一种插电式混合动力汽车的实时优化能量管理方法与流程

本发明应用于插电式混合动力汽车(plug-inhybridelectricvehicle，phev)，主要针对车辆的能量管理方法，对其进行实时优化。

背景技术：

目前，纯电动汽车的发展受到了续驶里程短，电池成本高等问题的制约，如果电池技术得不到突破，那么这些制约也很难得到解决。而常规混合动力汽车也存在一些问题，比如价格较高、仍然较多的使用汽油或柴油、纯电动续驶能力较差，因此前景并不太乐观。在这种情况下，为了进一步减少排放，提高燃油经济性，插电式混合动力汽车是当前解决这些问题的一种过渡方案，区别于传统汽油动力与电驱动结合的混合动力，插电式混合动力驱动原理、驱动单元与电动车相同，唯一不同的是车上装备有一台发动机。

插电式混合动力汽车在理论上易于实现最优的燃油经济性和排放，但由于结构过于复杂，控制方法目前仍不成熟，需要进一步优化。一般的控制方法通常是根据电池的soc，需求转矩、车速和驱动轮的平均功率等参数，按照一定的规则控制发动机和电机的转矩分配，以满足驱动轮驱动力矩的要求。目前公开发表，针对常规混合动力汽车的控制方法，主要有基于规则的稳态能量管理方法、全局最优能量管理方法等。

基于规则的能量管理控制方法主要是根据工程设计人员的工程经验和发动机稳态效率图来制定，它没有考虑动态下各个部件的运行状态变化，控制规则也是事先制定好并且是固定不变的，因此，不能达到整体最优。

全局最优控制方法只能针对某一个特定的循环工况，并且动力电池组最终的荷电状态也要实现设定。因此，在无法获得实际运行工况全部信息的情况下，全局最优控制方法应用于整车实时控制还存在较大困难。

技术实现要素：

针对现有管理方法的不足，本发明提供了一种基于混杂系统的实时优化能量管理方法，该方法制定了以每个时刻总的燃油消耗作为优化目标求解控制变量(发动机/电机的输出转矩)，在行驶工况未知的情况下实现每个时刻的燃油消耗最小。其节油效果优于基于规则的能量管理方法，而且没有全局优化能量管理方法需要行驶工况已知的约束条件。具体技术方案如下：

一种插电式混合动力汽车的实时优化能量管理方法，包括如下步骤：

1)根据式(11)及式(12)计算当前状态的需求转矩与功率：

2)在系统各项约束条件下，计算混合动力汽车在行驶过程中可能经历的工作点的燃油消耗；

3)以燃油消耗作为优化目标求解控制变量，即发动机与电机的输出转矩，燃油消耗最小的工作点即为当前状态下混合动力汽车的工作点。

进一步的，首先需要根据车速与加速踏板信号决定是否起动车辆，然后判断目前的动力需求是否满足，是否需要换档，最后根据phev当前运行状态，以整车效率最优为原则初步确定工作模式；如果存在工作模式切换要求，判断对部件寿命和可靠性的影响；在满足驾驶舒适性前提下，进行动态协调控制；工作模式确定后，通过能量管理方法寻找最优效率的发动机、电机扭矩分配比，确定其扭矩需求，进行相应的控制。

附图说明

图1为phev控制方法示意图；

图2为phev系统的运行过程示意图；

图3为phev控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

把混杂系统理论引入phev系统中，将控制理论的优化算法应用到能量管理方法中，具体如下：

如图1所示，控制方法的本质是实时分配发动机和电机的动力输出，既要满足驾驶员对整车驱动力的需求，同时又要优化发动机、电机、蓄电池以及整车的效率，而且，动力分配过程还受到发动机最高转速，电机最高转速，发动机最大功率，电机最大功率等条件的限制。

如图2所示，整车控制器首先需要根据车速与加速踏板信号决定是否起动车辆，然后判断目前的动力需求是否满足，是否需要换档，最后根据phev当前运行状态，以整车效率最优为原则初步确定工作模式；如果存在工作模式切换要求，需要判断对部件寿命和可靠性的影响；在满足驾驶舒适性前提下，进行动态协调控制；工作模式确定后，通过能量管理方法寻找最优效率的发动机、电机扭矩分配比，确定其扭矩需求，对各部件进行相应的控制。

phev系统是一个典型的混杂系统。车辆运行过程是连续动态系统，可以用车辆动力学微分方程来描述；而不同运行模式之间的控制过程是典型的离散事件动态系统，这些状态是离散的，状态之间通过离散事件的触发进行条件转移。phev系统的各个子部件可以组合成多种运行模式，每一种运行模式可以看作是汽车的一种状态，这些状态之间的切换可以看成是由一系列离散事件造成的，这些离散事件所造成的结果是系统完成不同工作模式之间的转换。phev系统可以被描述成一系列集合。其形式如式(1)所示。

h＝(t,q,e,x,u,y,p,i0,δ,r)(1)

