JME特邀专栏丨汽车先进动力系统设计、优化与控制专栏(下)
特邀专栏
随着汽车技术的不断进步，汽车的电动化与智能化进程不断加快，动力系统作为汽车的“心脏”也正朝着安全、高效、智能、复合的方向发展。汽车的先进动力系统既是汽车技术中复杂性最高、难度最大的一环，也是整个汽车系统中最为关键的部分，引起了国内外学术界与工业界的广泛关注。近几年，混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车以及智能汽车等相关技术如雨后春笋般层出不穷，极大促进了汽车动力系统复杂动力学与控制技术的发展。
为此，《机械工程学报》编辑部组织策划了特邀专栏——汽车先进动力系统设计、优化与控制专栏。根据来稿内容专业分布不同，《机械工程学报》2017年14期、16期分别刊载发行。今天，我们一起回顾本专栏16期的主要内容。
文章目录一览
王钦普 游思雄 李 亮 杨 超
胡晓松 唐小林
张 雷 胡晓松 王震坡
宋传学 周 放 肖 峰 常 成 邵玉龙
刘 锋 刘 辉 项昌乐 韩立金 吴云豪 展召彬
刘永刚 李 杰 秦大同 雷贞贞 解庆波 杨 阳
彭国彬 姜 燕 刘 平 黄守道 何仁浩
卢山峰 徐 兴 陈 龙 王 峰 王吴杰
陈 征 刘亚辉 杨 芳
张利鹏 李 亮 祁炳楠
苑 昆 靳添絮 刘 立 陈亚珏 张 军 商铁军
臧怀泉 戴 彦 张素燕 邸聪那
文章题目：插电式混合动力汽车能量管理策略研究综述
插电式混合动力汽车(Plug-in hybrid electric vehicles, PHEV)作为传统混合动力汽车向电动汽车的过渡车型，因电功率提升使得混合动力汽车具有深度混合特性，可高效可靠地应对汽车全工况功效需求，因而在新能源汽车领域得到广泛应用。其中，能量管理策略作为插电式混合动力汽车的核心控制逻辑，性能优劣将直接决定整车的经济性、动力性、驾驶性等的好坏，对此出现了大量相关研究文献。基于此，中通客车控股股份有限公司王钦普和清华大学的游思雄、李亮、杨超对近年来插电式混合动力汽车的能量管理策略的研究进展以及发展趋势进行综合分析，并从各策略的优化效果以及实时应用潜力等角度进行评价对比，最后他们对插电式混合动力汽车能量管理策略未来的发展趋势进行了展望。
等效燃油系数 随当前位置及SOC的变化规律
文章题目：电动车辆锂离子动力电池建模方法综述
电动车辆是可持续交通系统的重要组成部分，然而动力电池技术是目前制约电动车辆发展的关键瓶颈技术，其直接造成公众对电动车辆续驶里程、充电时间、安全性等问题的顾虑。为了确保动力电池系统在复杂车载环境下的高效、安全和可靠运行，先进电池管理系统至关重要。由于传感技术目前不能直接测量电池内部关键微观物理量，所以如何建立高保真的电池模型是电池管理系统开发的重要挑战，严重影响电池管理的有效性和鲁棒性。重庆大学的胡晓松、唐小林简述了车用动力电池的种类与性能比较结果，展示锂离子电池在综合性能上的优越性。介绍锂离子电池管理系统的基本功能，强调电池建模的意义和重要性。分别从电学特性模型、热模型、电热耦合模型、老化模型四个方面，较为具体地综述了文献中已有建模方法，并对各种方法进行系统分类。他们重点阐述了面向控制的新模型结构与建模思路，以期促进先进的基于模型的电池管理算法的开发。
锂离子电池管理系统的基本功能
文章题目：超级电容管理技术及在电动汽车中的应用综述
车载电源系统是电动汽车的关键部件之一，直接影响其整车性能和制造成本。超级电容具有功率密度高、内阻小、工作温度范围宽以及循环寿命极长等优点，成为车载电源系统的重要发展方向之一。综述超级电容管理技术的研究现状，包括超级电容建模、状态估计、均衡管理等方面的最新研究进展。具体分析现有SOC和SOH估计算法，着重阐述超级电容老化机理及其影响因素，讨论状态估计方法的发展方向。北京理工大学的张雷、重庆大学的胡晓松和北京理工大学的王震坡针对超级电容在电动汽车中的应用，介绍了复合电源不同拓扑结构及特点，总结现有能量管理策略。此外，阐述超级电容作为独立储能单元的应用情况。最后，对超级电容管理技术的发展和应用前景进行了展望。
超级电容结构
文章题目：基于凸优化的车载复合电源参数匹配
