基于智能交通系统的并联PHEV能量管理方法与流程

本发明涉及一种插电式并联混合动力汽车的整车控制方法，尤其涉及一种基于智能交通系统(IntelligentTransportationSystem，ITS)的插电式并联混合动力汽车整车控制方法，属于新能源汽车控制技术领域。

背景技术：
插电式混合动力汽车(Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV)对比混合动力汽车(HybridElectricVehicle，HEV)具有较大容量的蓄电池，并且可以从电网获取电能。PHEV兼具HEV和纯电动汽车(BladeElectricVehicles，BEV)的优点，当电池电量充足时，PHEV处于电量消耗模式(ChargeDepleting，CD)，主要由电机驱动车辆，具有低油耗、低排放的优势；当电池电量较低时，PHEV处于电量维持模式(ChargeSustaining，CS)，发动机作为主要动力源驱动车辆，与传统汽车和HEV具有相同的续驶里程。PHEV构型包括串联、并联及混联等多种形式。并联构型具有结构简单，加工制造容易，动力性和经济性好等优点，并且其构型不涉及专利保护，我国的PHEV多采用此类构型。但是，并联构型PHEV的发动机与车轮存在机械连接，其经济性受工况影响较大。插电式混合动力汽车能量管理策略是PHEV设计的关键问题，目前，实际运行的PHEV多采用基于规则的门限值控制策略(Rule-basedcontrolstrategy，RB)，该种策略计算量小，实时性好，易于车辆控制器编程实现。但是，RB策略的控制门限往往是固定的一组门限，工况适应性较差。PHEV经济性受电池荷电状态(SOC)、车速、行驶里程、路面坡度、温度等多种因素影响，尤其受电池SOC、车速和行驶里程影响较大。当基于门限值能量管理策略的控制门限值固定时，则无法自动适应工况变化的影响。可能造成电池电量提前“耗光”(SOC处于最小允许值)，或者电池电量在行程结束时没用完全使用的情况。研究表明，这两种情况都会使并联PHEV油耗升高，经济性变差。从以上分析可以看出，并联构型PHEV当采用基于规则的能量管理策略时，电池SOC和行驶工况对PHEV油耗会产生更大的影响。为了减少PHEV油耗，有必要设计一种能够自动适应工况变化的PHEV能量管理方法。目前，智能交通系统(IntelligentTransportationSystem，ITS)在我国开始应用和普及，谷歌、百度以及高德等厂商推出了ITS系统服务，如导航、路况查询以及路况预测等。ITS系统的上述功能为PHEV提供了实时路况信息，在此基础上，PHEV控制系统能够从ITS系统中获取行驶里程、道路坡度及拥堵状况(车速分布)等信息。

技术实现要素：
本发明提供一种基于智能交通系统的并联PHEV能量管理方法，使得PHEV能量管理策略的控制参数能够依据前方行驶工况进行在线调整，对电池电量合理分配利用，提高发动机运行效率和PHEV经济性。该主要包括依据预测工况的”参考SOC生成算法”以及“PHEV参数自适应整车控制算法”两部分；其中，“参考SOC生成算法”通过ITS系统获取前方路径行驶里程，道路坡度，红绿灯信号以及车速分布等工况信息，通过工况预测算法生成前方路径的预测工况；依据预测工况计算前方路径的行驶需求功率，车速分布特征以及行驶里程，通过参考SOC算法生成参考SOC(SOCref)；“PHEV参数自适应整车控制算法”依据SOCref对PHEV控制门限参数实现实时在线调整，对发动机和电机转矩进行合理分配。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于智能交通系统的并联PHEV能量管理方法，包括以下步骤：步骤一、车辆控制系统将车辆位置信息和目的地信息发送给ITS系统；步骤二、ITS系统根据车辆当前位置信息和目的地信息获得规划的行驶路径并计算行驶路径的工况特征参数；步骤三、ITS系统将所述步骤二获得的行驶路径和工况特征参数发送给HCU；步骤四、HCU根据获得的路况特征参数计算预测工况车速-时间历程；步骤五、计算生成参考SOC：根据步骤四计算得到的预测工况车速-时间历程以及步骤二获得的工况特征参数，规划电池电量使用，生成参考SOC；步骤六、计算整车控制门限调整参数：以步骤五得到的参考SOC为控制目标，以实际电池SOC作为反馈，计算整车控制门限调整参数：发动机转矩门限调整系数kt和纯电动车速门限调整系数kv；步骤七、求取纯电动—发动机驱动模式切换门限；步骤八、求取发动机及电机分配转矩：依据整车控制门限，判断PHEV行驶模式，并求取发动机及电机分配转矩。