增程式电动汽车驱动系统参数优化匹配与控制策略研究_徐承付.docx

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1、 单位代码： 10359 _ 密级 : _ 学 号： 201111050246 分类号： U469.72 Hefei University of Technology 硕士学位论文 MASTERS DISSERTATION 论文题目： 增程式电动汽车驱动系统参数优化 匹配与控制策略研究 学位类别： _ 学历硕士 _ 专业名称： _ 车辆工稈 _ 作者姓名： _ 徐承付 _ 导师姓名： _ 赵韩 教授 _ 完成时间： _ 2014年 4月 _ 合肥工 业大学 学历硕士学位论文 增程式电动汽车驱动系统参数优化匹配 与控制策略研究 作者姓名 _ 徐承付 指导教师 赵韩教授 学科专业 _ 车辆工稈 研

2、究方向 _ 电动汽车技术 2014年 04月 II A Dissertation Submitted for the Degree of Master Study on Parameter Matching and Optimization of Driving System and Control Strategy for Range-extended Electric Vehicles By Xu Cheng Fu Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China April, 2014 HI 合 肥 工 业 大 学 本论文经答辩

3、委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名 ） IV 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研宂工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体，本 人己在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学位论文作者签名： 签名日期： 岬 年 牛 月 乂 曰 本学位论文作者完伞了

4、解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定， 即：除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的 复 印 件 和 电 子 光 盘 ， 允 许 论 文 被 查 阅 或 借 阅 。 本 人 授 权 可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论 文版权使用授权书 论文作者毕业去向 工作单位 : 联系电话 : 通讯地址 : 邮政编码 : V 致谢 本文的研究工作是在导师赵韩教授的悉心指导下进行并完成的。赵老师 渊博的学识、严谨的治学、宽广的胸怀以及独特的个人魅力

5、给我留下了深刻 印象，他的言传身教将使我终身受益。在此衷心感谢赵老师多年来的关怀与 教诲！ 感谢尹安东、孙骏、江昊、祝安定、张冰战、吴迪等老师多年来在学习 与生活中对我无私的指导与帮助。 感谢师兄叶先军博士、吴迪博士、李维汉博士、李领领硕士、尉进硕士、 李春林硕士、杨峰硕士、宫闪闪硕士、王欢硕士，师姐杨亚娟博士、姜建满 博士、谌文文硕士；感谢周云鹏、赵晓敏、刘拂晓、周斌、龚来智、宣亮、 徐俊波、程斌等同窗好友；感谢李季、张宇、董欣阳等师弟在我的论文完成 期 间所给予的帮助。 感谢奇瑞新能源汽车有限公司方运舟博士、彭庆峰博士、崔俊博硕士以 及王若飞经理在我实习期间给予的支持与照顾。 三年的研究生

6、光阴转瞬即逝，回首在合肥工业大学的这七年里，我学会 了很多、也成长了很多，当然未来需要我努力进步的还有更多；我会牢记在 母校收获的点点滴滴，秉承 “ 厚德、笃学、崇实、尚新 ” 的校训，踏实前行。 更要感谢我的父母，生养之恩难以为报；在我失意茫然的时候始终能有 依靠，使我能全身心地投入到学习与生活中。最后，再次向所有一直在帮助 和支持我的家人、老师、同学和朋友们表示深深地感谢，真诚地祝福各位身 体健康、工作顺利！ 徐承付 2014年 4月 19日 VI 摘要 在全球能源短缺、环境恶化以及气候异常的背景下，一方面人类借助车 辆实现机动性的趋势未减，行驶在道路上的汽车越来越多；另一方面人类必 须探

7、索和研发新型驱动系统，使其与传统驱动系统相比更具有经济、环保和 可持续开发的价值；再者，随着排放法规的日益严格，节能环保已成为当前 汽车工业发展的主题；新能源汽车由于在上述方面具有不可比拟的开发价值， 从而受到广泛关注；其中最理想的类型为纯电动汽车，但是由于蓄电池技术、 充电配套设施、整车性价比等方面的限制，短时间内替代的增程式电动汽车 的开发成为研究热点。 结合国内外增程式电动汽车的发展现状，本文提出了一种该型电动汽车 驱动系统设计方案，针对选定的动力传动系统，对该型电动汽车所用的发动 机、发电机、驱动电机、储能元件和传动系统进行了选型和参数匹配。在此 基础上，对整车运行的基本工作模式、能量

