硕士论文范文——增程式电动客车辅助功率 单元控制策略研究

硕士学位论文增程式电动客车辅助功率单元控制策略研究姓 名：学 号：所在院系：汽车学院学科门类：工学学科专业：动力机械及工程指导教师： 年 月同济大学 硕士学位论文 摘要摘要近年来，汽车工业发展迅猛，世界范围内汽车保有量持续增加，能源短缺和环境污染等问题日益突出，一定程度上制约了传统汽车工业的发展。增程式电动汽车具有燃油消耗低、排放低等优势，同时又克服了纯电动汽车续驶里程短的弊端，越来越受到汽车研究机构和生产厂商的关注与重视。动态控制策略对增程式电动客车来说很重要，它的好坏直接影响了整车动力性和舒适性。本文设计了基于转矩模型的动态协调控制策略，在保证辅助功率单元(Auxillary Power Unit，APU)切换过程工作在最佳等效燃油消耗曲线附近的前提下，缩短了工况切换过程的时间，降低了APU系统的转速超调量和转矩超调量。本文主要工作及研究成果如下：(1) 建立了增压中冷柴油机瞬态模型。选取189个稳态工况点对模型进行标定，保证在每个工况点的转矩、功率、有效燃油消耗率、涡前压力与温度、压气机压比，及进气质量流量与试验测量值的误差基本不超过10%。在此基础上，通过对喷油系统和燃烧模型进行修改，建立了增压中冷柴油机瞬态模型。(2) 设计了基于转矩模型的动态控制策略。通过Simulink与GT-Power联合仿真，分析了APU系统在加速加载切换过程和减速减载切换过程的动力学规律。结果表明，基于转矩模型的动态协调控制策略，能够快速稳定地实现三点式能量管理策略需要的切换过程。(3) 建立了用于验证上述动态协调控制策略的控制系统。基于MotoHawk快速原型开发平台，在动态协调控制策略Simulink模型的基础上，加入传感器、执行器及通信的软件接口模块，使用编译器自动生成代码，最终开发了一款基本的HCU (Hybrid Control Unit)控制器和APU控制系统。(4) 通过APU台架对基于转矩模型的动态协调控制策略和控制系统实物进行验证，并分析了APU在起动加速暖机、加速加载切换过程及减速减载切换过程的转速超调量和转矩超调量，以及CO、HC、NOX和颗粒物排放特性。结果表明：(a)可以通过提高发动机怠速转速的方法加速暖机过程，而且怠速转速的提高并不会引起发动机起动过慢的问题。起动过程中，CO、HC、NOX和颗粒排放基本与喷油量正相关，喷油策略对排放的控制比较重要。(b)为了降低系统的油耗，可以在发动机起动初期适当降低喷油量甚至断油，而不影响发动机的起动性能。但不恰当的初始喷油量可能会带来APU系统转矩波动幅度大、起动过程偏慢等问题。(c) 本文提出的基于转矩模型的动态协调控制策略能够保证APU系统在工况切换时基本沿着最佳等效燃油消耗线附近运行，并且切换用时比较短，转速超调量和转矩超调量比较低。(d) 在加速加载的切换过程中，发动机排放总体上会有所升高；而在减速减载的切换过程中，污染物排放总体呈下降趋势。加速加载过程中，缸内燃烧状态较差，空燃比也较低，CO、HC和颗粒物排放较高，NOX排放较低；减速减载过程中，缸内燃烧状态较好，CO、HC和颗粒物排放较低，NOX排放较高。关键词：增程式电动客车，辅助功率单元，混合动力专用发动机，瞬态模型，动态控制策略VIITongji University Master of Engineering AbstractABSTRACTWith the rapid development of automobile industry, vehicles possessive quantity worldwide has been increasing rapidly. Two major world problems including energy shortage and environmental pollution has been exacerbated increasingly, and they have already brought a certain degree of restriction to the development of traditional automobile industry. Extended-Range Electric Vehicle (E-REV) has gained more and more attention both at home and abroad because of its high low fuel consumption, and low emissions, and it can also overcome the all electric range limitation of traditional pure electric vehicles. A torque model based dynamic control strategy is designed in this paper. Under this control strategy, the speed overshoot and torque overshoot