指标 . 10 表 2.2车型

27、参数 . 11 表 2.3各类电机性能比较 . 11 表 2.4驱动电机参数 . 15 表 2.5常用电池综合性能比较 . 16 表 2.6动力电池基本参数 . 19 表 2.7可用于增程器的发动机特性对比 . 19 表 2.8动力系统匹配结果汇总 . 21 表 3.1发动机转速和车速关系对应表 . 31 表 4.1动力性能仿真结果 . 48 表 4.2优化参数的边界约束 . 54 表 4.3 NSGA-II算法的最优解集 . 54 表 4.4优化前后结果对比 . 54 第 1章绪论 1.1增程式电动汽车研究背景 在中国、美国、德国等主要工业国家，汽车工业是国民经济中的支柱产业， 是当代工业中

28、的重要组成部分，汽车产业的发展对石油、钢铁、冶金、机械、电 子、化工等工业的发展有重大推动作用，能够推动国家经济、社会和科技的进步。 汽车行业自19世纪以来，到现在有了一百多年的发展历史，现在汽车已经发展 成为我们日常生活中必不可少的现代化交通工具，汽车技术的不断进步，给我们 曰常生活带来诸多便利。在享受汽车带来便利的同时，汽车使用也给我们的环境 和能源消耗带来了潜在的困扰。近年来汽车的数量急剧增多，石油资源消耗以及 汽车尾气的排放大量增加，对节能减排和环境保护提出了严峻挑战。当今世界用 于交通的石油资源消耗是造成当地环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。 在我 国，近年来随着汽车保有量的

29、增加，汽车尾气排放和 C02的排放成为影响城 市大气质量最主要的污染源之一，自 2012年以来我国部分省份长时间出现雾霾， 空气质量达到严重污染的程度，对人们的生活质量造成严重影响。随着空气污染 日益严重及石油短缺危机更加明显，利用新能源汽车替代传统汽油机及柴油机车 辆已经成为摆在人们面前的问题，我国作为世界人口第一大国，顺应时代潮流也 加入到推行发展新能源汽车的行列中 1。 在新能源汽车出现后，我国非常重视新能源汽车的研宄与开发，我国的新能 源汽车发展历史可以追溯到上个世纪九十年代，新能源的汽车技术进步跟随国家 “ 五年计划 ” 一步步在前进，到现在新能源的发展历史总体可以分为四个阶段。 第

30、一阶段即我国开始研宄与开发新能源汽车阶段，时间为 1991年到 2000年。在 第一阶段的前五年 （ “ 八五 ” 期间），以我国将 “ 电动汽车关键技术研宄 ” 定为 国家科技重大攻关项目为标志，我国开始了研宄与开发新能源汽车，在 1996年 到 2000年期间 （ “ 九五 ” 期间），我国将电动汽车定为重大产业工程项目，在 国内示范区域开始推行电动车，积极向消费者推广新能源汽车 2。第二阶 段为新能 源汽车的研宄与发展布局阶段，时间为 2001年到 2005年。在 “ 十五期间 ” 我国 在 “ 国家 863计划 ” 专门制定了新能源汽车的专项，专项中提到的新能源车包含 混合动力汽车在内

31、，以此为标志新能源车被定为未来发展的前沿技术，科技部组 织国内多家高校、科研机构和企业进行联合攻关，确立了 “ 三纵三横 ” 的研发格 局 3，即以混合动力汽车 （ HEV)、纯电动汽车 （ BEV)和燃料电池汽车 （ FCEV) 为 “ 三纵 ” ，以动力控制系统、驱动控制系统和电池及其控制系统为 “ 三横 ” ， 新能源汽车的发展被国家大力支持和鼓励并被定为受支 持产业类别。第三阶段为 新能汽车开始走向产业化的阶段，时间为 2006-2010年。在 一五 ” 期间，国 家 863计划 “ 节能与新能源汽车重大专项 ” 确立，新能源汽车零部件和整车制造 在国内开始实现产业化，新能源汽车从前沿技术转化为产品，这一阶段，新能源 汽车的发展方向主要受国