一种混合动力汽车能源匹配方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明适用于混合动力汽车【技术领域】，提供了一种混合动力汽车能源匹配方法：接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围；根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合；根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。本发明考虑了不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异，也就是，对不同的能源匹配采用不同的约束来判断其有效性；本发明在评价各匹配的燃油经济性时均采用了基于最优控制理论的混合动力汽车能量管理策略，这样可以对每个能源匹配都得出最优燃油消耗结果，从而使得可以对各匹配的燃油消耗结果进行公平的比较，并可以节省大量的仿真时间。
【专利说明】一种混合动力汽车能源匹配方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于混合动力汽车【技术领域】，尤其涉及一种混合动力汽车能源匹配方法及系统。
【背景技术】
[0002]能源匹配是混合动力汽车设计的首要阶段，匹配完成之后才能进行后续的设计工作。能源匹配结果直接影响混合动力汽车的性能，如驾驶性能和燃油经济性和总成本等因素。混合动力汽车能源匹配的标准通常是找出燃油经济性最好的或者是总成本最低的或者是满足其他条件的匹配，其中，最常用的匹配标准是燃油经济性。混合动力汽车的燃油消耗量在很大程度上受能量管理策略的影响，如果采用不同的能量管理策略时得到的最佳能源匹配不同，那将失去匹配的意义。这对混合动力汽车能源匹配时的能量管理策略提出了相应的要求。最佳能源匹配是根据匹配标准选取的，但它首先要满足车辆驾驶性能的要求，如车辆最大速度、爬坡性能、加速度要求等。因此，需要首先根据上述要求选定有效的能源匹配组合，之后从这些组合中选取最佳能源匹配。在这里，选定有效的能源匹配组合时要考虑不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异。
[0003]目前，一些学者对混合动力汽车的能源匹配进行了研究。有些学者在选定有效的能源匹配组合时并没有考虑不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异，因此，他们对所有的能源匹配组合采用了同样的约束来判断其有效性。另有一些学者在根据与燃油消耗有关的匹配标准选取最佳能源匹配时，采用了考虑电池使用范围的能量管理策略对各能源匹配进行了比较。这种方法可能导致的问题是当采用其他混合动力汽车能量管理策略时最佳能源匹配可能发生变化。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种混合动力汽车能源匹配方法及系统，旨在解决现有技术中存在的在选定有效的能源匹配组合时并没有考虑不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异的问题；以及在根据与燃油消耗有关的匹配标准选取最佳能源匹配时，采用了考虑电池使用范围的能量管理策略对各能源匹配进行了比较，但这种方法可能导致的问题是当采用其他混合动力汽车能量管理策略时最佳能源匹配可能发生变化的问题。
[0005]第一方面，本发明提供了一种混合动力汽车能源匹配方法，所述方法包括以下步骤:
[0006]接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围；
[0007]根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合；
[0008]根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。
[0009]第二方面，本发明提供了一种混合动力汽车能源匹配系统，所述系统包括:
[0010]接收模块，用于接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围；
[0011]筛选模块，用于根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合；