进一步地，所述步骤二计算的行驶路径的工况特征参数包括：1)路径总里程sa及各路段行驶里程si：ITS依据电子地图数据计算规划路径的总里程sa，并依据交通灯位置将行驶路径分成若干个路段，即每2个交通灯之间的路径为一个路段，并计算得到各路段行驶里程si；2)各路段最高车速vi_max及平均车速vi_ave：ITS依据各路段测速点数据获取该路段最高车速vi_max和平均车速vi_ave；3)各路段平均加速度及平均减速度：ITS系统依据测速点数据取平均得到该路段的平均加速度ai_acc及平均减速度ai_brk；4)路面坡度：ITS依据电子地图信息获取路面坡度is，并以行驶距离为横坐标得到路面坡度-距离曲线；5)交通灯信息：交通灯信息包括交通灯的位置以及平均等待时长tsave。进一步地，所述步骤四HCU根据获得的路况特征参数计算预测工况车速-时间历程的具体过程为：1)首先基于所述步骤二获得的行驶路径的工况特征参数，按照交通灯位置，将整个工况段分成i个路段，并分别计算各路段通过时间ti：2)分别计算各路段预测工况车速-时间历程：建立长路段的“梯形”模态工况，“梯形”模态工况由加速段、匀速段、减速段、怠速段四个车速-时间历程段组成，各车速-时间历程段对应的时间域为：加速段0～t1，匀速段t1～t2，减速段t2～t3，怠速段t3～t4，其中，匀速段车速为最高车速vi_max；分别计算时间点t1、t2、t3、t4的值：t4为该路段的通过时间，由公式(1)求取；然后，初选t1、t2的值分别为：3)连接(0,0)、(t1,vi_max)、(t2,vi_max)、(t3,0)、(t4,0)各点，并以1s为间隔插值得到该工况段的初选车速-时间历程vi(t)，对其进行积分求得该路段的初选行驶里程s′i：4)判断初选行驶里程s′i与各路段实测si的差值，若si-s′i＞ε，其中，ε为大于零的常数，本例取0.1km；则：由公式(5)重新计算si′(i+1)，直到0≤si-s′i≤ε或达到公式(6)的约束条件为止；5)若s′i-si＞ε，则：由公式(5)重新计算si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε为止；若出现t1(i+1)≥t2(i+1)，则令t1(i+1)＝t2(i+1)，此时，若s′i-si＞ε，则令：vi_max(i+1)＝vi_max(i-1)-0.1vi_max(i+1)≥1(8)重新计算，si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε或达到公式(8)的约束条件为止；6)重复上述步骤1)至步骤5)，分别求取各路段预测工况车速-时间历程曲线，按照时间顺序排列，得到该路径预测工况车速-时间历程曲线；7)将预测工况的车速-时间历程曲线积分得到距离-时间历程曲线，并基于所述步骤二中ITS获得的行驶路径的工况特征参数中的路面坡度-距离曲线，将坡度-距离-时间各点一一对应，将坡度-距离曲线转换成坡度-时间曲线。进一步地，所述步骤五计算生成参考SOC的具体过程为：1)首先计算各路段车辆行驶所需功率：式中，Pei为第i段路车辆行驶所需功率；t3i表示只需要对路段的预测车速时间历程积分到t3时刻；vi为预测工况车速，如图3所示；m为整车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；is为道路坡度；CD为风阻系数；A为迎风面积；δ为车辆旋转质量换算系数；dvi/dt为车辆加速度，由预测工况车速微分得到；ηt为车辆传动系统机械效率；2)计算各路段需求功率比例系数Kpi：其中，N为该路径路段个数；3)计算各路段行驶距离比例系数Ksi：4)计算各路段参考SOC变化量ΔSOCi：ΔSOCi＝(SOCini-SOCend)·Kpi·Ksi(12)其中，SOCini为该路径初始SOC；SOCend为该路径结束时预设的SOC；5)计算各段路径的初始参考SOCini_i和结束时参考SOCend_i：6)以各段路径行驶里程为横坐标，依次连接各路段的初始参考SOCini_i和结束时参考SOCend_i得到整个行程的参考SOCref。