of APU (Auxillary Power Unit) in the process of operation point switching is reduced and the switching time is shorter, with the operation point along the best equivalent fuel consumption curve. The main work and research result in this paper is as follows:(1) A turbocharged inter-cooled diesel engine model has been built. Many parameters (torque, specific fuel consumption, pressure and temperature before turbine, pressure ratio of compressor, mass air flow) of the steady state engine model in selected 189 opearation points have been calibrated to the degree that the error between the simuliation value and test value of the important parameters in this engine are under 10 percent. On this base, the fuel injection system and combustion model has been modified to build the transient engine model.(2) The torque model based dynamic control strategy is designed. The co-simulation between Simulink and GT-Power is proceeded. The characteristics of dynamics and emission characteristics of APU on speed up and load up switchover process and speed cut and load cut switchover process are simulated and analyzed, under the above dynamic coordinated control strategy. It can be seen that the the torque model based dynamic coordinated control strategy can quickly and stably realize the switchover process needed by the three-point energy management strategy.(3) A control system for verifying the above dynamic coordinated control strategy is established. Based on MotoHawk rapid prototyping development platform, sensors, actuators and communication software module are added on the basis of control model in Simulink, and the code is generated automatically by compiler, and a basic HCU controller and APU control system are developed finally.(4) The torque model based dynamic coordinated control strategy and the control system proposed is validated by the APU bench, and the dynamics characteristics, CO, HC, NOX, and particle emissions characteristics of APU on speed up and load up switchover process and speed cut and load cut switchover process are analyzed. It turns out: (a) The warm-up process can be accelerated by increasing the engine idling speed, and the increase