（光学工程专业论文）遗传算法在混合动力汽车能量管理策略及匹配优化中的应用.pdf

摘要 摘要 混合动力汽车是短期内汽车工业的发展方向，近年来已在市场上取得了成 功。本文以中华1 8 t 并联式混合动力轿车为平台，深入研究了混合动力汽车能 量管理策略及其优化，同时还研究了混合动力汽车发动机匹配及再生制动策略 等内容。 首先本文针对混合动力汽车能量管理策略开发的需要，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立了多能源动力总成的模型和整车纵向动力学模型。接着以 混合动力系统的工作模式为基础，以发动机、电机的效率特性和电池的内阻特 性为依据，深入研究了并联式混合动力汽车的能量管理策略及其设计方法，并 在m a t l a b s i m u l i n k 及s t a t e f l o w 环境下建立了一套基于规则的逻辑门限混合动 力汽车能量管理策略。然后通过联合能量管理策略模型、多能源动力总成的模 型和整车纵向动力学模型为整车能量管理策略的研究和开发提供了必要的仿真 平台。在完成能量管理策略离线验证后，又将其策略移植到实车中，通过实车 实验验证了能量管理策略的有效性。 针对已经得到验证的混合动力汽车能量管理策略，研究其控制参数的优化， 并分析优化后的混合动力汽车系统各功能对节油的贡献率。由于混合动力汽车 能量管理策略的参数优化本质上是个大规模、高度非线性的不连续多元多峰函 数的有约束优化问题，为解决这个问题，本文采用一种现代最优化方法遗 传算法进行优化，取得了较为满意的结果。 单离合器i s g 结构型式混合动力汽车与双离合器i s g 结构型式混合动力汽 车在性能上表现不同。本文着眼于其再生制动策略的区别，并基于遗传算法优 化后的混合动力汽车能量管理策略，深入分析两者在整车燃油经济性上的差异。 引入混合动力汽车关键零部件参数发动机功率大小，使用遗传算法将 其同能量管理策略参数结合进行优化。即实现了考虑关键零部件匹配参数的能 量管理策略遗传算法优化。优化结果表明对于混合动力汽车减小发动机可以提 高整车燃油经济性，但其带来的弊端是整车动力性变差。为解决混合动力汽车 设计中燃油经济性与动力性的矛盾，提出了重新设计发动机万有特性的想法。 关键词：混合动力汽车能量管理策略遗传算法优化仿真匹配 a b s t r a c t a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i sb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n ts h o r tt e r mt r e n do f f u t u r ev e h i c l e s a n dg r e a tb r e a k t h r o u g h sh a v et a k e np l a c ei nt h i sf i e l do nt h em a r k e t t h i sa r t i c l ei sb a s e do nz h o n g h u a1 8th e vt or e s e a r c hi ne n e r g ym a n a g e m e n t s t r a t e g i e sa n di t so p t i m i z a t i o no fh e v , a n da l s oi n c l u d i n gp a r a m e t r i cm a t c h i n go f h e v c o m p o n e n t sa n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs t r a t e g i e so fh e v a tf n 苫t , aq u a s i - d y n a m i cf o r w a r ds i m u l a t i o nm o d e lo fh y b r i dp o w e r t r a i na n d v e h i c l ed y n a m i cw a sb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n kt om e e tt h en e e do fe n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g yd e v e l o p m e n tf o rt h eh e v t h e nb a s e do nt h ew o r km o d e so f h e va n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e ，m o t o ra n db a t t e r y , d e 印s t u d i e so fp a r a l l e l h e v e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g ya n di t sd e v e l o p m e n tm e t h o d o l o g yw a sg i v e ni nt h i s t h e s