一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制系统及方法与流程

本发明涉及一种车辆技术，特别涉及一种通过在线控制来实现汽车电能优化的控制系统及方法，具体地说是一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制系统及方法。

背景技术：

为了应对政府日益严格的汽车燃油经济性以及有害气体排放的标准，同时满足车辆动力性以及驾驶人员舒适性的需求，汽车制造业正在不遗余力地开发和实施多种管理策略和控制策略提升发动机能量转化效率，减少能量耗散，尽可能地在保证汽车动力性的同时提升汽车燃油经济性。电能作为整车能量消耗中的重要组成部分，需要进行节能控制。

汽车电能的节能方法研究主要集中混合动力汽车中，一般是在特定行驶工况以及负载需求前提下离线制定最优控制策略。Stockar和Serrao等通过运用节能控制策略为混合动力汽车和插电式混合动力汽车设计了对应的节能方法；Namwook Kim等人基于相关合理假设设计了基于优化策略的来提升车辆的燃油经济性；Hanane Hemi等人通过马尔科夫链在某一行驶工况下预测未来的负载需求，对燃料电池/超级电容器混合动力汽车进行负载需求分配。由于真实的驾驶工况与设定工况无法一致，同时混合动力汽车与传统汽车在结构上的不同，这些方法无法在真实的燃油汽车得到应用。

因此，在汽车行驶工况信息以及负载功率需求信息事先未知的情况下，如何针对传统燃油汽车，设计燃油汽车在线电能控制系统及其方法，实现汽车电能的节能控制，已经成为燃油汽车电能管理技术的重要研究方向。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出了一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制系统及方法，以期能在负载需求以及行驶工况事先未知的情况下，实时在线地计算发电机和蓄电池的目标输出功率值，调节发电机输出功率，从而实现汽车电能在线优化控制。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制系统的特点是：设置节能控制器、车载网关、智能电池传感器、发电机控制器通过LIN总线相互联结；

所述智能电池传感器用于实时采集燃油汽车的蓄电池电量状态LIN帧并传递给所述节能控制器；所述车载网关用于实时采集燃油汽车的用电负载开关状态LIN帧和发动机状态LIN帧并传递给所述节能控制器；

所述节能控制器根据所述蓄电池电量状态LIN帧获得蓄电池电量状态系数，根据所述用电负载开关状态LIN帧获得用电负载需求功率，再根据所述发动机状态LIN帧获得发动机燃油消耗变化率；从而利用所述蓄电池电量状态系数、用电负载需求功率和发动机燃油消耗变化率建立节能辅助函数，并对所述节能辅助函数进行计算，获得发电机目标输出功率；

所述节能控制器将所述发电机目标输出功率封装为发电机控制LIN帧，并发送给所述发电机控制器用于调节发电机输出功率，从而实现燃油汽车电能的在线优化控制。

本发明所述的基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制系统的特点也在于：

所述蓄电池电量状态LIN帧的定义为：帧ID＝34，数据场为2个字节，第一个字节为蓄电池电量状态SOC，第二个字节为蓄电池电流I和响应错误标识符E_R；

所述用电负载开关状态LIN帧的定义为：帧ID＝32，数据场为2个字节，第一个字节为用电负载及其开关状态ON/OFF，第二个字节为用电负载保护门限ON_CD；

所述发动机状态LIN帧的定义为：帧ID＝33，数据场为2个字节，第一个字节为发动机转速N_e，第二个字节为发动机扭矩T_e；

所述发电机控制LIN帧的定义为：帧ID＝44，数据场为2个字节，第一个字节为电压设定值U_set，第二个字节为励磁电流限制参数I_ECL。

本发明一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、实时采集燃油汽车的蓄电池电量状态信息，并利用式(1)计算t时刻下蓄电池电量状态系数δ(t)：

式(1)中，δ_soc表示与蓄电池电量状态有关的常数，SOC(t)表示t时刻下的蓄电池电量状态；SOC_max表示理想状态下蓄电池工作区间的最大值，SOC_min表示理想状态下蓄电池工作区间的最小值；

步骤2、实时采集燃油汽车的用电负载开关状态信息，并利用式(2)计算t时刻下用电负载需求功率P_l(t)：

式(2)中，α_i(t)表示t时刻第i个车载用电负载的开关状态系数，当第i个车载用电负载开启时，令α_i(t)＝1，反之，令α_i(t)＝0；p_bas表示维持所述燃油汽车运转所必需的基本电功率；p_i表示第i个车载用电负载的需求功率；i＝1,2,...,N，N为车载用电负载总数；

步骤3、实时采集燃油汽车的发动机状态信息，并利用式(3)计算t时刻下发动机燃油消耗变化率q(t)：

式(3)中，k为与发动机有关的常数，γ为发动机燃油密度，Q(Δt)为Δt时间内的发动机燃油消耗量，N_e(t)为t时刻下发动机转速，T_e(t)为t时刻下发动机扭矩；