of the idling speed does not led the engine to start too slowly. The CO, HC, NOX and particulate emissions are positively correlated with fuel injection during the diesel engine start-up, so the injection strategy for the start-up process is critical to emissions control. (b) In order to reduce the fuel consumption of the extended-range electric vehicle, it is possible to reduce the fuel injection amount and even cut-off the oil at the beginning of the engine startup, without affecting the starting performance of the engine. However, it should be noted that, inappropriate initial fuel injection may cause some problem, such as larger torque fluctuation range, and slower process of start and so on. (c) The proposed torque model based dynamic coordinated control system can ensure that the APU system runs in the vicinity of the best equivalent fuel consumption line and the overshoot of speed and torque is low, the time of switchover process is short. (d) In speed up and load up switchover process, emissions of the engine will be increased as a whole; while in speed cut and load cut switchover process, pollutant emissions will be reduced as a whole. In speed up and load up switchover process, the combustion condition in cylinder is worse and the air fuel ratio is lower, so that the CO, HC and PN emissions are higher and the NOX emissions are lower, while, in speed cut and load cut switchover process, the combustion condition in cylinder is better and the air fuel ratio is larger, so that the CO, HC and PN emissions are lower and the NOX emissions are higher.Key Words: extended-range electric bus, auxillary power unit, engine dedicated for hybrid power system, transient engine model, dynamic control strategy同济大学 硕士学位论文 目录目录第1章 绪论11.1 前言11.1.1 环境问题11.1.2 能源问题21.1.3 新能源汽车21.2 增程式混合动力汽车31.2.1 混合动力汽车分类31.2.2 增程式混合动力的定义51.2.3 增程式混合动力的工作模式51.2.4 增程式混合动力汽车发展现状61.3 混合动力控制策略71.3.1 能量管理策略71.3.2 动态控制策略81.4控制策略研究现状81.4.1 能量管理策略研究现状81.4.2 动态协调控制策略研究现状91.5 本文研究内容与研究方法11第2章 柴油机仿真模型132.1 增压柴油机稳态模型132.1.1 中冷器模型142.1.2 喷油系统模型142.1.3 燃烧模型162.1.4 增压器模型202.1.5 整机模型252.1.6 稳态仿真结果262.2 增压柴油机瞬态模型312.2.1 燃烧模型312.2.2 喷油量控制策略312.3 本章小结33第3章 控制策略353.1 能量管理策略353.1.1 增程式混合动力能量管理策略353.1.2 