i s t h e nal o g i ct h r e s h o l dc o n t r o ls t r a t e g y ( l t c s ) m o d e lo fh e vw a sb u i l ti n m a t l a b s i m u l i n ka n ds t a t e f l o w b yc o n n e c t i n gt h et w om o d e l s ，ap l a t f o r mf o r d e v e l o p i n gt h ee n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yw a sp r o v i d e d a f t e rv a l i d a t i n gt h ee n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g yo f f - l i n e ，t e s ti nr e a l c a rw a sd o n et ov a l i d a t et h ee n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g y b a s e do nt h ev a l i d a t e dh e ve n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y , t h er e s e a r c ho f p a r a m e t r i co p t i m i z a t i o nw a sg i v e n t os o l v et h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，g e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) w a su s e d g ac o m b i n e d 晰lt h eh e v s i m u l a t i o nm o d e li su s e dt o s e a r c ht h eo p t i m u ms e tp a r a m e t e r sf o re n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y s i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e ：c t i v e n e s sp r o p o s e dm e t h o d i nt h er e a la p p l i c a t i o n , t h i s m e t h o dh a ss h o r t e n e ds i g n i f i c a n t l yt h et i m eo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yc a l i b r a t i o na n d r e d u c e dt h ec o s to fc o n t r o ls y s t e md e s i g n n l ep e r f o r m a n c e so fs i n g l ec l u t c hi s gh e va n dd u a lc l u t c h e di s gh e va r e d i f f e r e n t b a s e do nt h e o p t i m i z e de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y w i t hg aa n d d i f f e r e n c ei nr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs t r a t e g i e s ，f u e lc o n s u p t i o n so ft w od i f f e r e n t s t r u c t u r e sh e v sw a sa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ek e yc o m p o n e n tp a r a m e t e r so fh y b r i dp o w e r t r a i n ，t h ep a r a m e t e r s o fm a t c h i n ga n de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yw e r eo p t i m i z e dt o g e t h e ri ng a o p t i m i z a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h es m a l l e re n g i eu s e dt h eb e t t e rf u e le c o n o m yw i l lb e f o rh