基于切换系统理论的混合动力汽车能量管理策略

随着全球气候变暖和能源匮缺问题的日益突出，开发低排放、低油耗的新型清洁能源汽车（如纯电动、混合动力和燃料电池汽车）成为当今汽车工业发展的首要任务。项目以混合动力汽车为研究背景，针对连续和离散并存且交互的混杂系统科学问题，将切换系统理论和混合动力汽车有机结合，系统深入地研究混合动力汽车的核心技术- - 能量管理策略的建模、控制和优化。从混合动力汽车能量管理策略层面体现出的多模型切换动态特征视角，建立多能源工作模式下的切换系统模型及相应的切换规则，优化多能源之间的能量分配规律，提出一种更适合复杂系统控制的能量管理策略。设计桑塔纳2000改装后混合动力汽车控制系统仿真测试平台，分别对蓄电池驱动、发动机驱动、蓄电池和发动机混合驱动、能量回馈制动工作模式的能量管理策略进行试验，验证所设计的多模型切换控制器和切换规则的可行性和有效性。这为混合动力汽车能量管理策略及其控制器的研发提供新的方法和手段。

针对连续和离散切换奇异系统，提出了渐近稳定和指数稳定的概念，得到了系统在任意切换和切换规则作用下以线性矩阵不等式表述的渐近稳定和指数稳定条件，从而揭示了切换奇异系统可稳定的本质。同时还讨论了具有参数不确定性和状态时滞的不确定切换奇异系统鲁棒H∞控制问题，得到了使不确定切换奇异系统具有鲁棒H∞干扰抑制状态反馈和动态输出反馈可切换镇定的线性矩阵不等式和切换规则求解方法，并推广到一类特殊的切换非线性系统中，避免了对非线性切换系统中每个子系统的正则性假设。. 针对并联式混合动力汽车，提出了在多能源工作模式下的系统模型，设计了能量管理模糊控制器，仿真结果表明所设计控制方法提高了燃油经济性和系统整体效率，降低了尾气排放。. 以此为基础，提出了一种ISG高度混合动力汽车（ISG-FHEV）驱动系统结构，得到了各部件数学模型。通过自动切换4个离合器的闭合与分离的组合，实现了ISG-FHEV中发动机单独驱动、行车充电、发动机与电机混合驱动、纯电动和能量回馈制动五种驱动模式，解决了ISG-FHEV能量管理中连续信号与离散信号控制量的分配和协调难题。对发动机分别设计了使其高效运行的基于转矩平衡的切换控制算法、基于发动机Opt曲线控制策略和模糊控制策略；对电机驱动系统提出了使系统效率最大的ISG电机和主电机单独和联合驱动切换控制策略；对电池组设计了延长电池使用寿命的充放电能量管理算法。仿真结果表明，ISG-FHEV所提出控制方法与并联式混合动力汽车相比，在EUDC路况，百公里耗油量减少9.77%，发动机效率提高了9.2%、电机总效率提高了11.5%。. 最后，搭建并设计了混合动力汽车控制系统仿真测试平台，分别对五种驱动模式下多种能量管理策略进行动力性、经济性和排放性测试，验证设计方法的可行性和有效性，为混合动力汽车能量管理策略及其控制器的研发提供了新的方法和手段。