进一步地，所述步骤六计算整车控制门限调整参数的具体过程为：1)根据所述步骤五计算生成的参考SOC求出实际SOC与参考SOC的差值△SOC：ΔSOC＝SOC-SOCref(14)2)采用线性增函数表示△SOC与发动机转矩门限调整系数kt和纯电动车速门限调整系数kv的关系，建立线性函数表，以△SOC为输入，查表求得“发动机转矩门限调整系数”kt和“纯电动车速门限调整系数”kv。进一步地，所述步骤七求取纯电动—发动机驱动模式切换门限的具体过程为：PHEV在CD阶段的控制策略为“混合驱动”(Blended)策略，当车速和驾驶员需求转矩同时满足下列条件时，电机退出驱动，由发动机驱动车辆：V≥[Ve]&Treq≥[Treq](15)其中，[Ve]为纯电动-发动机模式切换门限中的速度门限，计算公式为：[Ve]＝kv[Vb](16)其中，[Vb]为基本纯电动限制车速门限；[Treq]为基本发动机驱动控制门限，计算公式为：[Treq]＝kt[Topt](17)其中，[Topt]发动机最优转矩门限，为发动机万有特性平均油耗最低的转矩点连线。进一步地，所述步骤八求取发动机及电机分配转矩的具体步骤为：1)当V＜[Ve]或Treq＜[Treq]时，为纯电机驱动模式，即：其中，Tm为电机分配转矩；Te为发动机分配转矩；Treq为驾驶员需求转矩。2)当V≥[Ve]或Treq≥[Treq]时，为发动机驱动模式，发动机参与驱动并且，当Treq＜[Topt]时，为纯发动机驱动模式，即：其中，[Topt]为发动机最优转矩门限，:为发动机万有特性平均油耗最低的转矩点连线；当Treq≥[Topt]时，为联合驱动模式，即：本发明具有以下有益效果：1)本发明将智能交通系统引入到PHEV能量管理中，通过ITS系统对路况特征进行预测，提出的SOC规划方法具有计算量小，实时性好等优点。2)提出的PHEV参数自适应控制方法能够依据工况特征的变化，合理规划电池SOC使用，提高PHEV系统效率，充分利用电池电量，有效减少油耗。该方法以电池SOC作为反馈控制，提高了系统的鲁棒性。附图说明本发明的具体实施方式将在下文通过结合应用示例进行详细阐述。图1是基于ITS的并联PHEV系统硬件结构图；图2是基于ITS的PHEV整车控制算法流程图；图3是路段模态工况示意图；图4是路径模态工况示意图；图5是参考SOC-距离曲线图；图6是纯电动与发动机驱动模式切换控制原理图。具体实施方式下面结合附图对发明做进一步说明。以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。图1是本发明的基于ITS的并联PHEV系统硬件结构。本例中的并联PHEV采用同轴并联结构。其中，电机同轴安装在自动变速器的输入轴上，电池可由外接充电器充电。PHEV整车控制系统包括：油门踏板(含踏板开度传感器)、制动踏板(含踏板开度传感器)、整车控制器(HCU)、GPS定位模块、远程通信模块、发动机控制器(ECU)、电机控制器(MCU)、自动变速器控制器(TCU)、电池管理单元(BMU)，各部件之间通过CAN总线交互信息。整车控制器(HCU)通过GPS模块获取车辆当前位置，并通过远程通信模块与智能交通系统(ITS)进行远程通信。ITS系统包括交通状况信息服务、地理信息服务及导航服务等多个子系统，当ITS获取车辆位置信息和导航目的地后，通过导航系统对行驶路径进行规划，将该路径的工况信息，如路径总里程、各路段车速特征、路面坡度等通过远程信息模块传递给整车控制器。如图2所示，结合图1，本发明提出的基于智能交通系统的并联PHEV能量管理方法，包括以下步骤：步骤S1：车辆控制系统通过GPS模块获取车辆位置信息以及驾驶员通过车载导航系统设定的目的地信息，并通过远程通信模块发送给ITS系统；若车载导航系统具有路径规划功能，则将规划的行驶路径发送给ITS系统。