8、流以及控制策略进行分析，并基 于 Matlab/snnulmk环境建立了整车前向仿真平台，各主要部件模块包括増程 器 、驱动电机、动力蓄电池、主减速器等；接着选用 CRUISE软件作为仿真 验证平台，对整车上述部件进行建模，并集成控制策略进行联合仿真。仿真 结果对比表明，本文开发的増程式电动汽车前向仿真平台具有一定的精度， 整车驱动系统设计方案理论上是正确的；整车的动力性以及经济性指标均满 足设计要求，验证了参数匹配设计的合理性。 为了充分实现节能降耗，本文最后对整车驱动控制系统主要参数进行多 目标优化处理。通过选取恰当的目标函数、建立正确的约束条件以及确定合 适的优化算法，基于 Matlab

9、与 Isight联合建立集成优化系统。优化结果表明， 在满足既定动力性能指标的前提下实现了整车经济性能的提高，从而说明本 文所采用的优化设计方法是有效的、集成优化系统设计方案是合理的。 关 键 词 ： 増 程 式 电 动 汽 车 参 数 匹 配 仿 真 优 化 VII ABSTRACT Under the background of global energy shortage, environmental deterioration and abnormal climate, on one hand, tendency of people to drive is no less, more

10、and more vehicles appear on the road; on the other hand, human beings must explore and research new driving systems, which are more economic, better in environmental protection and more valuable to realize sustainable development compared with the traditional power system; moreover, with the increas

11、ingly stringent emission regulations, energy conservation and environmental protection has been the subject of current automotive industry development; research of new energy vehicles has been widely focused due to the incomparable development value in the above aspects; the most ideal type of new e

12、nergy vehicles is pure electric vehicles, which have the limitation of battery technology, charging supporting facilities, of cost performance, etc. As instead, range-extended electric vehicles(reevs) have become research hotspot in a short period. By analyzing the research status of reevs at home a

13、nd abroad, this paper proposes a driving system design scheme; then finish jobs of selection and parameter matching for the major parts, such as engine, generator, drive motor, energy storage device and transmission system according to the selected power system. On this basis, the basic working mode

14、, energy flow and control strategy are analyzed, and the forward simulation platform is built based on Matlab/simulink environment, the main components contain range-extender, drive motor, power battery, final drive and so on; Then CRUISE software is chosen as the simulation validation platform, and

15、 build models of the main parts similarly, which is integrated with control strategy for joint simulation. Compared simulation results, the established forward simulation platform of reevs has a certain accuoptimization design method is effective and the design scheme of integrated optimization syst

16、em is reasonable. Key words: range-extended electric vehicle parametermatching simulation optimization IX 目录 擁鮮 . XII 織靜 . XIV m-m . 1 i.i增程式电动汽车概述 . 1 i.i.i新能源汽车国家政策 . . 1 1.1.2増程式电动汽车发展背景 . . 1 1.2增程式电动汽车国内外研究现状 . 2 1.2.1国外研究进展 . . 2 1.2.2国内研究进展 . . 4 1.3增程式电动汽车驱动系统参数优化匹配现状 . 6 1.4增程式电动汽车控制策略研究现状

17、. 7 1.4.1基于规则的逻辑门限控制策略 . 7 1.4.2全局最优控制策略 . . 8 1.4.3智能控制策略 . . 8 1.5课题来源及本文主要内容 . 9 第二章整车驱动系统主要部件选型与参数匹配设计 . 10 2.1整车驱动系统结构设计 . 10 2.2整车性能指标 . 10 2.3整车驱动系统主要部件选型 . 11 2.3.1驱动电机选择 . . 11 2.3.2动力蓄电池选择 . . 12 2.3.3增程器选择 . . 13 2.4整车驱动系统主要部件参数匹配设计 . 13 2.4.1驱动电机参数匹配设计 . . 13 2.4.2传动系速比匹配设计 . . 15 2.4.3动

