电驱动车辆混合功率单元非线性建模和优化控制技术研究

车载发电系统作为面向电驱动平台汽车的重要组成部分，系统稳态和高效工作一直是研究的热点。本课题以辅助功率单元和动力电池所构成的混合功率单元为基础，围绕混合功率单元非线性系统建模和优化控制两个关键科学问题，采用理论分析、数值仿真、台架实验等方法开展研究工作。首先，通过理论分析和数值仿真寻求面向控制的原动机高效率工作区、发电机效率、电池容量、电压和功率需求之间的映射关系，进而建立柴油发动机、永磁同步发电机、整流器和动力电池构成的功率单元的非线性模型。其次，在所建模型基础上发展一种基于鲁棒控制理论的稳态和动态优化算法，使系统在满足稳态工作系统具有较高效率和燃油经济性的同时，获得良好的功率单元输出电压、电流及发动机转速的动态特性。最后，通过实验验证算法的有效性。研究结果将丰富非线性建模及现代控制理论在新能源动力系统中的应用，同时有望为我国面向电驱动平台汽车匹配和控制技术的进一步提升打下一定基础。

本项目以发动机、发电机、变流器和动力电池所构成的混合功率单元作为研究对象，围绕混合功率单元的非线性建模、控制以及带有混合功率单元的电驱动平台汽车能量管理策略优化几个问题开展了研究。通过实验台架测试找到了发动机工作区、发电机效率、电池电压和功率需求之间的映射关系，利用平均值建模的方法对发动机进行了建模，利用等效电路模型对动力电池进行了建模。在所建模型的基础上，研究了一种基于前馈补偿的混合功率单元控制算法，并完成了控制算法的仿真和台架实验。提出一种针对电驱动平台汽车的能量流图分析方法，并对带有混合功率单元的电驱动平台汽车进行了能量管理策略的全局优化，完成了仿真分析。.研究结果表明：所建立的模型能够真实反映混合功率单元各部件的工作关系，在所建模型基础上进行的基于前馈补偿控制算法，获得了良好的混合功率单元输出电压、电流及发动机转速的动态特性。针对带有混合功率单元的增程式电动客车，在中国典型城市道路工况运行条件下，提出了基于单工况的DP优化能量管理策略，与传统DP全局优化能量管理策略相比，动力系统能效低0.15%。能耗高出0.47%，但计算时间较传统DP全局优化减少了96.85%。研究结果实现了动力系统的燃油经济性和系统效率的改善，同时大大缩短了计算时间。本项目的研究结果为进一步研究混合功率单元的匹配和控制提供了有效经验，同时发展了全局优化在动力系统能量管理策略优化中的应用，分析结果进一步揭示了能量管理策略优化对动力系统能效及燃油经济性提高的潜力。