面向节能的汽车发动机热管理系统建模与优化控制

随着汽车技术的发展,汽车发动机逐渐演变成为“机-电-热”耦合的高度复杂系统。现有的发动机电控系统主要关注动力-电力链的控制,缺少考虑热力链的优化控制研究。而热力链的优化控制是避免发动机爆震、燃油胶化的有效手段,也是实现发动机高效运行的必要技术。研究表明,针对热力链优化控制的热管理系统预计拥有10-15%的节油潜力。然而,发动机热管理系统的建模与控制仍面临诸多挑战:(1)现有的建模方法均面向冷却系统的结构设计与热力学分析,虽然模型精度高,但是难以用于控制器的设计与分析;(2)冷却系统加热/散热/对流传热过程的非线性特性、冷却液的传输延迟以及车速等外部扰动,对热管理系统的高精度跟踪控制带来了挑战;(3)大惯性传热过程的慢变特性与动力传递过程的快变特性之间的矛盾,导致热管理系统优化控制策略的选取与嵌入式系统实现受到限制;(4)多能量源动力系统中电能储存元(电池)和热能储存元(发动机)存在严重的耦合关系,给面向节能的能量-热量一体化实时优化控制带来了挑战。围绕上述问题,本文在热管理系统热力学建模和实时优化控制两方面进行了研究,具体内容如下:(1)针对以部件划分温度区域的模型阶次高,难以用于控制器设计的问题,提出了以介质划分温度区域的冷却系统三阶热力学模型及产热/散热/对流传热过程机理模型。面向嵌入式系统的实时计算需求,通过忽略介质之间的温度差异,在不降低模型稳态精度的前提下进一步降低了模型阶次,该降阶模型兼顾了热管理系统对模型复杂度和精度的需求。(2)面向冷却液温度跟踪控制的需求,针对冷却液传输延迟、模型误差等不可测扰动问题,提出了基于史密斯预估器和扩张状态观测器的温度跟踪控制架构,实现了延迟及扰动补偿与控制器设计的独立。针对SISO冷却系统中加热/散热/对流传热过程的非线性,提出了冷却液温度的非线性三步跟踪控制方法;针对MISO冷却系统的过驱动问题,引入冷却系统功耗作为优化目标限制控制律的自由度,提出了冷却液温度的滚动优化控制方法,与传统开关控制及PI控制相比,显著提高了控制精度和响应速度。(3)针对内燃动力系统的“机-电-热”耦合特性,提出了基于能量-热量一体化优化的油耗最优控制策略。针对大惯性传热过程的慢变与动力传递过程的快变之间的矛盾,采用极大值原理实现了油耗最优控制策略的嵌入式系统实时求解。进一步,针对未来需求车速未知的油耗最优控制问题,提出了基于马尔可夫链车速估计器的随机动态规划控制方法,利用经验车速信息实现了次优求解。(4)面向油电混合动力系统的“机-电-热”一体化控制需求,提出了基于极大值原理和前向动态规划的单/多时间尺度分层优化控制方法,将优化问题中预测时域、控制间隔和模型阶次的矛盾拆分至控制系统的不同层级。仿真表明,与基于前向动态规划的集中式控制方法相比,分层控制方法显著提高了计算效率;与传统能量管理策略相比,基于分层控制方法的集成能量及热量管理策略具有约8%的节油潜力。论文对所提及的发动机热管理控制策略都进行了详尽的推导及有效性验证,实现了从理论到应用的系统研究。在本文的研究基础上,今后将进一步研究智能交通环境下的研究智能交通环境下的多能量源动力系统能量-热量一体化控制以及考虑状态约束的动态优化快速求解方法。