基于模型预测控制的纯电动汽车集成热管理系统控制研究

本文主要研究了一种电机与电池集成换热的纯电动汽车集成热管理系统及其控制策略。纯电动汽车的电池、电机性能与其工作温度密切相关,需要设计高效的热管理系统提供保障。在冬季低温环境,独立的电池和电机热管理系统不能充分利用电机和电气元件的废热,因此需要将电池和电机的热管理系统进行集成。同时,电池的加热过程具有时滞的特性,采用传统PID控制等手段无法获得的精度,模型预测控制被认为是改善滞后的有效方法。本文为解决上述问题做了如下工作。首先,本文设计了一种电机与电池集成换热的纯电动汽车集成热管理系统,利用板式换热器连接电池和电机冷却水路,使其具有在低温环境利用电机废热对电池进行加热的功能;其次,对电池和电机的产热原理进行分析,并对热管理系统传热过程进行了推导,建立了热管理系统仿真模型;基于AMESim软件搭建了整车工况仿真模型,并与热管理模型结合,搭建了基于整车工况的热管理性能仿真平台;然后,设计了集成热管理系统控制策略,进行了工作模式划分以及电磁阀、水泵等部件的控制逻辑设计;基于线性时变状态空间模型预测控制策略,设计了电池加热策略,并引入软约束松弛因子优化了模型预测控制求解性能;设计了基于路况信息的电池产热预测方法,并利用预测结果优化模型预测控制的输入扰动参数;最后,进行了实验车辆改装,通过实验验证了建模精度;设计了高温、常温、低温环境的热管理性能测试和评价方法,进行了仿真实验并对本文所设计的集成热管理系统性能进行了分析;通过与PID策略对比分析,验证了模型预测控制策略的效果;通过与电池实时产热输入扰动对比分析,验证了基于路况信息的电池产热预测对模型预测控制性能的影响。