其中，e为有限离散事件集合；x为连续动态系统状态空间集；为连续系统输入空间(如发动机转矩、电机转矩以及电机的开关控制与发动机的开关控制)；为连续系统输出空间；为系统初值；为系统参数空间。

phev系统的时间轨迹定义为：

t＝{ii}(i＝1,2,...,n)(2)

phev系统的每一种运行模式都有相应的向量场描述其连续动态，将其表示为集合，如式(3)所示。

q(t)∈q＝{q1(t),q2(t),...,qn(t)}(3)

phev系统的状态轨迹域h(t)，定义为函数h:i→x×q。其中，i∈t表示时段。phev系统的状态轨迹一般是分段连续的，如式(4)所示。

(x(t),q)∈h(t)(4)

对每个时间区间叫做一个时段。在每个时段内，动态系统连续地变化，离散事件状态为常数。在ti＝t′i+1时刻，由于离散事件的发生，系统的模式进行切换，该时刻称为切换瞬间。

phev系统的模式切换条件函数，简称切换条件。对任意一个模式q∈q，假设有一个从模式q出发的切换集合为前导模式q存在的总的可能切换个数。那么，随着离散事件的发生，系统切换到哪一个模式，取决于满足相应的切换函数。

phev系统从前导模式切换到后继模式由映δ来描述。

其中，映射δ称为模式切换函数。其中，s^(q)(j):j^(q)→q。映射s^(q)(j)表示由前导模式q的第j∈j^(q)个切换条件诱发的后继模式。

phev系统在模式的切换时刻，由于phev系统的某些状态变量可能产生跃变。在转移到后继模式后，后继模式的连续动态系统存在着初值问题。系统后继模式的初值由复位映射来确定。

综上所述，phev系统的动态由下列的微分方程、输出函数、模式切换函数以及复位函数来描述:

设t0为初始时刻，phev系统的初始状态为运行模式为q(t)＝q0，连续状态由微分方程来描述。假设对控制输入u(t)∈u，微分方程存在唯一解，并且在下一个离散事件到来之前，方程的解都存在。初始运行模式的时间区间表示为[τ0,τ1)。随着离散事件的发生，运行模式的时间区间依次表示为[τ1,τ2),...,[τn,τn+1)，其中，n∈z+。对任意时间t∈t，离散事件的发生都可能导致系统运行模式发生变化。系统运行模式的切换由切换函数来描述。表示在时间t，离散事件e将系统从模式q-(t)切换到q+(t)。同时，由于系统切换到后继模式下运行，系统的状态变量可能要发生跃变，即从系统状态变化到状态的变化由复位函数来描述。phev系统切换到后继模式后，如果又有离散事件发生，系统将沿由方程(7)描述的轨迹继续运行。

“-”表示离散事件发生之前时刻，“+”表示发生之后时刻。q-(t)和表示离散事件。e∈e发生前的前导模式和连续状态，q+(t)和分别表示为事件发生后的后继模式和连续状态，图3所示为phev系统的运行过程示意图。

整车控制器首先需要根据车速与加速踏板信号决定是否起动车辆，然后判断目前的动力需求是否满足，是否需要换档，最后根据phev当前运行状态，以整车效率最优为原则初步确定工作模式；如果存在工作模式切换要求，需要判断对部件寿命和可靠性的影响；在满足驾驶舒适性前提下，进行动态协调控制；工作模式确定后，通过能量管理方法寻找最优效率的发动机、电机扭矩分配比，确定其扭矩需求，对各部件进行相应的控制。

在每种特定模式下，混合动力汽车的运行状态是连续的，其状态方程可表示为：

式中，u为控制变量；k为控制运行模式的变量。k(t)∈{1,2,...,k,...,n}

当phev系统由模式k1的状态跳变到模式k2的状态时，系统的消耗函数由以下几方面组成：用来衡量系统在[tk,tk+1]时间段运行在模式k1下的消耗；mk1,k2(xk1,xk2)用来表示由模式k1的状态xk1，跳变到模式k2的状态xk2的消耗(在phev系统中mk1,k2(xk1,xk2)远小于这里假设其为零)。

phev系统控制方法的优化就是通过对系统状态，状态之间的切换和输入的约束使得目标函数最小。将电机消耗的电能折算成发动机提供相等能量所消耗的燃油，再加上制动回收的能量与发动机实际的燃油消耗，计算此燃油消耗的最小值，并选与此燃油消耗最小值所对应的点作为当前发动机与电机的工作点，系统的控制变量还应满足以下约束条件，如式(9)所示。

行驶工况下，phev系统在每个时刻的燃油消耗函数如式(4-41)所示。

式中，be(t)为发动机的比油耗(g/kwh)。为电池系统充电效率；ηbatt_dis为电池系统放电效率；ηem为电机效率。

对已知特性的发动机与电机，本发明制定了一种针对phev燃油消耗进行实时优化的能量管理方法，具体实现步骤如下：

1.根据式(11)及式(12)计算当前状态的需求转矩与功率；

2.在系统各项约束条件下，如式(9)所示，根据式(10)计算混合动力汽车在行驶过程中可能经历的工作点的燃油消耗；

3.以燃油消耗作为优化目标求解控制变量(发动机与电机的输出转矩)，燃油消耗最小的工作点即为当前状态下混合动力汽车的工作点。