CD/CS控制策略353.1.3 发动机开关策略363.1.4 工作路径373.1.5 工作点373.2 动态控制策略393.2.1 传统动态控制策略393.2.2 基于转矩模型的动态控制策略413.2.3 仿真结果分析443.3 本章小结47第4章 混合动力控制器及系统开发494.1 控制系统框架494.2 控制器504.2.1 控制软件514.2.2 自动代码生成544.3 传感器544.3.1 转速传感器544.3.2 转矩传感器554.4 执行器554.5 CAN通讯574.5.1 CAN通讯基本原理574.5.2 CANopen协议604.5.3 CANopen适配模块RCAN-01624.5.4 CAN通讯软件模块644.6 本章小结64第5章 试验及结果分析675.1 试验系统675.1.1 试验系统总体概况675.1.2 试验设备及原理695.2 试验内容735.3 试验结果分析755.3.1起动过程755.3.2 怠速切换到A点815.3.3 A点切换到B点845.3.4 B点切换到C点895.3.5 C点切换到B点935.3.6 B点切换到A点965.4 本章小结99第6章 总结与展望1016.1 总结1016.2 展望102致谢103参考文献104个人简历、在读期间发表的学术论文及研究成果108第1章 绪论第1章 绪论1.1 前言1.1.1 环境问题随着社会的发展，环境问题日益突出1。汽车尾气是大气污染的重要元凶，其含有一氧化碳(Carbonic Oxide，CO)、碳氢化合物(HydroCarbon，HC)、氮氧化物(Nitrogen Oxide，NOX)、颗粒物(Particulate Matter，PM)等有害污染物。研究表明，大气污染物中许多来自汽车尾气排放2，针对汽车尾气排放进行治理势在必行。近年来在全国范围内频繁发生雾霾现象，引起了全社会的广泛关注，有文献指出，雾霾的形成与汽车尾气中颗粒物排放有关3。大气中有很多颗粒物，直径比较大的颗粒物可以被人体过滤，而直径比较小的细颗粒或者超细颗粒则很难被呼吸系统过滤，这些细小颗粒一旦被人体吸入肺部，很容易引起广泛的呼吸系统疾病4，另外，这些细小的颗粒物还会与多种致癌物质混合在一起5，一旦吸入人体，有诱发身体组织癌变的风险。汽车尾气排放除了会带来颗粒物污染外，其他的污染气体也对人类健康和大气环境有很大影响。CO与人体血液中的血红蛋白结合的能力大于氧气，当吸入肺部的CO气体浓度高于一定程度，血液输送氧气能力大大减弱，给人造成缺氧性伤害6-7。HC主要包括不完全燃烧产物、润滑油及其裂解和部分氧化产物，在强烈的太阳光紫外线照射下，HC和NOX会经过一些列的化学变化，形成光化学烟雾，烟雾中含有对人类及动物眼睛和咽喉有一定刺激作用的物质，危害严重8。NOX除了会引起光化学烟雾外，还会对棉花等农作物造成伤害，对人类和动物的呼吸道和肺部产生刺激。而且，NOX中的NO与血红蛋白的结合能力比CO还强，NO2与空气中的水会发生化学反应，生成硝酸和亚硝酸，可能导致酸雨的形成9。为此，世界多数国家都开始制定越来越严格的汽车排放法规，以对汽车尾气的排放加以限制。目前在汽车排放领域，主要有美国、欧洲、日本三大汽车排放法规体系10。目前我国主要沿用欧洲排放法规体系，近年来，我国汽车排放法规与欧洲排放法规推行时间越来越接近。北京上海已经于2015年1月开始执行国第二阶段标准，2018年1月将在全国范围内执行国标准。2016年12月23日，环保部和国家质检总局联合发布轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)，法规要求十分严格，给汽车工业带来了新的挑战，汽车相关研究人员必须想办法降低汽车使用过程中的排放问题。1.1.2 能源问题能源是推动人类发展的重要动力。每一次能源革命，都给世界带来了深刻的变革。第二次工业革命以来，地球上多年储存的能量，伴随着化石燃料被人类快速利用，人类社会得到了巨大发展。然而，随着人们对煤、石油、天然气等资源无节制的开采，世界范围内的能源短缺问题日益严重。根据Rystad Energy公司于2016年7月5日公布的信息，全球石油储量为2.1万亿桶，当前石油年产量为300亿桶/年，大约只能够全球使用70年。自从1993年以来，我国对石油进口量不断增加，对外依存度不断上升，给国家能源安全战略带来的挑战越来越大。中国石油公司发布的国内外油气行业发展报告显示，中国石油消费保持持续增长，2015年对外依存度首次达到60.6%，预计2020年中国石油对外依存度将达到67%11。根据权威部门统计，在世界能源消耗中，公路运输约占石油消耗的42%，占人类能源总消耗的16%。随着汽车产业的蓬勃发展，汽车消耗的能源越来越多，占总能源消耗的比重也越来越大12-14。国务院发展研究中心产业部预测，到2020年，我国机动车的燃油需求将占当年全国石油总需求的57%。对于汽车行业研究人员，如何更加高效节能地利用有限的能源，变成了需要认真思考的问题。1.1.3 新能源汽车面对上述问题，越来越多的汽车厂商和研究机构开始注重新能源汽车的研究15。