e va p p l i c a t i o n b u tt h i si sad i l e m m af o rf u e le c o n o m ya n dd r i v a b i l i t yb a l a n c e ， a l li d e ao fr e d e s i g nt h ee n g i n ec h a r a c t e r i s t i cw a sp r o p o s e dt os o l v et h i sp w o b l e m k e yw o r d s ：h e v , e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y , g e n e t i ca l g o r i t h m , o p t i m i z a t i o n , s i m u l a t i o n , m a t c h i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本 和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有 权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：孑j 莩 秒3 年月秒日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 一 年月日 学位论文作者签名：孕j 峰 加7 年3 月啷 同济大学学位论文原创性声明 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 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：虿- 乏沙聿 矿1 年弓月枷日 第1 章鳍论 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车的开发背景及其技术简介 1 11 混合动力汽车的开发背量 艟源危机和环境保护是当今汽车工业面临的量大重要问题汽车是能源消费 大户，如美国石油消耗的2 n 用在了汽车上。据有关统计，1 9 7 0 年全世界汽车年 产量为3 0 0 0 万辆，注册的汽车数量为2 4 6 亿辆，2 0 0 6 年已经达到6 5 0 0 万辆和 8 亿辆。随着全世界汽车保有量的急剧增长。汽车的能源消费与有限的石油资源 供应的矛盾日益突出。目前中国汽车人均拥有量与世界发达国家相比差距非常明 显，随着中国经济的快速发展，汽车保有量将迅速增长所以中国汽车工业发展 的潜力非常大。1 9 9 3 年后我国已成为石油净进口国。我国经济的发展将越来越 依藏并受制于石油的进口这势必会影响到国家的战略安全。2 0 0 4 年我囡进口 石油已超过一亿吨，能源安全也是我国汽车工业必须面对的现实问题。 图1 1 石油输出量与开采成本曲线图12 中田历年进口石油量( 百万吨) 同时汽车尾气是城市空气的最大污染源，从二十世纪六十年代朱开始，各 国不断地推出越来越严格的捧放法规和捧故标准，经过几十年的努力，取得一些 成绩，但远未彻底解决，每年经由汽车捧入大气的污染物高达数十亿吨。中国的 城市大气污染及其严重，全世界十大污染城市中中国占了八个。 表1 1 大气污染物中机动车的分担串 幽l3 城市上空的烟雾 大气污染美国北京上海 c oi l6 3 l8 6 n o x4 3 3 7 弱 h c3 1 7 4 9 6 p m2 0 巨大的能源消耗量同时也伴随着 巨大的温室气体排放量汽车尾气成为世再上许多地区的主要c 0 2 排放源。掘 估计，温室气体捧放量需要削减到1 9 9 0 年的6 0 才能有效遏制全球气候变暖的 第1 苹绪论 趋势。在1 9 9 7 年防止地球变暖京都会议上，欧盟主张从2 0 0 8 到2 0 1 2 年间发达 国家的二氧化碳排放量平均每年减少1 9 9 0 年排放量的52 。 由于认识到汽车对环境的影响世界各国的法规对汽车的捧放要求越来越 高2 0 0 5 年欧洲开始实施欧i v 排放法规。我国已于2 0 0 7 年1 月1 闩开始实施 欧i i i 标准，并将于2 0 0 8 年1 月l 同在北京试实施欧标准。同时，随着石油 资源的短缺政府出于环保目的征收燃油税，使得成品油价格大幅上涨，所以油 料费用将成为今后汽车使用的主要成本，而燃油经济性将成为决定汽车消费者选 择的重要因素。在法规和市场的双重推动下，各国汽车公司纷纷开展了高教常能 汽车的研究与开发并不约而同地把目光投向了电动汽车。由于技术等因素的| 1 6 l 制，纯电动汽车和燃料电池汽车还无法短期内实现产业化。因而混台动力汽车成 为了各大汽车厂商研发的重点。 2 e2 b柏1 0神 2 。，曩燕。 ， 2 0 1 3 图1 4 全球混合动力汽车预测( 单位：万辆) 图1 5 各地区棍台动力汽车占有颦预订 美国在1 9 9 3 年由能源部和三大汽车公司牵头成立了“新一代汽车伙伴关系 ( p n g v ) ”，开展高效节能汽车包括混合动力汽车的研究。但在p n g v 计划中， 美国人把主要力量集中在零排放车辆的研制上由于纯电动汽车项目的失败和燃 料电池汽车迟迟不能取得突破性进展又加之看到日本人在混合动力汽车上的成 功，因而一方面继续研究开发燃料电池汽车，一方面也重点投入开发商品化的混 合动力汽车。 