基于多模型控制的燃料电池汽车混合动力系统优化研究

【摘要】： 内燃机动力体现了整整一个世纪人类智慧的精华,但它致命的弱点是造成环境污染,而且世界的石油资源已日益枯竭,内燃机很难从根本上摆脱这一被动的不利局面。开发电动汽车,在能源环保形式日益严峻的情况下倍受瞩目。燃料电池电动汽车(FCEV,Fuel Cell Electric Vehicle)是20世纪70年代产生而最近10年兴起开发的一种高效、清洁、零污染的车型。以质子交换膜燃料电池为动力源的汽车称为燃料电池电动汽车,而整车的动力系统结构及能量管理策略则是整个燃料电池电动汽车研究的热点及关键技术。 本文正是以开发研究燃料电池电动汽车为背景,以燃料电池电动汽车动力系统为研究对象,从燃料电池电动汽车的电电混合动力系统结构入手,基于Advisor平台建立了电电混合动力系统的基本模型,并提出基于多模型切换控制的动力系统能量管理策略,仿真计算结果证明了该控制策略的有效性。本文主要研究成果如下: (1)提出了一种燃料电池电动汽车三能源电电混合动力系统的结构,即采用燃料电池系统、磷酸铁锂电池组及超级电容器组共同构成混合动力系统,在分析各能源特性及动力系统构型的基础上优化了电电混合动力系统的结构,并设计和确定了整车基本性能指标及动力系统关键参数;基于Advisor平台,以模块化的方式对动力系统每个子部件进行建模,在整车车辆模型研究的基础上,建立了整个电电混合动力系统的仿真模型。 (2)针对难以用一个单一模型及控制方法来描述整个动力系统行为的问题,提出基于多模型切换控制的动力系统能量管理优化策略。通过对电电混合动力系统在不同工作模式(启动模式、加速爬坡模式、巡航模式及减速制动模式)下的能量管理模式及功率分配关系进行研究,设计了基于模糊监督规则的动力系统能量流多模型切换控制策略。 (3)由于燃料电池系统动态响应偏软的特性将导致整车动力性不足,故在建立的动力系统能量流多模型基础上,提出了动力系统能量管理与燃料电池系统控制综合优化方案,即在加速爬坡模式下,有针对性的设计了燃料电池系统输出功率神经网络预测控制策略,提高了整车的动力性能。 (4)对燃料电池电动汽车动力系统常用能量管理策略及本文提出的基于多模型切换控制的能量管理策略进行了分析比较,仿真结果表明,嵌入基于多模型切换控制的动力系统能量管理策略后,整车燃料经济性指标相比嵌入功率跟随模式控制策略的经济性指标降低了3.3%。提出燃料电池电动汽车动力系统混合度的概念,并对不同结构及混合度的动力系统进行了仿真计算,基于仿真结果对整车动力系统结构及混合度做了进一步优化。 综上所述,本文以燃料电池电动汽车电电混合动力系统结构及能量管理策略为优化对象,提出了一种三能源混合的动力系统结构,并采用基于多模型切换控制的动力系统能量流管理策略,仿真计算结果证明了该策略的有效性,这为燃料电池电动汽车动力系统的结构设计,配置选型以及系统优化控制方面提供了一种思路和参考。 【关键词】：电电混合动力系统 多模型切换控制 模糊监督规则 神经网络预测 混合度优化
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 燃料电池及燃料电池电动汽车12-13
• 1.1.2 燃料电池电动汽车多能源电电混合动力系统13-14
• 1.2 研究背景及意义14-18
• 1.2.1 课题来源14
• 1.2.2 论文研究背景14-17
• 1.2.3 课题研究意义17-18
• 1.3 国内外研究现状分析18-26
• 1.3.1 燃料电池电动汽车研究现状分析18-21
• 1.3.2 动力系统控制策略研究现状分析21-23
• 1.3.3 多模型控制研究现状分析23-25
• 1.3.4 存在的技术问题分析25-26
• 1.4 论文主要研究内容26-29
• 第2章 燃料电池电动汽车动力系统结构研究与优化29-44
• 2.1 电动汽车车用动力能源特性分析与比较29-35
• 2.1.1 质子交换膜燃料电池特性分析29-31
• 2.1.2 车用蓄电池特性分析31-33
• 2.1.3 车用超级电容器特性分析33-34
• 2.1.4 电动汽车车载动力能源特性比较34-35
• 2.2 电电混合动力系统拓扑结构研究与优化35-39
• 2.2.1 典型混合拓扑结构分析35-38
• 2.2.2 燃料电池电动汽车动力系统结构优化38-39
• 2.3 燃料电池电动汽车混合动力系统配置优化与计算39-43
• 2.3.1 燃料电池电动汽车性能指标设计39-40
• 2.3.2 燃料电池电动汽车动力系统关键参数选择与确定40-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第3章 基于Advisor的电电混合动力系统建模研究44-73
• 3.1 动力系统分部件建模及仿真分析44-66
• 3.1.1 燃料电池系统44-50
• 3.1.2 磷酸铁锂电池组50-53
• 3.1.3 超级电容器系统53-60
• 3.1.4 DC/DC变换器60-64
• 3.1.5 无刷直流电机系统64-66
• 3.2 电电混合动力系统建模及仿真研究66-72
• 3.2.1 整车车辆模型研究66-68
• 3.2.2 基于Advisor的混合动力系统建模研究68-69
• 3.2.3 基于开关式控制策略的动力系统仿真分析69-72
• 3.3 本章小结72-73
• 第4章 电电混合动力系统能量流多模型控制研究73-101
• 4.1 动力系统能量管理模式研究73-78
• 4.1.1 能量管理系统问题解析73
• 4.1.2 整车控制系统结构研究73-74
• 4.1.3 动力系统能量管理模式研究74-78
• 4.2 基于鲁棒控制理论的多模型分层切换控制研究78-86
• 4.2.1 多模型分层切换控制结构设计78-80
• 4.2.2 不确定模型集合描述80
• 4.2.3 监督器设计80-85
• 4.2.4 控制器集合设计85-86
• 4.3 动力系统能量流多模型切换控制研究86-99
• 4.3.1 动力系统能量流管理结构设计86
• 4.3.2 驾驶信息及道路状态识别86-91
• 4.3.3 不同模式下动力系统能量分配关系及模型研究91-93
• 4.3.4 基于模糊监督规则的动力系统能量流多模型切换控制研究93-96
• 4.3.5 燃料电池系统输出功率神经网络预测控制策略研究96-99
• 4.4 本章小结99-101
• 第5章 整车动力系统管理策略仿真及优化研究101-116
• 5.1 整车经济性及动力性指标解析101-102
• 5.1.1 整车燃料经济性指标101
• 5.1.2 整车动力性指标101-102
• 5.2 基于多模型切换控制的动力系统管理策略仿真分析102-111
• 5.2.1 整车行驶工况及仿真参数研究102-105
• 5.2.2 动力系统功率跟随模式管理策略分析105-107
• 5.2.3 嵌入多模型能量管理策略的动力系统仿真结果分析107-111
• 5.3 整车动力系统结构及混合度优化研究111-115
• 5.3.1 不同配置动力系统的仿真计算结果对比111-114
• 5.3.2 动力系统结构及混合度优化114-115
• 5.4 本章小结115-116
• 第6章 总结与展望116-119
• 6.1 全文内容总结116-117
• 6.2 本文创新点117
• 6.3 工作展望117-119
• 致谢119-120
• 参考文献120-126
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目126-128

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