目前，我国主要有三种新能源汽车：纯电动汽车(Electric Vehicle，EV)、燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)和混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)16。纯电动汽车，是指使用电能作为唯一能源，来驱动汽车行驶的汽车。纯电动车在使用过程中不直接消耗石油能源，可以实现“零排放”。它还有能量利用率高、噪声低、动力结构紧凑等优势。但是，纯电动车也具有动力电池能量密度低、充电桩等基础设施不完善、充电时间长等重大缺陷17-19。燃料电池汽车，是一种使用燃料电池替代普通电池或者内燃机来驱动的电动车。燃料电池使用空气中的氧气和压缩氢气在催化剂的作用下产生化学反应，将化学能转化为电能，供给驱动电机使用，进而推动车辆运行。相比于传统的内燃机汽车，燃料电池产生的污染比较小，其污染主要来自于氢气的制备过程。相对而言，燃料电池汽车是具有现实意义的最为清洁的新能源汽车，而且具有能量利用率高、排放低等优势20。但是由于燃料电池中一般使用贵金属催化剂，造成电池组成本较高，另外由于氢气的储存和运输技术尚未成熟，其安全性和稳定性也不高，短期内实现大规模产业化难度较大21。混合动力汽车是介于传统内燃机汽车和纯电动汽车之间的一种汽车，它使用内燃机和电池两种动力源。内燃机和电动机都可以为整车提供动力，故混合动力汽车兼具有传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点22-23：一方面，混合动力汽车能够更加有效的利用现有的化石能源，降低汽车尾气的排放和能源的消耗24-25；另一方面，它又能弥补纯电动汽车续驶里程短、充电速度慢、成本较高、对环境敏感及安全性低等不足26。综合来看，在未来几十年内，混合动力汽车是上述三种新能源汽车中最具有前景和市场的汽车，值得对其深入研究和探讨。1.2 增程式混合动力汽车1.2.1 混合动力汽车分类实际中，混合动力的实现形式多样，叫法也不尽相同。下面本文将从不同角度阐述混合动力汽车的分类。1.2.1.1 构型角度分类混合动力汽车根据动力系统的构型可以分为串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)、并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV)、混联式混合动力汽车(Combined Hybrid Electric Vehicle, CHEV)几种形式。不同构型的混合动力系统各有优劣，在不同的应用环境、驾驶工况、成本等要求下，灵活选取恰当的动力系统方案27。串联式混合动力汽车一般指只有一个能量转换装置可以为车辆提供驱动力的混合动力汽车。在串联式混合动力汽车中，一般情况下只有内燃机和电池两个能量源，它们可以单独或同时向其他方向输送能量。内燃机通过带动发电机进行发电，发电机输出的电能根据情况不同输送给动力电池或驱动电机；电池也可以根据不同情况的需要，向驱动电机和发电机输送电能。在制动能量回收模式时，整车的动能经过转化可以输送给电池。串联式混合动力结构相对简单，控制也不复杂，比较适合市区工况使用；但是在郊区工况，一般情况下串联式混合动力汽车的效率不如传统内燃机汽车。串联构型系统一般体积和重量比较大，多应用于商用车。并联式混合动力汽车一般指具有多个能量转换装置可以同时直接给车辆提供驱动力的混合动力汽车。并联混合动力系统一般由内燃机、一个电机、电池和传统车辆机械传动装置构成。并联构型中电机一般具备驱动电机和发电机两种工作模式，既可以将电池中储存的电能转化为机械能输出到整车，也可以通过发电模式将机械能转化为电能储存在电池中。混联式混合动力汽车是串联式混合动力和并联式混合动力的综合，它的主要特征是：(1) 至少包含两个电机；(2)可以并联能量混合，也串联能量混合。在低速时，串联模式具有更高的效率；在中高速时，并联模式在提高效率方面更有优势。混联式混合动力能量转化形式比较灵活，能够比较好地提高整车燃油利用效率；但是它控制相对复杂。1.2.1.2 能量角度分类根据混合动力汽车中使用电能和化石能源的比例，可以大致将混合动力分为重混、中混和微混。实际上，目前汽车行业对这种分类叫法尚未统一。英国咨询公司里卡多公司的叫法是直接起停(Stop/Start)、弱混(Micro Hybrid)、中混(Mild Hybrid)、全混(Full Hybrid)；美国福特公司的叫法则是微混(Micro HEV)、微中混(Mild HEV)、中混(Medium HEV)、全混(Full HEV)；德国咨询公司舍弗勒的叫法是弱混(Micro HEV)、中混(Mild Hybrid)、全混(Full Hybrid)。实际上，混合动力汽车中使用电能和化石能源的比例，可以使用混合度H来衡量，即： (1.1)式(1.1)中，Pelec表示的电系统的功率，Ptotal表示的是总功率。目前，根据混合度划分混合动力汽车的强混、中混和微混有很多个版本。一般认为混合度小于10%是弱混，混合度在10%25%范围内是中混，大于25%的是强混。