[0012]选取模块，用于根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。
[0013]在本发明中，本发明实施例在选择最佳的混合动力汽车能源匹配时，首先根据车辆驾驶性能的要求对考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，从而筛选出有效匹配组合。本实施例考虑了不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异，也就是，对不同的能源匹配采用不同的约束来判断其有效性。然后根据匹配标准在筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。本发明实施例在评价各匹配的燃油经济性时均采用了基于最优控制理论的混合动力汽车能量管理策略，这样可以对每个能源匹配都得出最优燃油消耗结果，从而使得可以对各匹配的燃油消耗结果进行公平的比较，并可以节省大量的仿真时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例提供的混合动力汽车能源匹配方法的实现流程示意图；
[0015]图2是本发明实施例提供的混合动力汽车的能量流向示意图；
[0016]图3是本发明实施例提供的根据所要设计的混合动力汽车的规格指定两个能源的规格考虑范围的不例图；
[0017]图4是本发明实施例提供的根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合的示例图。
[0018]图5是本发明实施例提供的根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配的示例图。
[0019]图6是本发明实施例提供的根据车辆驾驶性能要求判断能源匹配(X，y)是否有效的示例图。
[0020]图7是本发明实施例提供的判断四个能源匹配的有效性的示例图。
[0021]图8是本发明实施例提供的混合动力汽车能源匹配系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]本发明实施例在选择最佳的混合动力汽车能源匹配时，首先根据车辆驾驶性能的要求对考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，从而筛选出有效匹配组合。本实施例考虑了不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异，也就是，对不同的能源匹配采用不同的约束来判断其有效性。然后根据匹配标准在筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。本发明实施例在评价各匹配的燃油经济性时均采用了基于最优控制理论的混合动力汽车能量管理策略，这样可以对每个能源匹配都得出最优燃油消耗结果，从而使得可以对各匹配的燃油消耗结果进行公平的比较。
[0024]为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0025]实施例一:
[0026]请参阅图1，为本发明实施例提供的混合动力汽车能源匹配方法的实现流程，其包括以下步骤:
[0027]在步骤SlOl中，接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围；
[0028]在本发明实施例中，图2是本发明实施例提供的混合动力汽车的能量流向示意图。混合动力汽车通常使用两个能源，即一个主能源和一个辅助能源。主能源在给车辆提供动力的同时也可以将一部分能量传递给辅助能源。常见的主能源有发动机和燃料电池系统。辅助能源向车辆提供动力的同时也具有回收车辆制动能量的功能。常用辅助能源为具有回收能量功能的电池、超级电容等。在设计混合动力汽车时，首先要对上述两个能源进行能源匹配即选定两个能源的规格。
[0029]如图3所示，然而，可以理解的是，设计者根据以往设计的经验对不同规格的车辆如小型、中型、大型给出两个能源的规格考虑范围，再从每个能源的规格考虑范围内以等差数列的方式选出几个待评估的能源规格，再对两个能源的待评估规格进行组合。这时，等差数列的公差选得越小，最后结果越准确。
[0030]在步骤S102中，根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合；
