● 摘要
能源危机和环境污染是汽车工业所面临的两大挑战，研发节能、环保的交通工具已关系到国家的可持续发展问题。混合电动汽车融合了传统汽车和纯电动汽车二者的优点，不仅具有低油耗、低排放、续驶里程长等优点，而且驾驶特性和传统汽车没有区别，适合产业化，被认为是当前最有希望替代传统汽车的方案，因此，对混合电动汽车关键技术的研究具有非常重要的现实意义。能量管理与整车控制以及部件匹配与参数优化是混合电动汽车的核心技术，也是混合动力系统集成的关键，是混合电动汽车充分发挥其作用所必须解决的首要问题。本文在全面分析混合电动汽车的特点、研究现状及发展趋势的基础上，以并联混合电动汽车为对象，从系统建模、转矩分配的优化控制、基于模糊规则的能量管理与协调控制、部件匹配与控制器参数同时优化等几个方面进行研究：首先，在Matlab/Simlink环境下建立了混合电动汽车整车的前向仿真模型和主要部件模型。应用该模型在真实的汽车行驶工况下可实现对整车性能离线仿真，该模型为混合电动汽车性能匹配及控制策略开发提供了仿真平台。其次，将特定行驶工况下混合电动汽车以燃油消耗最低为目标的转矩分配问题归纳为切换系统的优化控制问题。应用动态规划方法，分两步求解出转矩分配最优控制策略和最佳换档逻辑，并对其效果进行了仿真。仿真结果表明，该方法所得到的换档逻辑和控制律能显著提高整车的燃油经济性。从理论上讲，该方法能得到精确的最低燃油消耗，因此，可以用其衡量其它控制策略的节能效果。 针对混合动力系统的复杂性和非线性，提出了基于模糊规则的能量管理与动态协调控制策略，该策略以混合电动汽车的工作模式为基础，以整车需求转矩与发动机最优转矩之间的差值、电机转速、电池荷电状态为输入。本文详细设计了该能量管理系统的结构及模糊控制策略。针对模式切换和换档过程的转矩突变，本文还提出了发动机与电机之间的转矩协调控制策略，并对整个控制策略的有效性进行了验证，结果表明，该方法能提高整车的舒适性，其燃油经济性也优于常用的实时控制策略。混合动力系统部件参数及其控制器参数是相互耦合的，同时对整车性能起作用，因此，在整车匹配与控制系统设计过程中要同时对这些参数进行优化，而该优化问题涉及到多个目标函数，是个典型的多目标优化问题。本文基于多目标遗传算法对混合电动汽车的部件匹配及控制器参数进行了同时优化，求解出该问题的Pareto最优解集，并将优化结果与原型车性能进行了比较分析，结果表明，在不牺牲整车动力性的前提下能找到多组方案实现节能和降低排放。