1.2.2 增程式混合动力的定义增程式混合动力是指，带有功率辅助单元(Auxilliary Power Unit，APU，也叫増程器)的电力驱动的汽车。大多数增程式混合动力使用的増程器是内燃机，也有燃料电池或者其他的动力形式。从混合动力构型的角度看，增程式混合动力多属于串联式混合动力。从能量角度看，它属于强混。增程式混合动力在电池储存的能量能够满足整车功率需求时，整车只使用电池为驱动电机供电；当电池的输出功率不能满足整车需求时，需要功率辅助单元辅助供应能量，此时増程器驱动发电机对电池充电以补充整车驱动电机的功率消耗。增程式混合动力汽车结构示意图如图1.1所示。发动机与车辆传动机构之间没有机械连接，电力驱动是车辆的唯一驱动方式。发动机可以不受汽车运行状态的影响一直工作在燃油经济性高、排放低的区域。图1.1 增程式混合动力汽车动力系统结构示意图1.2.3 增程式混合动力的工作模式增程式混合动力汽车根据不同情况会有四种运行模式：(1) 纯电动运行模式。当动力电池能量充足时，电池的输出功率能够满足整车功率需求，此时发动机不工作，车辆由驱动电池驱动运行。(2) 增程模式。当动力电池电量不足，输出功率不能满足整车功率需求时，増程器开始起动，发动机带动发电机发电，此时増程器和动力电池共同输出能量驱动车辆；由于増程器输出的功率大于整车功率需求，多余的能量将存储到动力电池。(3) 制动能量回收模式。当车辆制动时，驱动电机给车辆施加反向力矩，驱动电机处于发电状态，给动力电池补充电能。(4) 驻车充电模式。在电池能量较低，并且整车处于驻车状态时，驱动电机停止工作，辅助功率单元(APU)发出的所有电能均储存在动力电池中。1.2.4 增程式混合动力汽车发展现状增程式混合动力兼具有传统内燃机汽车和纯电动车的优点，具有巨大的市场前景，引来了众多科研机构和汽车厂商的关注。1.2.4.1 乘用车美国克莱斯勒发布的串联混合动力式Jeep EV采用集发电机于一体的小型发动机，纯电动行驶约65 km，增程后的行驶距离可达644 km，整体燃油经济性约为21 km/L。在2009年的东京车展上，铃木展出了概念车“Swift Plugin Hybrid”， 这是一款插电式混合动力车，构型为串联结构，纯电动续驶里程可达二十公里。英国莲花公司于2010年展出了概念车“Evora 414E Hybrid”，该车配备的增程器为1.2L汽油发动机，发动机曲轴直接连接于发电机转子，采用两点式能量管理策略，发动机可在高功率点和低功率点之间进行切换。ECU可根据发动机舱内的温度进行控制，使发动机工作时所需的燃料消耗量降至最低。通用沃蓝达Volt是一款经典的增程式电动汽车，是雪佛兰较早实现实现实际投产的一款增程式电动汽车28。我国增程式混合动力汽车起步较早，但是仍然与欧美及日本等汽车强国在技术方面有很大差距。2010年，奇瑞以S18（瑞麟M1）平台为基础推出了一款增程式纯电动汽车“X1-REEV”，X1-REEV配备了高效的APU，可以达到300公里以上的长续航里程29。江淮汽车也推出了和悦混合动力，可在纯电池驱动条件下行驶50公里，油耗仅为3.2L/百公里30。1.2.4.2 商用车1998年在美国纽约就开始示范运营戴姆勒公司的BAEOrion混合动力公交客车，其构型为串联式，目前在纽约、多伦多和旧金山等城市有大量此类客车运行。2009年，戴姆勒公司开始量产串联式混合动力客车Citaro G Hybrid。与原版柴油车相比，这款混合动力客车节油30%左右。一台4.8L、160kW的发动机取代了原来的直列六缸发动机，减轻了大约450kg的重量，除发电机外，该车配备了4个轮毂电机，和功率达320kW。由于没有机械连接的限制，可以采用低地板的设计锂离子电池组被安装在车顶上。客车上的某些部件也可以选择电驱动方式，如转向机助力泵、压缩机、客车车门和空调装置等。1.3 混合动力控制策略控制策略根据不同频率段分为低频的能量管理、中频的动态协调控制(或者叫转矩协调控制)、以及高频的NVH(Noise Vibration and Harshness)31。这三者之间有一定的“Trade-Off”关系，需要进行系统设计。一般来说，能量管理对应的是宏观的能量流动框架，需要首先确定；动态控制策略属于相对微观的策略，更为具体，它需要给能量管理提出一定的要求，同时又会有NVH方面的影响。1.3.1 能量管理策略所谓能量管理策略，是指在不同情况下，通过决定动力系统中各原动机、各储能设备间功率分配从而使车辆动力系统的总能耗最小的一系列规则或子策略的集合。能量管理策略主要解决如何在多动力源之间分配整车需求功率，使系统具备最佳的动力性、经济性和耐久性的问题32。根据国外的大量研究，能量管理策略基本可以分为基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略两大类33-37。基于规则的控制策略的工作原理是：事先根据理论依据、工程经验和数学模型来设定若干车辆工作状态值，划分车辆工作区域。在实际工况中，根据车辆行驶状态判断车辆的工作区域，并采取相应的控制方式38-39。基于规则的能量管理策略又分为基于确定性规则和基于模糊规则40-43。