为了应对传统汽车带来的环境和能源问题，新能源汽车如电动汽车和混合动力汽车得到广泛的关注和深入研究，而车载动力源的选择显著影响着新能源车辆的性能和成本。电池和超级电容是两种广泛应用的动力源，电池具有高能量密度，但功率密度和寿命相对较短；超级电容功率密度和寿命很高，但能量密度较低。通过使用功率转换器将两者结合，得到不同拓扑结构的复合电源(Hybrid energy storage system, HESS)。通过制定相应的能量管理策略，复合电源能够同时展现两者的优势，提高车辆性能，并降低成本。吉林大学的宋传学、周放、肖峰等提出了一种电动汽车复合电源参数快速匹配方法，对复合电源参数和能量管理策略同时进行优化。为避免动态规划或者进化算法在求解此类优化问题时出现的计算负担大或结果次优的问题，应用凸优化原理对优化问题进行求解。对复合电源模型进行线性近似，并引入新变量对优化问题中的目标函数和约束进行转换，将优化问题转化为凸优化问题，最后应用Matlab/cvx工具箱进行求解。应用动态规划求解此优化问题并对比优化结果：凸优化和动态规划结果相差在4 %以内，凸优化保证了全局最优；凸优化耗时不超过100 s，明显优于动态规划，有良好的工程应用潜力。凸优化结果表明：通过增加最大不超过60 W•h的超级电容组能够延长电池组一倍的寿命里程，改变凸优化问题的权重可以快速获取所需参数。
复合电源拓扑结构
文章题目：基于多尺度法的电机转子在不平衡磁拉力作用下的自由振动特性分析
即使动平衡精度很高的电机转子，其质量偏心可忽略，但由于车用永磁同步电机工况复杂，换段过程、路面不平度、发动机激励等都可对转子系统形成径向扰动，转子将产生自由涡动，引起动态偏心，进而不平衡磁拉力对电机转子系统的自由涡动产生影响。北京理工大学的刘锋、刘辉、项昌乐等根据转子系统的刚度特性讨论了动力学方程中非线性项系数以确定多尺度法的应用条件，利用该方法得到了不平衡磁拉力作用下转子系统自由振动的解析解并研究其振动特性。由于不平衡磁拉力的非线性使得转子正反自由涡动的复振幅是时变的，其大小保持常数不变而其相位随时间线性变化，其变化率取决于正反涡动的振幅，这将导致正反涡动的频率降低。若正反涡动振幅大小相等且非零则正反涡动频率相等，转子中心运动轨迹为直线；若正反涡动振幅有一个为零，则转子中心轨迹为圆；更一般的情况是正反涡动振幅大小不等且均不为零，两种涡动产生耦合其频率也不再相等，转子自由涡动的轨迹是一个旋转的近似椭圆其位移分量产生调幅现象。当转子涡动振幅不大时，利用多尺度法获得的解析解与数值计算结果吻合较好具有较高的精度。
定转子偏心示意图
文章题目：基于多工况优化算法的混合电动汽车参数优化
协调优化混合动力电动汽车动力系统与能量控制策略的参数是提高燃油经济性的关键。以汽车的动力性能为约束条件，把电池SOC平衡油耗引入目标函数，重庆大学的刘永刚、李杰、秦大同等提出一种采用模拟退火粒子群算法的基于多工况优化混合动力汽车动力系统与控制策略参数的方法。利用MATLAB/Simulink仿真软件进行建模仿真，结果表明，利用该方法可以获取一组参数，在保持汽车动力性、电池SOC平衡的基础上，相对于优化前，在综合工况下油耗降低了5.49%，分工况HWFET、FTP、LA92、US06¬_HWY、UDDS与SC03下油耗分别降低了8.46%、4.62%、3.84%、8.43%、5.56%、4.31%。为了证明本方法优化出的参数在其他工况的通用性，选取NEDC工况进行仿真验证，结果发现，在NEDC工况下油耗降低了8.36%。并进行了实车道路试验，试验结果较好的验证了所提出的基本控制策略的有效性。
道路试验混合动力样车
文章题目：应用qZSI的车用IPMSM驱动系统能效优化控制
湖南大学的彭国彬、姜燕、刘平等针对电动汽车动力电池电压水平较低且驱动系统效率低下的问题，利用准Z源逆变器改善电动汽车用内置式永磁同步电动机驱动系统动力性能，并对系统稳态采用混合效率优化控制。分析准Z源逆变器工作特性，提出一种直流母线电压控制策略，确定准Z源电容电压表达式。系统稳态时采用效率优化控制，推导出电动机损耗表达式，求出气隙电流的励磁分量与转矩分量之间的最优比率，得到直轴电流次优值，再以该值为初始值采用改进型黄金分割法进行二次寻优，该算法寻优速度快且鲁棒性强。同时加入动态定子电流分配，提高电动机动态响应速度。他们的仿真和试验结果表明，所提控制策略能明显提高电动机高速区动力性能和动态响应速度，同时稳态效率提升约4%。
试验系统结果图
文章题目：轮毂电机驱动汽车电子差速与差动助力转向的协调控制
为提高轮毂电机驱动电动汽车转向过程的操纵稳定性和转向轻便性，江苏大学的卢山峰、徐兴、陈龙等提出电子差速与差动助力转向的协调控制方法，通过分配左右轮毂电机的转矩，实现对汽车转向稳定性和转向盘转向助力协调优化控制。分别对电子差速与差动助力转向控制方式进行分析，得出两种控制趋势以及与车辆状态变化响应的一致性，验证了协调控制的可行性；采用设置权重系数的方法设计了协调控制策略。分析车速及转向盘转角对车辆横摆角速度以及驾驶员转向盘转矩的影响，设计出车速自适应的协调控制权重系数。进行Matlab与CarSim的联合仿真以及实车道路试验验证，仿真与道路试验结果均表明协调控制策略兼顾了车辆差速转向稳定性与驾驶员转向盘转向助力的性能，实现了低速时差动助力转向控制为主以降低驾驶员转向手力，高速时电子差速为主以提高车辆稳定性的综合控制目标。