出于国家可持续发展战略和中国汽车工业发展战略的考量中国在“十五” 国家8 6 3 计划中设立了“电动汽车重大专项”，分设混合动力汽车、纯电动汽车 和燃料电池汽车三个主攻方向。在8 6 3 电动汽车重大专项的支持下，我国混合动 力汽车的研究开发取得一定技术突破但尚未实现产业化。一汽、东风、长安、 奇瑞等汽车集团都已经开发出混合动力汽车样车。国内一些高校，如北京理工大 学、清华大学、上海交通大学、同跻大学、华南理工大学等也在进行混合动力技 术的研究工作i t - 4 。 但是与此同时，国外汽车公司也正在加紧在中国推进其混合动力汽车拓展战 略，抢占中国市场。以保持其在混合动力汽车方面的先行优势。2 0 ( 3 5 年1 月1 5 日，丰田公司与一汽集团合作在生产的p r i u s 棍台动力汽车正式上市。所以国内 必须加快混合动力汽车的研究开发和产业化进程。 第1 章绪论 本课题源于同济大学与华晨汽车有限公司的合作项目“中华1 8 t 混合动力 轿车开发。课题针对基于i s g 电机的混合动力汽车平台进行研究，对混合动力 汽车关键技术中的能量管理策略及其优化问题展开深入的研究与分析。 1 1 2 混合动力汽车技术简介 混合动力技术本质上是利用电力驱动来平衡和改善发动机的工况，通过减少 发动机怠速工况、调整发动机工作在高效区以及制动能回收提高燃油经济性、减 少污染物排放。混合动力汽车的最终能量来源依然是发动机对燃油的能量转化， 所以它可以利用既有的加油站或者加气站进行燃料补充，没有基础设施建设的投 入问题。它在续驶里程、动力性等基本性能方面都不亚于甚至超过传统发动机汽 车。正因为此，混合动力汽车得到了迅速的发展。从结构上来讲混合动力汽车一 般可以分为串联式，并联式，混联式。这三种不同结构型式的车辆特点如下表。 表1 2 各种类型混合动力汽车特点及优缺点 串联式 一内燃机与驱动桥无机械连接 特点 一驱动电机从蓄电池或内燃机发电机组获得电能 一 内燃机发电机组和驱动电机( 再生制动时) 均可为蓄电池充电 一结构简单，无需离合器和复杂的变速器 一 内燃机一直可以工作在最优区域 优点 一低速和低负荷工作，车辆起停，城市工况效果理想 一 易向燃料电池技术过渡 一 能量传递链长，导致效率低 缺点 一高负荷时效率比传统车辆低 一需要非常大的蓄电池和电机 并联式 特点 一 内燃机、驱动电机和驱动桥之间机械连接 一驱动电机可以驱动车辆并为蓄电池充电，因此可以不需要单独的发电机 一 车辆在任何负荷下总比传统车辆效率高 优点 一可使用传统车辆变速器 一 电池、驱动电机和内燃机可以最小化 缺点一离合器、电机以及其集成成本高 混联式 一 内燃机、驱动电机和驱动桥之间机械连接 特点 一 同时包含串联式和并联式的结构 一 内燃机可以与驱动桥脱开以单独驱动发电机( 串联式) 优点 一 内燃机可以在近最优的区域工作并驱动车辆 缺点一结构复杂成本高 3 第1 章绪论 d n n p a h rh 日e c 喊m r 、d 巾p c 晰竹 卜日e 。耐c h f b a t t e r y l i r l y e m r h o t o r l g e n e r a t o r d v e w h e e l s 图j7 井联式挺合动力汽车能最流图 近年来随着混台动力汽车技术的发 展，越来越多的混合驱动系统被开发出来， 有些结构相当复杂。除按照动力系统的布 置方式进行分类外，按照4 混合度”分类 在混合动力汽车研究领域也被广泛采用。 根据混合度分类，混合动力汽车可以分为 弱混合、中度混合和强混合( 或全混合) 等。 弱混合具有怠速停机、再生制动和电机助 力功能，而强混合还具有纯电动行驶功能。 通常混合度越高，燃油经济性和捧放的 提高就越多【】。本田c i v i c 混合动力轿芈 图18 概联式抛舟动力汽下能母赢酗混合度为1 5 9 是弱混合的典型车型 丰田p r i t m2 0 0 1 型混合动力轿车混合度为6 2 3 ，是强混合的典型车型。随着混 合度的提高混台动力车辆的功能随之增加，系统的电压也升高嘲。 混合度片= e 1 0 0 ( 卜1 ) 匕和只分别是电机和内燃机的擐大功率。 第1 章绪论 图19 按混台度分娄的混合动力汽车 另外值得一提的是近两年来在北美及日本非常流行的p h e v ，即p l u g - i n h e v ( 可外接充电式混合动力电动汽车) 。上文中提到的按混合度分类而得的弱混台 中度混合以及全混合部只能由发动机给蓄电池充电，即由发动机维持薷电池的f u 量。因此其蓄电池容量不大，不具有行驶较长距离的功能。p h e v 相t v j 统强眦 的h e v 拥有更小的发动机、更大的电机和蓄电池。园而有更长的纯电动行驶h 程。1 9 9 0 年，美国a n d y f r a n k 教授开始研制p h e v 原型车，美国、日本、欧洲 的政府、汽车制造商、电力公司、汽车用户以及电动汽车电机、电池等关键技术 研制单位对此技术非常重视。2 0 0 6 年l o 月在日本横演召开的第2 2 届电动车国 际会议上，专门召开了p h e v 国际研讨会。p h e v 可以使用家用电源插座( 例如 2 2 0 v 电源) 对混合动力系统中电池充电的汽车。