基于确定性规则的能量管理策略包括开关式、功率跟随式和多点式44-45，这种能量管理策略有明确的物理含义，相对比较直观，容易理解。基于模型规则的能量管理策略，是根据模糊理论确定的规则，这种能量管理策略没有明确的物理含义，相对比较抽象。由于前者直观可靠，在对可靠性要求极为严苛的汽车领域应用比较广泛。基于优化的能量管理策略又分为全局优化和局部优化两大类46-48。全局优化是指，在给定道路工况的前提下，将整车需求功率合理地分配给APU和电池，在满足发动机和电池的运行规律限制的前提下，使动力系统等效燃油消耗率最低或者系统功率损失最小。全局优化的解法有很多，主要有多目标数学规划49、动态规划50、最优控制理论的迭代算法、粒子群优化算法51-52、混沌优化算法53-54、神经网络55-56和遗传算法57。局部优化算法，是在未知后续道路的前提下，根据当前的发动机状态、SOC状态及整车功率需求，决定能量分配办法，保证动力系统的等效燃油消耗率最低。局部优化算法主要有随机动态规划、道路工况识别和自适应调节等。1.3.2 动态控制策略混合动力汽车存在多种运行模式，在不同的车辆行驶情况下会工作在不同的模式，在不同模式切换过程中，需要动态协调控制策略对个运动部件进行协调，以保证切换过程的顺利进行。所谓动态过程控制，指的是在混合动力模式切换过程中，各转动部件之间耦合时出现动力输出不平稳或转矩不足和超调等问题58。动态过程控制的好坏，直接关系到混合动力汽车整车动力性和舒适性。1.4控制策略研究现状1.4.1 能量管理策略研究现状Christopher M和Song Z等人59-60在他们的文章中利用恒温器策略进行整车能量管理，针对城市公交工况设计了增程器控制策略并在某些城市的串联式混合动力公交上得到广泛的应用。Masih-Tehrani M等61针对并联型混合动力汽车提出基于车速门限值的发动机“起-停”模式控制策略。当车速低于门限值时，驱动电机单独驱动车辆，仅当整车需求功率超过了驱动电机额定功率时，发动机才开始起动并与电机协同工作；当车速高于门限值时，发动机单独驱动车辆，仅当整车需求功率超过了发动机额定功率时，电动机才开始起动和发动机协同工作。该策略中，车速门限值随着动力电池荷电状态（State of Charge, SOC）以及运行工况的变化会有所不同。SOC越低，车速下限值值越低，发动机更加频繁地起动以便于给动力电池补充能量；对于城市工况，车速门限值设置得比较高，尽可能在城市行驶时实现零排放，但是一旦SOC低于50%，车速门限值随着SOC的下降迅速下降。该策略兼顾车辆动力性、燃油经济性、污染物排放以及动力电池的寿命等多方面因素。Amjadi Z等62提出适用于串联式混合动力汽车的“恒温器+功率跟随”控制模式。当动力电池电量不足时，增程器起动并在高效区域工作，输出功率跟随整车需求功率；当动力电池电量增加到上限值时，增程器停机，由动力电池单独给驱动电动电机输送能量。在该控制策略下动力电池要满足最大瞬时功率的要求。吉林大学刘乐博士63针对某串联式混合动力汽车设计了一款模糊控制器。以整车需求功率、动力电池能量状态和发电机输出功率为模糊控制器输入输出参数，并根据控制经验以及仿真结果制定模糊规则。利用PowerPC556单片机开发出模糊控制器，依据试验结果进一步优化模糊规则。上海汽车集团股份有限公司的窦国伟64，马涛峰等设计了基于模糊控制算法的增程式电动汽车能量分配策略。针对所研究的动力系统，设计了模糊控制器。该模糊控制器能够综合考虑动力电池SOC和整车需求功率，计算增程器最优工作状态，实现能量分配。通过仿真试验验证了所设计的能量管理控制策略的可行性。刘瑞雪等人65-67研究发现，功率跟随控制策略的虽然能够减少动力电池充放电损耗以及能量转换次数，但是发动机经常在较大负荷区域运行，使得燃油效率和排放与恒温器控制策略相比略差。1.4.2 动态协调控制策略研究现状在现有的混合动力系统控制策略中，稳态的能量管理策略研究较多，也较为成熟，而在模式切换过程中的动态控制策略的深入研究则刚刚起步。丰田混合动力系统(Toyota Hybrid System，THS)利用其特有的动力分配机构，很好的解决了动态协调控制问题68-69。在THS第一代控制架构中，控制系统的输入量为油门踏板位置、车速、发电机转速和电池电量，输出量发动机目标功率、发电机和驱动电机的转矩。根据整车功率需求、电池充电需求、系统损失功率计算出发动机需求功率，再根据发动机需求功率计算出发动机需求转速，根据发动机需求转速和驱动电机实际转速通过行星齿轮相关公式计算出发电机需求转速；驱动电机需求转矩则是根据整车需求转矩和发动机转矩计算。另外，整个过程每个环节都要在各部件的限制之内进行。在这种动态控制中，能够保证动力系统的实际需求功率和整车需求功率具有良好的跟随性。美国西南研究院Akihiro等人70对当合动力系统进行模式切换过程中车速变化和差速器前端的动力传动的转矩变化进行了研究，虽然指出了动态协调控制的目标，但并没有提出具体的动态协调控制算法。ROY等人71针对一款ISG(Integrated Starter Generator)混合动力汽车提出了一种“发动机转速反馈-发电机转矩基于观测器反馈”电机补偿控制方案。