步骤S2：ITS系统依据车辆当前位置信息和目的地信息规划行驶路径，或使用车载导航系统规划的行驶路径。ITS系统依据电子地图及测速点数据获取或计算行驶路径工况特征参数，包括：(1)路径总里程sa及各路段行驶里程si。ITS依据电子地图数据计算规划路径的总里程sa，并依据交通灯位置将行驶路径分成若干个路段，即每2个交通灯之间的路径为一个路段，并计算得到各路段行驶里程si；(2)各路段最高车速vi_max及平均车速vi_ave。ITS依据该路段测速点数据获取该路段最高车速和平均车速，本例中对近10min内各被测车辆最高车速及平均车速取均值求得；在没有安装测速点的路段，依据电子地图数据中的路径等级(支路、干路、快速路等)得到各路段最高限制车速作为该路段的最高车速，平均车速依据路径等级取定值，如本例中支路为15km/h，干路25km/h，快速路40km/h等。(3)各路段平均加速度及平均减速度：ITS系统依据测速点数据取平均得到该路段的平均加速度ai_acc及平均减速度ai_brk；(4)路面坡度：ITS依据电子地图信息获取路面坡度is，并以行驶距离为横坐标得到路面坡度-距离曲线。(5)交通灯信息：交通灯信息包括交通灯的位置以及平均等待时长tsave。步骤S3：ITS系统将上述工况特征参数通过远程通信模块发送给整车控制器(HCU)。步骤S4：计算预测工况。由HCU根据获得的路况特征参数计算得到预测工况车速-时间历程，如图3所示，说明如下：(1)首先按照交通灯位置，将整个工况段分成i个路段，并计算该路段通过时间ti：(2)分别计算各路段预测工况车速-时间历程，本发明中建立如图3所示的简单模态工况，即长路段的“梯形”模态工况，由加速段(0～t1)、匀速段(t1～t2)、减速段(t2～t3)、怠速段(t3～t4)四个部分组成，匀速部分车速为最高车速vi_max。图3中需要求得时间点t1、t2、t3、t4的值，其中，t4为该路段的通过时间，由公式(1)求取；t3为：然后，初选t1、t2的值分别为：(3)连接(0,0)、(t1,vi_max)、(t2,vi_max)、(t3,0)、(t4,0)各点，并以1s为间隔插值得到该工况段的初选车速-时间历程vi(t)，对其进行积分求得该路段的初选行驶里程s′i，即(4)判断初选行驶里程s′i与各路段实测si的差值，若si-s′i＞ε，其中，ε为大于零的常数，本例取0.1km。则：由公式(5)重新计算si′(i+1)，直到0≤si-s′i≤ε或达到公式(6)的约束条件为止，如图3的单点画线所示。(5)若s′i-si＞ε，则：由公式(5)重新计算si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε为止。若出现t1(i+1)≥t2(i+1)，则令t1(i+1)＝t2(i+1)，此时，若s′i-si＞ε，则令vi_max(i+1)＝vi_max(i-1)-0.1vi_max(i+1)≥1(8)重新计算，si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε或达到公式(8)的约束条件为止，如图3的双点画线所示。(6)重复步骤(1)～(5)，分别求取各路段预测工况车速-时间历程曲线，按照时间顺序排列，得到该路径预测工况的车速-时间历程曲线，图4为某次路径预测工况的车速-时间历程曲线。(7)预测工况的车速-时间历程曲线积分得到距离-时间历程曲线，然后结合步骤S2中ITS获得的路面坡度-距离曲线，将坡度-距离-时间各点一一对应，将坡度-距离曲线转换成坡度-时间曲线。步骤S5：计算生成参考SOC，即由预测工况车速-时间历程、路面坡度等信息，规划电池电量使用，生成参考SOC。其步骤如下：(1)首先计算各路段车辆行驶所需功率，即其中，Pei为第i段路车辆行驶所需功率；t3i表示只需要对路段的预测车速时间历程积分到t3时刻；vi为预测工况车速，如图3所示；m为整车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；is为道路坡度；CD为风阻系数；A为迎风面积；δ为车辆旋转质量换算系数；dvi/dt为车辆加速度，由预测工况车速微分得到；ηt为车辆传动系统机械效率。