这种混合动力汽车比全混合电 力汽车有较长纯电动行驶里程( 3 0 、5 0 或8 0 k i n 依设计而异) ，但需要时，仍 然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。2 0 0 6 年5 月4r 一5r 在华盛顿 d c 美国联邦政府能源部，第一次举行了为期两天的p h e v 讨论会。会议由 f r e e d o mc a r ( 清洁能源汽车计划组织) 和车辆技术办公室主办。尽管有许多报 好的、对近期p h e v 商业化开发的各种建议与方案，但目前p h e v 整车仍处于 原型车研究阶段，p h e v 中的关键技术电池技术尚需在实际应用试验中进行 第1 章绪论 考验，为了使这些技术提升到实用阶段，尚需开发生产设备。一些原型车的试验 正在进行之中，例如，装有先进电池的6 辆d a i m l c r - c h r y s l e r ( 戴姆勒一克莱斯 勒汽车公司) 1 5 座原型p h e v 客车，分别在美国洛杉矶、纽约和德国等地进行 试验运行，被试车辆都表现出有很好的性能，在耐久性方面也具有潜力。p h e v 整车研究在我国起步时间不长，近日，由中国汽车工程学会电动车分会和国家 8 6 3 计划重大项目“节能与新能源汽车 办公室共同主办的“2 0 0 6 年p h e v ( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，可外接充电式混合动力电动汽车) 技术研讨会”也 在北京召开【9 】。 1 2 混合动力汽车国内外研究动态 1 2 1 混合动力汽车国外研究动态及典型产品 国外大汽车公司在混合动力汽车研发方面起步早，取得了显著的成果，日本 汽车公司尤其显得突出。上世纪七十年代，受石油危机影响，一些大汽车公司开 始研发电动汽车和混合动力汽车。丰田汽车公司在1 9 7 7 年推出了其第一辆混合 动力原型车t o y o t as p o r t8 0 0 ，到1 9 9 7 年，丰田公司再度连续推出c o a s t e r 混合 动力客车和p r i u s 混合动力轿车两辆商品化样车，其中p r i u s 于2 0 0 0 年开始投放 日本本土、北美和欧盟市场。2 0 0 6 年5 月丰田还推出了c a m r y 混合动力版本， 该车采用一台4 缸2 4 升汽油发动机，一台无级变速器( c v t ) ，综合油耗为 6 l 1 0 0 k m 。目前丰田公司在市场上的混合动力汽车还有还有l c x u sr x4 0 0 h s u v ，h i g h l a n d e rs u v ，l e x u s4 5 0 hg s ，e s t i m am p v ，a l p h a r dm p v ，s i e n n a m p v 7 胡，1 1 1 。 紧随其后的日本本田汽车公司2 0 0 0 年推出i l l s i 出是第一批进入市场的混合 动力轿车，经过车身轻量化的设计和i m a ( i n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t ) 混合动力系统 的使用使其油耗降低到了6 1 m i l e s g a l l o n 。i n s i g h t 采用铝结构，超轻车身。2 0 0 2 年本田公司又推出了c i v i c 混合动力车，它与i n s i g h t 使用了相同的混合动力技术。 与i n s i g h t 不同的是，c i v i c 更像普通的轿车，它有能乘坐5 人，而i n s i g h t 只能乘 坐两人。目前本田公司在市场上还有a c c o r d 混合动力轿车【”1 2 1 。 日本第二大汽车制造商日产( n i s s a n ) 于2 0 0 0 年推出了1 0 0 辆t i n o 混合动力 轿车，该车为全混类型，使用一个1 0 0 马力的汽油机和两个电机，锂电池，有再 生制动功能，可以降低5 0 的油耗和排放，但该车并没有大批量的推向市场。因 为之前在绿色环保汽车上的研发，日产公司更注重在发动机的优化上，而非混合 动力上，这导致了其同类型的汽车排放比丰田p r i m 低但油耗竟为其的一倍。为 了加快其进入混合动力市场的步伐，日产在2 0 0 2 年与丰田签订了使用其混合动 力零部件的合约，并已于0 7 年1 月推出了a l t i m a 混合动力轿车【7 训。 6 第l 章绪论 日本汽车公司以众多的产品遥遥领先，丰田、本田等公司已经决定在他们下 一代主力车型上全方位装备混合动力技术。 与此同时，欧洲、美国公司正在奋起直追，福特汽车公司正在加紧其混合动 力汽车商品化的进程。2 0 0 4 底，福特将其e s c a p es u v 推向市场，混联式的e s c a p e 装备有一台2 8 k w 的发电机和一台6 5 k w 的驱动电机，采用镍氢电池组。之后福 特还展出了其e x p l o r e rh y b r i ds u v ，但该款车并没有进一步走向市场。2 0 0 5 年 福特7 月1 1 日开始预售其第二款混合动力汽车m e r c u r ym a r i n e r 。m e r c u r ym a r i n e r 和e s c a p e 采用相同的混合动力系统，不同的是它更适合稍微高端的消费群体。 