18、力蓄电池参数匹配设计 . . 15 2.4.4増程器参数匹配设计 . . 17 2.5木章小结 . 19 第二章整车控制策略设计与前丨卩仿真平台开发 . 20 3.1增程式电动汽车驱动系统工作模式 . 20 3.2整车控制策略设计 . 22 3.3整车前 A仿真平台开发 . 25 3.3.1驾驶员模型 . . 26 3.3.2整车控制策略模型 . . 26 3.3.3増程器模型 . . 27 3.3.4动力蓄电池模型 . . 28 3.3.5驱动电机模型 . . 30 3.3.6车辆动力学模型 . . 31 3.3.7增程式电动汽车整车模型 . . 31 X 3.4整车性能仿真分析 . 32

19、3.4.1经济性分析 . . 32 3.4.2动力性分析 . . 36 3.5木章小结 . 38 第四章 CRUISE建模与仿真验证分析 . 39 4.1 CRUISE软件简介 . 39 4.1.1软件特点 . . 39 4.1.2基木操作流程 . . 39 4.2 基于 CRUISE 的 REEV 建模 . 41 4.2.1驱动电机模块 . 41 4.2.2动力蓄电池模块 . 43 4.2.3増程器模块 . 43 4.3基 .T MATLAB/SIMUUNK控制策略模型的集成 . 46 4.3.1创建控制策略模型 . . 46 4.3.2控制策略模块的嵌入 . 46 4.4仿真结果及分析 .

20、 47 4.4.1动力性分析 . . 48 4.4.2经济性分析 . . 48 4.5木章小结 . 52 第五章增程式电动汽车驱动控制系统参数优化 . 53 5.1多目标优化概述 . 53 5.2 ISIGHT与 MATLAB集成优化系统设计 . 54 5.2.1优化变量的选取 . . 56 5.2.2目标函数的确定 . . 57 5.2.3约束条件的建立 . . 57 5.2.4 Isight优化器设置 . . 58 5.3优化结果分析 . 59 5.4木章小结 . 62 第六章全文总结与展望 . 63 6.1全文总结 . 63 6.2论文创新点 . 64 6.3未来工作展望 . 64 0-

21、JCM . 65 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 . 68 XI 插图清单 图 2.1 REEV驱动系统结构图 . 10 图 2.2蓄电池容量 -最大放电率曲线 . 16 图 2.3发动机燃油消耗率 MAP图 . 18 图 3.1 REEV整车工作模式 . 22 图 3.2 REEV控制策略流程示意图 . 24 图 3.3再生制动控制策略流程示意图 . 25 图 3.4驾驶员模块示意图 . 26 图 3.5 驾驶员模型 . 26 图 3.6整车控制策略模型 . 27 图 3.7驱动控制策略模型 . 27 图 3.8增程器发动机模块 . 28 图 3.9増程器发电机模块 . 28 图 3.

22、10磷酸铁锂动力蓄电池模型 . 30 图 3.11 驱动电机模型 . 30 图 3.12车辆动力学模型 . 31 图 3.13增程式电动汽车前向仿真模型 . 32 图 3.14循环工况信息 . 33 图 3.15 5个 ECE循环工况下 SOC变化曲线 . 33 图 3.16 车速跟随曲线 . 34 图 3.17实际车速与目标车速差 . 34 图 3.18 个 NEDC工况下 SOC变化曲线 . 34 图 3.19驱动电机输出功率 . 35 图 3.20等功率线分割下的发动机万有特性曲线 . 36 图 3.21 九个 NEDC工况下 SOC变化曲线 . 36 图 3.22整车动力性仿真计算模型