实车试验场景
文章题目：基于进化-增强学习方法的插电式混合动力公交车能量管理策略
插电式混合动力客车越来越多出现在城市公交领域。为了更好地提升车辆的燃油经济性，整车能量管理策略成为一大研究热点。陈征（宁波工程学院）、刘亚辉(清华大学)和杨芳（宁波工程学院）提出了一种基于进化-增强学习方法的插电式混合动力公交车能量优化管理策略。首先，给出简化的车辆模型并基于增强学习系统给出能耗的优化目标函数；其次，针对此优化目标函数给出了初始的控制策略种群，并用进化算法求出最优的能量控制策略和最优能耗值；最后，通过仿真分析验证了算法的有效性。提出的新方法相对传统的电量消耗-维持(Charge depleting charge sustaining, CDCS)策略减少了大约12%的花费。
公交车的构型示意图
文章题目：轮毂电机驱动电动汽车侧倾稳定性解耦控制
基于轮毂电机的力矩主动分配实现电动汽车的侧倾稳定性控制。张利鹏(燕山大学、清华大学)、李亮(清华大学)、祁炳楠(燕山大学)建立了轮毂电机驱动整车虚拟样机模型并通过了试验验证；以横摆角速度和质心侧偏角为状态变量，设计基于模型预测控制的横摆稳定性控制器，以侧倾角速度和侧倾角为状态变量，设计基于反馈最优控制的侧倾稳定性控制器；基于空间运动解耦进行四轮驱动转矩的底层协调分配，在此基础上实现了兼顾整车横摆运动的轮毂电机驱动电动汽车的侧倾稳定性控制。研究表明，轮毂电机驱动具有常规半轴驱动所不具备的整车空间稳定性大强度控制能力，利用所提出的横摆和侧倾运动联合解耦控制方法，可以在保证横摆稳定性的前提下有效控制侧倾运动，从而大幅提高整车的空间稳定性。
轮毂电机驱动整车模型
文章题目：混合动力地下铲运机功率跟随控制策略
地下铲运机是一种用于井下矿石装载运输的专用工程车辆，是实现地下矿山规模化开采的重要装备。燃油消耗占地下铲运机运行总成本的12%，改善燃油经济性可以降低矿山的开采成本。采用混合动力技术改善油耗，已在汽车上成为一种有效的解决方案，并在工程车辆领域得到关注。为改善地下铲运机燃油经济性，北京科技大学的苑昆、靳添絮、刘立等研究了系统动力分配策略。通过分析14 t级地下铲运机工况特点，提出串联混合动力系统结构。分析了系统的功率链关系，针对该系统提出了一种双层控制结构的功率跟随控制策略。通过判断系统状态，控制发动机转速及发电机功率，实现了发动机动力的合理分配。对样机进行场地试验，结果表明：该策略能有效的控制混合动力地下铲运机运行，与传统柴油地下铲运机相比节油效果达到25.9%，实现了节能目的。
地下试验巷道内的样车试验
文章题目：一种基于相对滑移率的电动汽车电子差速控制方法研究
针对轮毂式电动汽车在转弯时存在驱动轮相对滑移率受外界干扰大的问题，燕山大学的臧怀泉、戴彦、张素燕等提出了一种基于相对滑移率的电动汽车电子差速控制方法，设计了基于最优控制和滑模控制的线性二次型最优滑模控制器。采用前轮转向后轮驱动的轮毂式电动汽车作为研究对象，针对其电动汽车电子差速控制系统的操纵稳定性特点，构建包含电动电动汽车纵向、侧向和横向运动的三自由度整车仿真模型，经过线性模型化将电动汽车的驱动相对滑移率作为反馈控制量，通过控制汽车的转矩协调百分比来控制驱动轮的输出转矩，从而控制了驱动轮的相对滑移率。仿真结果表明，该控制方法实现了车辆在转弯过程中驱动轮的相对滑移率最小，且提高了电子差速系统的抗干扰能力，有效地增强了系统的鲁棒稳定性，提高了车辆的行驶安全性。
整车动力学模型
下载专区
对本期特邀专栏文章内容感兴趣的朋友，请在我们的微信公众号回复“20170914”免费下载全文阅读！文件较大，珍惜流量，请在WiFi环境下载。
推荐阅读
版权声明：
本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！
在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!
联系我们：
联系人：张强
电话：010-88379891-2
E-mail：cjmezhang@126.com
网 址：http://www.cjmenet.com.cn
官方微信号：jmewechat