福特还计划在2 0 0 8 年推出其新车f u s i o n 和m i l a n 的混合动力版，将其销售的混 合动力车型扩充到5 种。2 0 1 0 年福特将量产e d g e 和l i n c o l n ，届时福特预计在 全球年销售2 5 0 ，0 0 0 辆混合动力汽车，超过一半的为f o r d ，l i n c o l n 和m e r c u r y 品牌。作为福特的子公司，马自达公司的混合动力轿车还没有上市，其计划在 2 0 0 7 年推出基于e s c a p e 平台的t r i b u t eh y b r i ds u v 。另外其在东京车展展出了其 两款混合动力轿车，m a z d ar x 8r e n e s i sh y b r i d 和m a z d ai b u l dh y b r i d 。前者是世 界第一款搭载转子发动机的混合动力汽车，采用氢气为燃料。后者则为普通的汽 油机搭配一套混合动力系统【7 1 4 j 。 美国通用汽车公司在混合动力技术策略上与日本公司不同，通用侧重于皮 卡、s u v 等混合动力动力车型的开发。这是由于皮卡和s u v 的价格比轿车高， 所以其改为混合动力后提高的成本比例相对较小，更容易被客户接受。另外在重 型车上应用混合动力可以节省更多的燃油消耗。目前通用共计划推出1 2 款混合 动力车辆，其中有些产品已经上市。2 0 0 3 年，通用推出了混合动力公共汽车， 这是其应用混合动力的第一个产品。2 0 0 4 年，通用又推出了混合动力皮卡 c h e v r o l e ts i l v e r a d o 和g m cs i e r r a 。这两款车采用i s g 混合动力系统，电机峰值 功率达到1 4 k w ，使用4 2 v 的铅酸电池。在1 2 款混合动力汽车中有五款s u v ： c h e v ys 3 x ，e q u i n o x ，t a h o e ，g m cy u k o n 和s a t u mv u eh y b r i d 。s 3 x ，e q u i n o x 和 s a t u r nv u e 使用相同的t h e t a 平台搭配弱混合动力系统。其中，2 0 0 4 年法国巴 黎车展初次展出的c h e v ys 3 xh y b r i d 采用2 o 升柴油机和b a s 系统，已经在2 0 0 6 年推向市场。而2 0 0 7s a t u r n v u eg r e e n l i n e h y b r i d s u v 也在近日推向了市场，这 款车采用通用公司的新型b a s 混合动力系统，可以提高2 0 燃油经济性。2 0 0 4 年底，通用，戴姆勒一克莱斯勒公司宣布在混合动力领域合作以加快混合动力产 业化的进程，后来宝马公司也加入了合作。三家公司共同研发的双模式混合动力 系统将在2 0 0 7 年应用于2 0 0 8c h e v r o l e tt a h o e 和2 0 0 8g m cy u k o n 两款s u v 上， 该系统可以降低油耗2 5 。另外2 0 0 8 年通用还将在推出的凯迪拉克e s c a l a d e ， c h e v r o l e ts i l v e r a d o 和g m cs i e r r ac r e w c a b 上使用这套系统。轿车方面通用有两 款，c h e v ym a l i b uh y b r i d 和o p e la s t r ad i e s e lh y b r i d 。这两款车仍在开发阶段。 c h e v ym a l i b uh y b r i d 采用基于s a t u r nv u es l r vh y b r i d 的b a s0 3 e l ta l t e r n a t o r s t a r t e r ) 系统，预计将在2 0 0 7 年上市o p e la s t r ad i e s e lh y b r i d 采用双模式全混合 7 第1 章绪论 动力系统搭配1 7 升c d t i 发动机提高燃油经济性选2 5 。但该鼓车型只是 在不同的车展上作为概念车展示过，至于具体的上市时间尚未敲定 ”】。 蘸姆勒一克莱斯勒在d o d g e e s x 3 s m a r t , f o r t w o 和s m a r t c r o s s t o w 这三款 车上使用了自己开发的混合动力系统。d o d g ee s x 3 现在还只是在概念阶段，预 计在2 0 0 7 年上市，油耗为7 2 m p g 。该车使用15 升直喷三缸柴油机，2 0 h p 电机。 车身采用全铝结构，内怖使用高度集成塑料，使得整车降低到2 2 5 0 1 b 。s m a r t f o r t w o 已经子2 0 0 6 年木上市，是。两迷体城市车辆，采用弱混合动力系统，汽 油版油耗为s 2 6 0 m p h ，柴油版油耗为8 1 9 8 m p h 。其姐妹车型s m a r t c r o s s t o w n 是为欧洲市场设计的，该车使用4 5 k w 汽油机和2 3 k w 电机，油耗为5 9 m p g 。与 s m a af o n w o 不同的是该车还具备再生制动的功能。2 0 0 4 年d o d g er a mh y b r i d 皮卡也在开始销售。