通过电机产生与发动机转矩相反的波动转矩来抵消发动机的转矩波动，以提高整车舒适性。发动机转矩通过观测器进行估计。这种方法的初衷虽然是抑制发动机转矩波动，但对混合动力系统的动态协调控制却又很大的借鉴意义。俄亥俄州立大学汽车研究中心的Koprubasi72等人对混合动力汽车从电机单独驱动模式到混合驱动模式的切换过程进行了研究。该论文将混合动力模式分为三个部分：发动机起动模式、离合器结合模式、混合驱动模式，并对这些模式进行动力学分析和建模，并给予混沌理论对各模式之间的切换过程进行优化控制，以实现混合动力汽车无扰动切换。Sajjad等人73重点研究了混合动力系统的动态响应过程，将混合动力系统动态控制问题归为多变量控制问题，利用鲁棒控制方法解决。Hyunsup等人74对ISG并联混合动力汽车由纯驱动模式到混合驱动模式的切换过程进行了动力学分析。该过程分为以下几个过程：电机起动过程、发动机电机转速同步过程、离合器结合过程、发动机转矩切换过程。针对四个过程，提出了基于干扰观测器的具体控制算法，通过干扰器对干扰量进行估计，并对其进行补偿以提高控制精度和改善整车驾驶性能。此控制算法建模比较复杂，需要建立车辆传动系统的精确模型。清华大学的童毅75对并联式混合动力系统动态协调控制问题进行了深入的研究。他将动态协调控制问题定义为混合动力系统状态切换过程中发动机和电动机之间如何协调工作的控制问题。该文提出了针对动态协调控制，提出了“转矩管理策略+动态协调控制”的控制结构。转矩管理策略是将转矩作为控制变量，根据总需求转矩和发动机稳态MAP图通过动力学运动规律，确定状态切换的条件和发动机、发电机的目标转矩。动态协调控制算法则是在此基础上建立的，其基本框架为“发动机转矩开环+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿”。结果表明，动态协调控制算法有效地减小了状态切换过程中动力系统总输出转矩和转速的波动，动力传递的平稳性良好。清华大学的朱海涛76等人针对并联式混合动力汽车在混合驱动模式下的挡位切换过程的动态控制问题，设计了离合器分离和结合过程的动态协调控制策略，并建立仿真模型进行仿真，但是不足的是，该文并没有对提出的动态控制策略进行试验研究，该方案的实际效果期待进一步的验证。哈尔滨工业大的井研77对增程式电动车的发动机转速控制方法进行了研究，为了准确的设计发动机转速的控制方法，首先在了解发动机原理的基础上建立了基于转速控制的发动机数学模型，继而在MATLAB/Simulink环境下搭建了仿真模型。清华大学田硕博士78针对一款柴油机ISG混合动力系统进行研究，并对其瞬态过程进行了优化控制。首先建立了面向实时控制的增压柴油机的瞬态排放模型，采用了利用试验数据进行训练的多层前馈神经网络对排放模型的非线性进行训练，而后基于平均值模型结构建立了柴油机转矩估计模型，对估计结果的准确度进行了试验验证。对于瞬态过程的多状态全局优化问题，理论上用一种基于移动局部域原理的求解方法，进行了优化算法仿真分析，在实际应用中，设计自适应SOC维持能量管理算法，在单片机上实现实时控制，效果很理想。吉林大学的冀尔聪79对并联混合动力汽车进行分析，并详细地划分了工作模式，以及模式切换过程中电机、发动机、离合器及变速器的状态变化过程，确定不同模式切换过程进行动态协调控制过程的具体控制方案，并利用Cruise和Matlab对其进行仿真，对比采用动态协调控制和不采用动态协调控制的切换过程，结果表明，这种控制策略效果良好。同济大学庄杰、卓建科和杜爱民等人80-81，对ISG电机在冷起动中的策略进行了仿真研究，建立了基于发动机阻力矩模型和采用矢量控制和脉宽调制器(SVPWM)的永磁同步电机(PMSM)数学模型的Simulink仿真模型，并设计了相应的控制策略，采用先转速控制到转速800r/min喷油后用转矩控制到发动机转速为1400r/min后切断ISG控制的过程实现起动过程。颜伏伍等人82-83以25%节气门开度变化率为边界，在发动机稳态和动态转矩估计的基础上对混合动力系统转矩输出进行协调控制。试验表明，根据发动机动态转矩估计进行转矩补偿的控制方法，能有效改善系统从纯电动驱动模式切换到发动机驱动模式的动态性能。1.5 本文研究内容与研究方法综上所述，目前对于增程式混合动力汽车的动态协调控制策略的研究较少，一方面研究主要集中于混合动力系统的稳态的能量管理策略，另一方面，目前关于动态协调控制策略的研究，主要是针对混联式混合动力和并联式混合动力系统，关于增程式混合动力系统模式切换过程的动态控制策略比较少。而增程式混合动力系统模式切换过程的快速性、稳定性直接关乎整车的能耗、排放及舒适性，对模式切换过程中的动态协调控制策略的研究，具有十分重要的意义。本文根据本课题的研究任务，结合国内外的研究现状，以增程式混合动力系统动态协调控制策略为核心，确定本课题的主要研究如下：(1) 建立增压中冷柴油机瞬态模型：在GT-Power中建立增压中冷柴油机模型，参考前期发动机台架试验数据，选取189个稳态工况点，进行稳态标定，保证在每个工况点下，柴油机模型的重要参数指标(转矩、功率、有效燃油消耗率、涡前压力与温度、压气机压比，及