混合动力系统动态特性与电池组热效应耦合作用机理研究及其协同优化

This project takes the plug-in/range-extender hybrid electric systems, which composed of engine, motor, battery/super-capacitor, as the research objects. Based on the dynamic characteristics and temperature behaviors of the components, through the explorations of two scientific issues, which are: 1) Multi-domain/stage dynamic modeling and model reduction of hybrid system based on energy analysis. 2) Multi-order dynamic coupling simulation and multi objectives collaborative optimization. The energy flow mechanism and the dissipation rule, theory and method of dynamic modeling for multi energy domains, the real-time optimization and control of energy management, and the optimization design method of product will be studied. The key problems in the system, such as the coupling mechanism between the dynamic characteristics of the key components and the thermal effects of the battery, and the method of collaborative optimization will be highlighted, by comparing the theory and practice of typical hybrid electric system’s application, the restriction of interdisciplinary cross phase dynamic coupling simulation and collaborative optimization theory and implementation method will be surmounted, the contradiction between the prediction accuracy of performance and the occupancy of computing resources will be balanced, and the design and development ability of the hybrid electric system, which is composed of configuration optimization, dynamic coordination control and real-time energy management, can be realized finally. The results can be applied to the engineering practice of different types and configurations of hybrid electric vehicle products and key components performance development.

项目以发动机、电动机、电池/超级电容等构成的插电/増程式混合动力系统为研究对象，以部件动态运行特性及其温度表现形式为依据，通过对1）基于能量分析的混合动力系统多能域、多阶段动态建模与模型降阶2）多阶动态耦合仿真与多目标协同优化两大科学问题的深入探索，开展能量流动机理及耗散规律、多能域动态建模理论与方法、能量管理实时优化与控制、产品方案优化设计方法等方面的研究，重点揭示系统中关键部件动态特性与电池组热效应表现形式之间的耦合作用机理及协同优化设计方法等关键突出问题，并通过典型混合动力系统应用过程中理论与实践的对比验证，从而突破学科交叉型多阶段动态耦合仿真与协同优化理论和实现方法的束缚，平衡性能预测精度和计算资源占用之间的矛盾关系，最终实现集构型优选、动态协调控制以及能量实时综合管理于一体的混合动力系统正向设计开发能力，并使成果适用于不同种类和构型混合动力汽车产品以及关键部件性能开发等工程实践。

混合动力系统中关键部件的动态特性与电池组热效应存在相互制约、又相互影响的强耦合特性，需要针对混合动力系统开发过程中所涉及的机-电-液-热等相关问题，运用多学科建模手段，并根据系统运行特点，进行多阶段耦合仿真，并进行系统及部件的协同优化设计。针对现有混合动力系统在多能域建模及优化设计方面所存在的1）仿真模型基本属于单层次稳态仿真模型，缺少结合动态模型的多层次结构化仿真模型；2）能量流建模以验证控制策略为目标，缺乏包括不确定因素等方面在内的多目标多学科稳健优化方法的深入探讨；3）缺乏有效的多目标多学科协同优化方法及理论等不足，项目以发动机、电动机、电池/超级电容等构成的插电/増程式混合动力系统为研究对象，以部件动态运行特性及其温度表现形式为依据，通过对1）基于能量分析的混合动力系统多能域、多阶段动态建模与模型降阶2）多阶动态耦合仿真与多目标协同优化两大科学问题的深入探索，深入开展了能量流动机理及耗散规律、多能域动态建模理论与方法、能量管理实时优化与控制、产品方案优化设计方法等方面的研究，重点揭示了系统中关键部件动态特性与电池组热效应表现形式之间的耦合作用机理及协同优化设计方法等关键突出问题，并结合典型混合动力系统应用过程中理论与实践的对比验证，在系统构型优选、实时优化控制以及部件性能开发等方面做出了较为突出的贡献，探索出了一条既能使模型精度得到提高，又能够缩短设计周期，并可靠地预测系统性能响应的技术方法，使之适用于不同种类和构型混合动力系统搭建以及关键部件性能开发等工程实践。从而突破了学科交叉型多阶段动态耦合仿真与协同优化理论和实现方法的束缚，平衡了性能预测精度和计算资源占用之间的矛盾关系，最终实现了集构型优选、动态协调控制以及能量实时综合管理于一体的混合动力系统正向设计开发能力，并使成果适用于不同种类和构型混合动力汽车产品以及关键部件性能开发等工程实践。