藏姆勒一克莱斯勒公司和宝马以及通用三家公司共同开发的 混合动力技术基于通用的双模式混合动力系统，藏克公司将在2 0 0 7 年推出的 d o d g ed u r 蛐g oh y b r i ds u v 上使用通用的这套混合动力系统捌。 一向推崇柴油汽车的大众汽车同前也表示其第一款油电混合动力车将在 2 0 0 9 年推出，该车将是捷达混合动力车。据番捷达混合动力车的性能将优于普 通的大众1 3 ) 1 车型。大众汽车注意到混合动力车在美国市场上销售十分火热， 因此，在不断提升其柴油车平台的同时大众汽车在2 0 0 9 年也将进入混合动力 车市场 i 。 此外大众、雪铁龙、雷诺、现代、三菱等世界各大汽车公司也在同步开展数 十款混台动力汽车的开发，部分车辆已经推向市场。 连用c h e r o l e t t a h o e h d 通h jc h e v r o l e lm a l i b uh y b r i d 藏一克d o d 9 eo u r a n g oh y b r i d 福特f o r d e d g e h y b r i d 捅特 f o r df r y eh u n d r e dh y b r l c l 福特 f o r df u s i o nh y b r i d 通h jg m cy u k o nh y b d d 丰田l e x u sl s 6 0 0 h l 福特 l i n c o l nm k xh 删 福特 m a z d a t r i b u n e h y b i d 通川 m e r c u r ym i l a nh ) - b d d 通h 】 m e r c u l y m o n t e g oh y o i d 保时捷p o r s c h e c a y e n n e h v l = 众v d b ”o g j e t t a 咐b r i d m c w m m 1 0 a m i 表132 0 1 0 年前推向l h 局的 i 肼瞰1 1 0 再人汽车公司| 市蝻份额顶刊 第l 章绪论 叼 f u e le c o n o m y 圈1 i l 北美市场的混告动力汽车( 1 l y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei nn o r t hh e r i c 曲 从全球来看，混合动力汽车的发展已经渡过了量产的起步阶段，进入初期的 快速增长阶段，产量逐年快速递增，总销量所占比重也迅速攀升。2 0 0 6 年全美 注册的新混合动力汽车总教己超过2 s 万辆比2 0 0 4 年增加2 5 。丰田公司2 0 0 6 年麸销售3 l2 5 万辆混合动力车，比2 0 0 5 年增加了3 3 。0 6 年4 月p r i 在全 球的累计销量突破5 0 万辆，丰田公司计划在2 0 1 0 年销售1 0 0 万辆混合动力汽车。 可见混合动力汽车正在进入高速增长的快车道i h i 。 h y h d 0 州h u 幽1 1 22 0 0 6 年美国i h 蝎哪销售情况 薷橐墓鹪 早卞 圉 蚕喜一 一o一 一 一 一 ill 第1 章绪论 1 2 2 混合动力汽车国内研究动态 由于充分认识到汽车工业对我国国民经济的重要性，以及能源安全与环境问 题对我国实现可持续发展战略的重大意义，我国在“十五 国家8 6 3 计划中， 设立了电动汽车重大专项。在8 6 3 电动汽车重大专项的支持下，我国混合动力汽 车的研究开发取得一定技术突破，但尚未实现产业化。另外，日前国家汽车工业 “十一五 发展规划已经完成，“十一五 8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目 在混合动力方面的重点任务是实现混合动力汽车规模产业化【l 卅。 我国自主开发的混合动力汽车要求节油率达到3 0 以上，已在几个城市投入 示范运营。东风电动车辆股份有限公司自主研发的2 0 辆混合动力公交客车已在 武汉累计运行4 0 多万公里，载客8 6 万人次。一汽集团研发的混合动力客车也已 下线。一汽、东风、长安、奇瑞等公司研发了轻度混合( i s g b s g ) 、并联、混 联等多种型式的混合动力轿车i l j 。 表1 4 国内汽车企业自主研发的混合动力轿车 厂家车型及参数 混合度及型式 东风电动车辆股份e q 7 2 0 0 h e v , b s ga n dt r a c t i o nm o t o rw i t h 强混合，并联混联 有限公司a m t - 3 3 6 v8 a hn i m h 一汽集团c a 7 2 0 0 h e v a m t - 3 3 6 v8 a hn i m h强混合，并联 h e v - t r a c t i o nm o t o r强混合，并联混联 上汽 i s g中度混合，并联 长安汽车公司 c v 9h e v , i sg ，c v rt r a n s m i s s i o n 1 4 4 vn i - m h 中度混合，并联 c h e r yb s gh e v 弱混合，并联 奇瑞 c h e r yi s gh e v 中度混合，_ 并联 上海华普汽车有限 m a p l em b 。