步骤4、利用式(4)建立t时刻下节能辅助函数

式(4)中，P_b(t)为t时刻的蓄电池输出功率，L为蓄电池标定容量，V₀为蓄电池开路电压，R为蓄电池内阻，为t时刻的电能控制参数，并有：

式(5)中，K_l为与用电负载需求功率有关的常数，K_SOC为与蓄电池的电量状态有关的常数，SOC_r为蓄电池电量状态参考值；

步骤5、利用式(6)获得t时刻的蓄电池输出功率范围[P_bmin(t),P_bmax(t)]：

式(6)中，为蓄电池最小输出功率，为蓄电池最大输出功率，为发电机最大输出功率；

步骤6、利用式(7)将所述蓄电池输出功率范围[P_bmin(t),P_bmax(t)]进行离散化处理，得到如式(8)所示的t时刻蓄电池可能输出的功率值集合

ΔP_b(t)＝[P_bmax(t)-P_bmin(t)]/n (7)

式(7)中，ΔP_b(t)表示t时刻下蓄电池输出功率范围的离散化单位值；

式(8)中，表示t时刻下蓄电池第j个可能输出的功率值；

步骤7、令j＝1；

步骤8、将t时刻下蓄电池第j个可能输出的功率值代入所述t时刻下的节能辅助函数中进行计算，得到t时刻下第j个节能辅助函数值

步骤9、将j+1赋值给j，并返回步骤8执行，直到j＝n+1为止，从而获得t时刻下的节能辅助函数值集合

步骤9、从所述t时刻下的节能辅助函数值集合中选出最小值，以所述最小值所对应的蓄电池输出功率值作为最优目标值

步骤10、利用式(9)获得发电机目标输出功率值

与已有技术相比，本发明的有益效果在：

1、现有的汽车电源系统中，发电机调节器原理决定了其输出电压值一般为固定值，并且只要发动机开始运行，发电机也一直处于发电工作状态，无法进行调节。当蓄电池亏电时，不会提高发电机输出电压从而为蓄电池充电。当电池电量充足且负载较小时，发电机无法降低输出电压以节省一定的能耗，同时让蓄电池为负载供电防止蓄电池过充。

本发明以节能控制器为核心，设计了一种燃油汽车电能控制系统及方法，计算蓄电池和发电机的输出功率值，对发电机输出功率进行调节，进而实现了汽车电能优化管理与控制。引入蓄电池电量状态系数，使蓄电池电量状态维持在其合理区间内，延长了蓄电池的使用寿命。同时，本发明通过针对负载需求以及理想蓄电池状态追踪实现了节能策略的实时性和自适应性，不依赖于对车辆行驶工况以及用电负载功率的提前了解，因而能够实车在线实施。

2、本发明节能控制器实时获取车辆的用电负载需求功率、蓄电池电量状态系数和发动机燃油消耗变化率；利用蓄电池电量状态系数、用电负载需求功率和发动机燃油消耗变化率建立节能辅助函数，并对节能辅助函数进行计算，获得发电机目标输出功率；节能控制器将发电机目标输出功率值封装成发电机控制LIN帧，并发送给发电机控制器用于调节发电机输出功率，进而实现了汽车电能在线优化管理与控制。

3、本发明引入蓄电池电量状态系数δ(t)，将其作为节能辅助函数的一个参数，节能控制器实时采集燃油汽车的蓄电池电量状态信息，通过δ(t)控制蓄电池电量状态维持在其理想工作区间内，从而一方面在蓄电池亏电时提高发电机电压为蓄电池充电，一方面在蓄电池电量充足时让蓄电池更多的为负载供电防止其过充。

4、本发明定义为t时刻的电能控制参数，该参数为用电负载需求功率以及蓄电池电量状态的函数。节能控制器实时获取车辆的负载需求功率以及蓄电池电量状态。引入与负载需求功率有关的常数K_l，基于负载需求功率实时校正电能控制参数值。同时，基于蓄电池电量状态反馈，将与蓄电池电量状态有关的常数K_SOC加入基于蓄电池电量状态实时校正电能控制参数值。通过对电能控制参数的定义，实现了节能策略的实时性和自适应性，不依赖于对车辆行驶工况以及用电负载功率的提前了解，因而能够实车在线实施。

附图说明

图1为本发明电能控制系统架构图；

图2为本发明蓄电池电量状态帧信号封装定义示意图；

图3为本发明用电负载开关状态帧信号封装定义示意图；

图4为本发明发动机状态帧信号封装定义示意图；

图5为本发明发电机控制帧信号封装定义示意图；

图6为本发明发电机和蓄电池目标输出功率计算流程图；

图7为本发明电能控制方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制系统如图1所示，是设置节能控制器、车载网关、智能电池传感器、发电机控制器通过LIN总线相互联结；智能电池传感器实时采集燃油汽车的蓄电池电量状态LIN帧并传递给节能控制器；车载网关实时采集燃油汽车的用电负载开关状态LIN帧和发动机状态LIN帧并传递给节能控制器。