[0031]在本发明实施例中，车辆驾驶性能要求包括车辆最大速度、爬坡性能以及加速度要求等。如图4所示，为根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合的示例图。
[0032]在步骤S103中，根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。
[0033]然而，可以理解的是，本发明实施例中的匹配标准可以是混合动力汽车的燃油经济性或总成本或其他因素。如图5所示，为根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配的示例图。
[0034]下面详细说明步骤S102的具体流程。
[0035]车辆驾驶性能要求中的车辆最大速度是车辆在平地上能保持匀速行驶的最大速度，爬坡性能是车辆在指定的斜坡上能保持匀速行驶的最大速度或是车辆以指定速度保持匀速行驶的最大坡度。车辆在行驶过程中所需的功率如下式:
[0036]P = (Fres+Facc).V
[0037]Fres = M.g.fr.cos α +0.5 P a.Cd.Af.ν2+Μ.g.sin a
[0038]Facc = M.a (I)
[0039]其中，P为车辆行驶所需的总功率，Fres为车辆在行驶过程中需要克服的总阻力，Facc为车辆加速所需的力，V为车速，M为车辆质量，g为重力加速度，fr为滚动阻力系数，α为地面的坡度，P a为空气密度，Cd为空气阻力系数，Af为车辆最大截面面积，a为车辆的加速度。上述两项车辆驾驶性能要求均涉及到匀速行驶。通常，混合动力汽车的主能源应具备满足这两项驾驶性能要求的能力。从上述公式(I)可以看出，车辆在匀速行驶时Fa。。为零，因此，这时只需考虑Fms即可。将上述两项驾驶性能要求数值(要求车速和坡度，其他参数都已知)代入到公式(I)，可以得出分别对应于两项驾驶性能要求的功率值。主能源的功率应大于等于其中较大的值，在这里将较大值标记为A。最后一个车辆驾驶性能要求即加速度要求通常用车辆从静止加速到指定速度所需的时间来描述。车辆在满足这一项驾驶性能要求时所需的功率相对很大，因此，需要由两个能源共同承担。将这一项驾驶性能要求数值(由要求时间推算出的加速度和速度，这时的坡度为零)代入到公式(I)，可以得出车辆在这一加速过程中所需的功率值，在这里标记为B。由这一功率值B以及上述获取的主能源功率条件A，可以得出辅助能源功率应满足的条件，即辅助能源功率应大于等于B-A。
[0040]请参阅图6，为根据上述三个车辆驾驶性能要求判断能源匹配(X，y)是否有效的结果。图中，有效区域和无效区域是根据主能源功率应大于等于A和辅助能源功率应大于等于B-A这两项区分的。可以看出，能源匹配(x，y)在有效区域里，因此，(x, y)是有效的。每一个能源匹配都经过图3的判断，最后选出有效的能源匹配组合。不同的能源匹配将导致车辆动力系统的质量差异，因此，针对每一个能源匹配都要重新考虑车辆驾驶性能约束的问题。图7为判断四个能源匹配的有效性的例子。可以看出，对每个能源匹配都存在相应的划分有效区域和无效区域的约束曲线。经判断，图中有一个能源匹配是无效的，其他三个都有效。
[0041]下面详细说明步骤S103的具体流程。
[0042]根据匹配标准在所述筛选出的有效能源匹配组合中选取最佳能源匹配时，若匹配标准涉及到燃油消耗，需要对每个能源匹配的燃油消耗量进行公平的比较，也就是不能让燃油消耗的比较结果依赖于混合动力汽车的能量管理策略。因此，本实施例应用基于最优控制理论的能量管理策略。这样，每个能源匹配的燃油消耗结果都是最优结果，因此，可以对每个能源匹配进行公平的比较。在这里，本实施例应用的最优控制理论是庞特里亚金最小值原理，其应用如下:
[0043]在混合动力汽车中，最优控制的目标是使主能源和辅助能源之间的动力分配达到最优化，从而使燃油消耗量达到最小值。庞特里亚金最小值原理以实时提供最优化的必要条件的方式来实现这个目标。在混合动力汽车的控制问题中，状态变量为辅助能源的电荷状态，控制变量为一能源的动力。根据庞特里亚金最小值原理，当定义汉密尔顿函数为(2)时，
[0044]//(SOC(Z),P(/),/;(/)) = m(P(/)) + ;;(/)-F(5C>C(7),P(Z))⑵
[0045]实现混合动力汽车最优控制的必要条件如下:
?P/-/
[0046]SOC(t) = ^-{SOC{t),F(?,P (?) = F(SOC (t),F (?)