i sg 2c l u t c hs y s t e m 4 2 vs u p e r 中度混合，并联 公司 c a p a c i t o r 华晨汽车有限公司中华h e v , i s g 。1 4 4 v8 a hn i m h中度混合，并联 1 3 并联式混合动力汽车能量管理策略及其优化综述 随着混合动力汽车研究的不断深入，控制策略已经成为混合动力汽车的重点 研究内容之一。混合动力汽车控制策略实质上是对不同能量源和动力元件进行协 调控制，即包括能量管理控制和动力学协调控制两部分【冽。 根据混合动力汽车的分类，能量管理策略可分为串联式h e v 能量管理策略、 并联式h e v 能量管理策略、混联式h e v 能量管理策略和复合式h e v 能量管理 策略。串联式h e v 由于发动机与车轮间没有直接的机械连接，发动机基本不受 车辆行驶状况的影响，比较容易控制在高效区稳定工作：此外，它的驱动力全部 由电动机提供，不涉及发动机和电机之间的驱动力分配问题，因而能量管理策略 相对比较简单。并联式结构在混合动力汽车尤其是混合动力轿车上用的最广，同 1 0 第l 章绪论 时并联式混合动力系统的能量管理策略是混联式和复合式混合动力系统能量管 理策略的基础，所以本文以研究并联混合动力汽车的能量管理策略为主，同时也 兼顾h e v 能量管理策略的一般方法。 根据能量管理策略的理论基础分类，混合动力汽车能量管理策略大致分为基 于规则的逻辑门限、瞬时优化、全局最优以及智能控制这四种。逻辑门限能量管 理策略通过一组参数，限定发动机工作区域，并根据预先设定的规则对混合动力 系统的工作模式进行判断和选择 4 3 - - 4 f l 。瞬时优化能量管理策略可以实时控制， 但其需要大量的浮点运算，实现起来困难，成本很高7 。全局最优能量管理 策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合驱动力分配能量管理策 略，一般只用于评估实时能量管理策略的效果不用于实时控制1 4 h 绷。智能能量 管理策略是应用模糊逻辑或神经网络来决策混合动力系统的工作模式和功率分 配，是一种极具推广前景的能量管理策略【5 叭。逻辑门限能量管理策略简单有效， 同时也是模糊能量管理策略的基础。直至目前只有逻辑门限能量管理策略在实际 商品化混合动力汽车中得到了应用m 】。因此，本文主要针对逻辑门限能量管理策 略研究混合动力汽车能量管理策略的优化方法。 逻辑门限能量管理策略的门限参数决定着混合动力汽车的燃油经济性，不同 的参数设置可以得到不同的整车性能。因此，在能量管理策略参数的设计中，存 在一个参数优化设计问题。使用通常工程中的“试错法 完成参数优化将要耗费 大量的时间和金钱。而且，这种方法很难做到对整个解空间进行搜索并找到全局 最优解。一种改进的方法是利用传统的基于梯度的优化程序如逐步二次规划 ( s q p ) 法等，对参数进行优化。然而，传统的基于梯度的搜索方法要求目标函 数连续、可微并满足l i p s c h i t z 条件，而对于这里所研究的问题而言，这些条件 很难满足，此外，目标函数的梯度值也很难计算。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一类借鉴生物界的进化规律( 适者生存， 优胜劣汰遗传机制) 演化而来的随机化搜索方法。其主要特点是直接对结构对象 进行操作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局 寻优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应 地调整搜索方向，不需要确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广泛地应 用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域1 5 。随着混 合动力汽车研究的深入，遗传算法也被引入了混合动力汽车的设计中来 1 9 2 6 】。 p i c c o l o 等率先将遗传算法应用于混合动力汽车能量管理策略的参数优化 b g ，同期美国国家可再生能源实验室( n r e l ) 的w i p k e 等也进行了应用包括遗 传算法在内的不同优化方法对混合动力汽车的能量管理策略参数进行优化的研 究【2 0 1 ，结果表明，遗传算法比较适合混合动力汽车能量管理策略的参数优化，并 取得了一些初步成果。文献【2 l 】中，作者吸收了进化算法的最新进展，基于现代 g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 和e s ( e v o l u t i o ns t r a t e g y ) 算法模型，提出了一种改进型稳 态进化算法( s t e a d y s t a t ee v o l u t i o n a r y a l g o r i t h m ，s e a ) ，对混合动力汽车能量管 第1 章绪论 理策略参数进行优化，取得了较为满意的结果，但其只是针对能量管理策略参数 本身进行优化，未考虑整车关键零部件参数的匹配。文献【2 2 】中，作者提出将遗 传算法与传统梯度算法s q p 相结合，发挥遗传算法的全局搜索能力和梯度算法 收敛快的优势，开发了两种混合算法g a s q p i 和g a s q p i i ，仿