23、 . 37 图 3.23最大爬坡度仿真结果 . 38 图 4.1 AVL/CRUISE2010 界面 . 40 图 4.2 CRUISE软件操作流程 . 41 图 4.3 驱动电机参数输入界面 . 41 图 4.4驱动电机转速 -转矩特性曲线及其效率曲线 . 42 图 4.5 驱动电机 3D效率图 . 42 图 4.6 动力蓄电池参数输入界面 . 43 XII 图 4.7发动机模块基本参数输入界面 . 44 图 4.8 发动机万有特性图 . 45 图 4.9 发电机参数输入界面 . 45 图 4.10集成于 CRUISE的 REEV整车控制策略模块 . 46 图 4.11 基于 CRUISE软

24、件 REEV整车模型 . 47 图 4.12 CRUISE下 5个 ECE循环下 SOC变化曲线 . 48 图 4.13 5个 ECE循环工况仿真结果 . 49 图 4.14 CRUISE下 NEDC工况一个循环 SOC变化曲线 . 49 图 4.15 NEDC工况九个循环下仿真结果图 . 50 图 4.16 CRUISE下 NEDC工况九个循环 SOC变化曲线 . 50 图 4.17 发云力机输出信号 . 51 图 4.18 发动机控制信号 . 51 图 5.1 Isight 5.5软件设计主界面 . 54 图 5.2 Isight集成 Matlab联合优化流程图 . 56 图 5.3 Ma

25、tlab组件编辑界面 . 56 图 5.4 Optimization目标函数定义 . 58 图 5.5各优化变量迭代过程 . 60 图 5.6优化目标及约束变量迭代过程 . 61 XIII 3 5 10 11 11 13 14 15 17 18 36 38 48 50 59 59 插表清单 国外增程式电动汽车发展概况 . 国内増程式电动汽车发展概况 . 整车设计性能指标 . 样车基本参数 . 几种常见电机特性比较 . 几种发动机对比 . 驱动电机特性参数 . 传动系参数 . 蓄电池基本参数 . 参数匹配结果汇总 . 整车经济性仿真结果 . 整车动力性仿真结果 . 动力性能仿真结果对比 . 经济

26、性能仿真结果对比 . 优化变量前后对比 . 优化前后各性能指标值对比 . XIV 第一章绪论 1.1增程式电动汽车概述 1.1.1新能源汽车国家政策 能源、气候、环境和资源与一个国家的国计民生息息相关，如何解决与 之相关的问题也决定了人类社会能否可持续发展。作为国民经济的支柱行业 一一交通运输业，既是能源消耗大户，同时也是废气排放的重要来源。在全 球能源短缺、环境恶化以及气候异常的背景下，一方面人类对车辆的需求日 渐增高，致使越来越多的汽车行驶在路面上，从而造成多方面的压力；另一 方面人类必须积极研发新型驱动系统，使其与传统驱动系统相比更具有经济、 环保和可持续开发的价值 1。因此，新能源汽车

27、应运而生。 从广义上来说， “ 新 ” 能源是相对于传统燃料（汽油和柴油 ） 而言的。因 此，除使用汽油、柴油发动机之外所有使用其他能源或使用其他动力传动系 统的汽车都可称为新能源汽车。根据我国汽车产业发展政策，国家发展和改 革委员会公告 2007第 72号公布了新能源汽车生产准入管理规则， 2009 年在国家汽车产业调整振兴计划的指导下，工业和信息化部公告 2009 第 44号，公布了新能源汽车 生产企业及产品准入管理规则（以下简称规 则）。规则指出，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力源（或 使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱 动方面的先进技术，形成的

28、技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车 2。 2012年 6月 28 口 国 务 院 印 发 节 能 与 新 能 源 汽 车 产 业 发 展 规 划 (2012 2020年）（简称规划），规划指出，加快培育和发展节能与 新能源汽车，既是有效缓解能源和环境压力，推动汽车产业可持续发展的紧 迫任务，也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势 的战略举措。我国新能源汽车整车和部分核心零部件关键技术尚未突破，产 品成本高，社会配套体系不完善，产业化和市场化发展受到制约；汽车节能 关键核心技术尚未完全掌握，燃料经济性与国际先进水平相比还有一定差距， 节能型小排量汽车市场占有率偏低。以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工 业