op
[0047]
?PiHr)F
,⑴=_盖(奶曝#⑹=_州
H(SOC\t\P\t),p(t))<H(SOC(t),P(t),p(t))⑶
[0048]其中，H为汉密尔顿函数，jn为主能源的燃油消耗率，P为控制变量即一能源的动力，F为辅助能源的状态函数，P为拉格朗日乘子即控制参数，在这里也叫共同状态变量，SOC为状态变量即辅助能源的电荷状态，t为时间。必要条件(3)要在车辆的整个行驶过程中始终满足，这样才能保证混合动力汽车的最优控制结果。(3)中的第一个必要条件为系统的状态方程，在这里表示状态变量的动态变化；第二个必要条件实时给出最优控制参数值；第三个必要条件实时决定最优控制变量的值，也就是使汉密尔顿函数为最小值的控制变量值。针对某个给定的车辆行驶工况，对每一个能源匹配都使辅助能源的最终电荷状态等于初始电荷状态，这样可以得到公平的燃油消耗比较结果。与其他最优控制理论相比，庞特里亚金最小值原理所需的计算时间相对很短。这对需要大量计算的能源匹配过程很有意义。
[0049]请参阅图8，为本发明实施例提供的混合动力汽车能源匹配系统的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。所述混合动力汽车能源匹配系统包括:接收模块101、筛选模块102、以及选取模块103。所述混合动力汽车能源匹配系统可以是软件单元、硬件单元或者是软硬件结合的单元。
[0050]接收模块101，用于接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围；
[0051]在本发明实施例中，混合动力汽车通常使用两个能源，即一个主能源和一个辅助能源。主能源在给车辆提供动力的同时也可以将一部分能量传递给辅助能源。常见的主能源有发动机和燃料电池系统。辅助能源向车辆提供动力的同时也具有回收车辆制动能量的功能。常用辅助能源为具有回收能量功能的电池、超级电容等。在设计混合动力汽车时，首先要对上述两个能源进行能源匹配即选定两个能源的规格。
[0052]然而，可以理解的是，设计者根据以往设计的经验对不同规格的车辆如小型、中型、大型给出两个能源的规格考虑范围，再从每个能源的规格考虑范围内以等差数列的方式选出几个待评估的能源规格，再对两个能源的待评估规格进行组合。这时，等差数列的公差选得越小，最后结果越准确。
[0053]筛选模块102，用于根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合；
[0054]在本发明实施例中，车辆驾驶性能要求包括车辆最大速度、爬坡性能以及加速度要求等。
[0055]选取模块103，用于根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。
[0056]本发明实施例中的匹配标准可以是混合动力汽车的燃油经济性或总成本或其他因素。
[0057]在本发明实施例中，所述筛选模块102采用如下公式计算出有效能源匹配组合:
[0058]P = (Fres+Facc).V
[0059]Fres = M.g.fr.cos α +0.5 P a.Cd.Af.ν2+Μ.g.sin a
[0060]Facc = M.a
[0061]其中，P为车辆行驶所需的总功率，Fres为车辆在行驶过程中需要克服的总阻力，Facc为车辆加速所需的力，V为车速，M为车辆质量，g为重力加速度，fr为滚动阻力系数，α为地面的坡度，P a为空气密度，Cd为空气阻力系数，Af为车辆最大截面面积，a为车辆的加速度。
[0062]在本发明实施例中，所述选取模块103采用如下公式选取最佳能源匹配:
[0063]Η(8Ο€(?\Ρ(?\ρ(?) = ηι(Ρ(0) + ρ(?.F(SOC(i\P(0)
?r)H
[0064]SOC {t) = -^{SOC(?,Pi(?,p (O) = F(SOC (?,F (?)
[0065]
?p)Uρ:Ι7
H(SOC [t)^⑴，/ (0) ^ H(SOC (t),P{t),p it))
[0066]其中，H为汉密尔顿函数，;为主能源的燃油消耗率，P为控制变量即一能源的动力，F为辅助能源的状态函数，P为拉格朗日乘子即控制参数，在这里也叫共同状态变量，SOC为状态变量即辅助能源的电荷状态，t为时间。
[0067]综上所述，本发明实施例在选择最佳的混合动力汽车能源匹配时，首先根据车辆驾驶性能的要求对考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，从而筛选出有效匹配组合。本实施例考虑了不同的能源匹配导致的动力系统的质量差异，也就是，对不同的能源匹配采用不同的约束来判断其有效性。然后根据匹配标准在筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。本发明实施例在评价各匹配的燃油经济性时均采用了基于最优控制理论的混合动力汽车能量管理策略，这样可以对每个能源匹配都得出最优燃油消耗结果，从而使得可以对各匹配的燃油消耗结果进行公平的比较，并可以节省大量的仿真时间。
