基于庞特里亚金最小值原理的混合动力汽车能量管理策略研究

The fuel economy of hybrid vehicles strongly depends on the energy management strategy. Currently, heuristic-concept-based energy management strategies need expert knowledge to construct control rules, and more importantly, these energy management strategies hardly achieve optimal power distribution results. In addition, Dynamic Programming (DP) can obtain global optimal results theoretically, but it cannot be applied to realistic cases. Being confronted with this situation, Pontryagin's Minimum Principle (PMP)-based energy management strategy is proposed in this project. This energy management strategy not only guarantees optimal power distribution results, but also has the probability of realistic application. There are several key points when applying the PMP-based energy management strategy to hybrid vehicles including selecting control parameters, discussing global optimality, and extending to multi-state variable and multi-optimization. In this project, the PMP-based energy management strategy is applied to hybrid electric vehicles (HEV) and fuel cell hybrid vehicles (FCHV), and the power distribution results of this strategy are compared to those of other strategies. This project also deals with the key points stated above, and the PMP-based strategy is applied to a vehicle controller and its performance is tested by a test bench. This project will make contributions to realization of the PMP-based energy management strategy.

混合动力汽车的燃油经济性在很大程度上依赖于其能量管理策略。目前，基于启发式概念的能量管理策略需根据丰富的经验知识制定控制规则，而且更重要的是这种策略很难达到混合动力汽车能量最优化的目标。另外，基于动态规划算法的策略虽能在理论上保证全局优化的结果，但具有不能应用于实际的缺点。面对这种现状，本项目提出一种基于庞特里亚金最小值原理的混合动力汽车能量管理策略。这种策略既能保证能量管理的最优化，又具有实用性。在庞特里亚金最小值原理的应用中有几个关键问题，如控制参数的选定、全局优化的讨论、向多状态变量多控制目标的扩充等。本项目将这一能量管理策略分别应用于混合动力电动汽车（油电混合）和燃料电池混合动力汽车，而且将这一能量管理策略的结果与其他策略的进行比较；对上述几个关键问题进行研究；将这一能量管理策略应用于整车控制器进行整车测试。本项目的研究将为基于庞特里亚金最小值原理的能量管理策略的实现奠定基础。

混合动力汽车的燃油经济性在很大程度上依赖于其能量管理策略。目前，基于启发式概念的能量管理策略需根据丰富的经验知识制定控制规则，而且更重要的是这种策略很难达到混合动力汽车能量最优化的目标。另外，基于动态规划算法的策略虽能在理论上保证全局优化的结果，但具有不能应用于实际的缺点。面对这种现状，本项目提出一种基于庞特里亚金最小值原理的混合动力汽车能量管理策略。这种策略既能保证能量管理的最优化，又具有实用性。在庞特里亚金最小值原理的应用中有几个关键问题尚未解决，如控制参数的选定、全局优化的讨论、向多状态变量多控制目标的扩充等。.本项目将基于庞特里亚金最小值原理的能量管理策略分别应用于燃料电池混合动力汽车和混合动力电动汽车，并将这一能量管理策略与其他策略进行了比较。本项目还分别对上述两种应用情况分析了控制参数对最优解的影响，并针对确定工况和不确定工况的情况分别讨论了控制参数的决定方案，同时，还针对不确定工况提出了一种控制参数初始值的决定和在线更新方法。本项目还在燃料电池混合动力汽车中，将电池的温度指定为第二个状态变量，并针对两个状态变量的情况，比较了庞特里亚金最小值原理和动态规划算法的能量管理结果，同时讨论了此时基于庞特里亚金最小值原理的能量管理策略的最优性。本项目还在将庞特里亚金最小值原理应用于燃料电池混合动力汽车时，通过设置第二个控制目标的方式，解决了限制电池SOC使用范围的问题和延长燃料电池组使用寿命的问题，并在后者中评价了所提出方案的经济效应。本项目还针对庞特里亚金最小值原理的实际应用，提出了在整车控制器中查数据表的方法。.研究结果显示，基于庞特里亚金最小值原理的能量管理策略在能量管理结果和计算时间方面都优越于其他策略；通过所提出的控制参数初始值的确定和在线更新方法，可以获取与离线计算结果相当的能量管理结果；对于电池温度为第二个状态变量的系统，在电池的某些假设成立的情况下，庞特里亚金最小值原理可保障获取全局最优解，这能比动态规划算法节省很多计算时间；所提出的基于庞特里亚金最小值原理的能量管理策略，通过设定两个控制目标，可有效解决限制电池SOC使用范围的问题和延长燃料电池组使用寿命的问题，且后者中，燃料电池组使用寿命和能耗之间存在一种权衡关系，但即便如此，所提出方案的正面经济效应被证实。.本项目的研究将为基于庞特里亚金最小值原理的混合动力汽车能量管理策略的实现奠定基础。