(2)计算各路段需求功率比例系数Kpi，即其中，N为该路径路段个数。(3)计算各路段行驶距离比例系数Ksi，即(4)计算各路段参考SOC变化量ΔSOCi，即ΔSOCi＝(SOCini-SOCend)·Kpi·Ksi(12)其中，SOCini为该路径初始SOC；SOCend为该路径结束时预设的SOC。(5)计算各段路径的初始参考SOCini_i和结束时参考SOCend_i，即(6)以各段路径行驶里程为横坐标，依次连接各路段的初始参考SOCini_i和结束时参考SOCend_i得到整个行程的参考SOCref，如图4所示。步骤S6：计算整车控制门限调整参数。以步骤5得到的参考SOCref为控制目标，以实际电池SOC作为反馈，计算整车控制门限调整参数：“发动机转矩门限调整系数”kt和“纯电动车速门限调整系数”kv。具体步骤如下：(1)首先，根据步骤S5计算生成的参考SOC求出实际SOC与参考SOC的差值△SOC：ΔSOC＝SOC-SOCref(14)(2)以△SOC为输入，查表求得“发动机转矩门限调整系数”kt和“纯电动车速门限调整系数”kv。表1是本例中△SOC与kt、kv关系表。本例采用线性增函数表示△SOC与kt、kv的关系，表1可以依据具体车辆参数采用仿真或实车试验进行标定。表1△SOC与kt、kv关系表△SOC(％)-20-10-8-6-4-2024681020kt0.50.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.5kv0.10.10.20.40.60.811.21.41.61.82.02.0步骤S7：求取纯电动—发动机驱动模式切换门限。本例中的PHEV在CD阶段的控制策略为“混合驱动”(Blended)策略，当车速和驾驶员需求转矩同时满足下列条件时，电机退出驱动，由发动机驱动车辆，即V≥[Ve]&Treq≥[Treq](15)其中，[Ve]为纯电动-发动机模式切换门限中的速度门限，计算公式为[Ve]＝kv[Vb](16)其中[Vb]为基本纯电动限制车速门限，本例中为70km/h；[Treq]为基本发动机驱动控制门限，计算公式为[Treq]＝kt[Topt](17)其中，[Topt]发动机最优转矩门限，一般为发动机万有特性平均油耗最低的转矩点连线，本例如图6所示。图6为本例中纯电动与发动机驱动模式切换控制原理示意图。下面以△SOC＝4％为例说明门限值调整过程。当△SOC＝4％时，查表1得kt＝1.2、kv＝1.4，此时，纯电动驱动门限右移，发动机驱动控制门限上移(虚线位置)，发动机工作区域变小，电机工作区域变大。发动机需要在更高车速和更大需求转矩时才能启动，发动机参与驱动的功率比例变小，电机驱动功率比例变大，PHEV油耗减少，电耗增加，SOC下降速率变快，△SOC会变小，此时纯电动驱动门限左移，发动机驱动控制门限下移，电耗会减少，使电池SOC在参考SOC附近波动。步骤S8：求取发动机及电机分配转矩。依据整车控制门限，判断PHEV行驶模式，并求取发动机及电机分配转矩。具体步骤为：(1)当V＜[Ve]或Treq＜[Treq]时，为纯电机驱动模式，即其中，Tm为电机分配转矩；Te为发动机分配转矩；Treq为驾驶员需求转矩。(2)当V≥[Ve]或Treq≥[Treq]时，为发动机驱动模式，发动机参与驱动并且，当Treq＜[Topt]时，为纯发动机驱动模式，即其中，[Topt]为发动机最优转矩门限，一般为发动机万有特性平均油耗最低的转矩点连线。当Treq≥[Topt]时，为联合驱动模式，即本发明提出了一种依据ITS系统提供的路径信息(即行驶里程、平均车速、最高车速、平均加速度及平均减速度等)合成路径模态工况的方法，该方法计算量小，能够反映路径的基本速度特征，具有较好的实时性。依据所合成的路径模态工况，结合路面坡度信息，提出了一种以需求功率比例、行驶距离比例为依据的SOC规划方法，生成参考SOCref。该参考SOCref能够比较准确的反应各路段的功率需求，使电池SOC分配更符合工况特征。提出了以参考SOCref为控制目标、以实际电池SOC作为反馈的PHEV参数自适应控制方法，使电池SOC跟随参考SOCref变化，实现依据工况特征的PHEV参数自适应控制。