[0068]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如R0M/RAM、磁盘、光盘等。
[0069]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种混合动力汽车能源匹配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围； 根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合； 根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。
2.如权利要求1所述的混合动力汽车能源匹配方法，其特征在于，所述两个能源分别为一个主能源和一个辅助能源。
3.如权利要求1所述的混合动力汽车能源匹配方法，其特征在于，所述车辆驾驶性能要求包括车辆最大速度、爬坡性能以及加速度要求。
4.如权利要求1所述的混合动力汽车能源匹配方法，其特征在于，所述根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合，其采用的公式如下:
P = (Fres+Facc).V
Fres = M.g.fr.cos α +0.5 P a.Cd.Af.ν2+Μ.g.sin a
Facc = M.a 其中，P为车辆行驶所需的总功率，Fres为车辆在行驶过程中需要克服的总阻力，Fa。。为车辆加速所需的力，V为车速，M为车辆质量，g为重力加速度，fr为滚动阻力系数，α为地面的坡度，P a为空气密度，Cd为空气阻力系数,Af为车辆最大截面面积,a为车辆的加速度。
5.如权利要求1所述的混合动力汽车能源匹配方法，其特征在于，所述根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配，其采用的公式如下: 昨om尸⑴，/)(/))=々尸(O)+/)(/).F(仍m尸⑴) SOC (O=^-(SOC (O,产⑴⑴)=F (SOC (O,严(O)
aP?P)UP)I7 /W = — H (SOC (t、F ⑴,// ⑴)< H(SOC (t)，P (J),p {?) 其中，H为汉密尔顿函数，:为主能源的燃油消耗率，P为控制变量即一能源的动力，F为辅助能源的状态函数，P为拉格朗日乘子即控制参数，在这里也叫共同状态变量，SOC为状态变量即辅助能源的电荷状态，t为时间。
6.一种混合动力汽车能源匹配系统，其特征在于，所述系统包括: 接收模块，用于接收指定的符合所要设计的混合动力汽车的规格的两个能源的规格考虑范围； 筛选模块，用于根据车辆驾驶性能的要求对所述规格考虑范围内的能源匹配组合进行筛选，筛选出有效匹配组合； 选取模块，用于根据匹配标准在所述筛选出的有效匹配组合中选取最佳能源匹配。
7.如权利要求6所述的混合动力汽车能源匹配系统，其特征在于，所述两个能源分别为一个主能源和一个辅助能源。
8.如权利要求6所述的混合动力汽车能源匹配系统，其特征在于，所述车辆驾驶性能要求包括车辆最大速度、爬坡性能以及加速度要求。
9.如权利要求6所述的混合动力汽车能源匹配系统，其特征在于，所述筛选模块采用如下公式计算出有效能源匹配组合:
P = (Fres+Facc).V
Fres = M.g.fr.cos α +0.5 P a.Cd.Af.ν2+Μ.g.sin a
Facc = M.a 其中，P为车辆行驶所需的总功率，Fres为车辆在行驶过程中需要克服的总阻力，Fa。。为车辆加速所需的力，V为车速，M为车辆质量，g为重力加速度，fr为滚动阻力系数，α为地面的坡度，P a为空气密度，Cd为空气阻力系数,Af为车辆最大截面面积,a为车辆的加速度。
10.如权利要求6所述的混合动力汽车能源匹配系统，其特征在于，所述选取模块采用如下公式选取最佳能源匹配: H(SOCU),P(i),p(i)) = m(P(i)) + ρ(?.F(SOQi), Ρ(?)) SOC(t) = ^-[SOC(t),F{t\p (?) = F(SOC: (t),F (t))
op一 ⑴> ⑴⑴ ^(SOC(0,F(0) H[SOC (0，产⑴，/ (O) <^{SOC (t),P ⑷,/ (?) 其中，H为汉密尔顿函数，Jn为主能源的燃油消耗率，P为控制变量即一能源的动力，F为辅助能源的状态函数，P为拉格朗日乘子即控制参数，在这里也叫共同状态变量，SOC为状态变量即辅助能源的电荷状态，t为时间。
【文档编号】G06F19/00GK104175980SQ201410438049
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】郑春花, 徐国卿 申请人:深圳先进技术研究院