节能控制器根据蓄电池电量状态LIN帧获得蓄电池电量状态系数，根据用电负载开关状态LIN帧获得用电负载需求功率，再根据发动机状态LIN帧获得发动机燃油消耗变化率；从而利用蓄电池电量状态系数、用电负载需求功率和发动机燃油消耗变化率建立节能辅助函数，并对节能辅助函数进行计算，获得发电机目标；

节能控制器将发电机目标封装为发电机控制LIN帧，并发送给发电机控制器用于调节发电机，从而实现燃油汽车电能的在线优化控制。

节能控制系统的LIN网络中，节能控制器为主节点，蓄电池智能传感器、车载网关和发电机为从机节点，所有LIN帧都由主节点发起，负责从机节点的管理和监控；

具体实施中，如图2-图5所示，定义蓄电池电量状态LIN帧为：帧ID＝34，数据场为2个字节，第一个字节为蓄电池电量状态SOC，第二个字节为蓄电池电流I和响应错误标识符E_R；

定义用电负载开关状态LIN帧为：帧ID＝32，数据场为2个字节，第一个字节为用电负载及其开关状态ON/OFF，第二个字节为用电负载保护门限ON_CD；

定义发动机状态LIN帧为：帧ID＝33，数据场为2个字节，第一个字节为发动机转速N_e，第二个字节为发动机扭矩T_e；

定义发电机控制LIN帧为：帧ID＝44，数据场为2个字节，第一个字节为电压设定值U_set，第二个字节为励磁电流限制参数I_ECL。

本实施例中，如图6和图7所示，一种基于电功率在线计算的燃油汽车电能控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、实时采集燃油汽车的蓄电池电量状态信息，并利用式(1)计算t时刻下蓄电池电量状态系数δ(t)：

式(1)中，δ_soc表示与蓄电池电量状态有关的正常数，具体实施中，δ_soc＝0.5；SOC(t)表示t时刻下的蓄电池电量状态；SOC_max表示理想状态下蓄电池工作区间的最大值，具体实施中，SOC_max取0.9；SOC_min表示理想状态下蓄电池工作区间的最小值，本实施中，SOC_min取0.7；蓄电池电量状态表示其实际电量占据其标定容量的比例，控制蓄电池电量状态在其理想工作区间内可以有效的延长蓄电池的使用寿命；

步骤2、实时采集燃油汽车的用电负载开关状态信息，并利用式(2)计算t时刻下用电负载需求功率P_l(t)：

式(2)中，α_i(t)表示t时刻第i个车载用电负载的开关状态系数，当第i个车载用电负载开启时，令α_i(t)＝1，反之，令α_i(t)＝0；p_bas表示维持所述燃油汽车运转所必需的基本电功率；p_i表示第i个车载用电负载的需求功率；i＝1,2,…,N，N为车载用电负载总数；p_bas和p_i的值由燃油汽车车载用电负载功率测试获得；实际驾驶环境中第i个车载用电负载可能有多个需求功率，节能控制器可事实根据该负载当前的使用情况选取p_i值；

步骤3、实时采集燃油汽车的发动机状态信息(主要包括发电机转速N_e信息和发电机扭矩T_e信息)，并利用式(3)计算t时刻下发动机燃油消耗变化率q(t)：

式(3)中，k为与发动机有关的常数，γ为发动机燃油密度，Q(Δt)为Δt时间内的发动机燃油消耗量，N_e(t)为t时刻下发动机转速，T_e(t)为t时刻下发动机扭矩；

发动机燃油消耗变化率的定义为发动机输出单位机械能所对应的燃油消耗量。式(3)为t时刻下发动机燃油消耗变化率q(t)的理想计算公式，在实际应用中无法以求极限的方式计算该值，故节能控制器实时采集燃油汽车的发动机转速和扭矩信息，通过由发动机动力性试验获取的发动机万有特性曲线来获取对应的发动机燃油消耗变化率值；

步骤4、利用式(4)建立t时刻下节能辅助函数

式(4)中，P_b(t)为t时刻的蓄电池；L为蓄电池标定容量，V₀为蓄电池开路电压，R为蓄电池内阻，以上三值均为车载蓄电池的固有属性，可视为定值；为t时刻的电能控制参数，并有：

式(5)中，K_l为与用电负载需求功率有关的常数，本实施例中，K_l取-0.1；K_SOC为与蓄电池的电量状态有关的常数，本实施例中，K_SOC取200；SOC_r为蓄电池电量状态参考值，SOC_r可取0.8；

本方法定义为t时刻的电能控制参数，该参数为用电负载需求功率以及蓄电池电量状态的函数。节能控制器实时获取车辆的负载需求功率以及蓄电池电量状态。引入与负载需求功率有关的常数K_l，基于负载需求功率实时校正电能控制参数值。同时，基于蓄电池电量状态反馈，将与蓄电池电量状态有关的常数K_SOC加入基于蓄电池电量状态实时校正电能控制参数值。通过对电能控制参数的定义，实现了节能策略的实时性和自适应性，不依赖于对车辆行驶工况以及用电负载功率的提前了解，因而能够实车在线实施。

步骤5、利用式(6)获得t时刻的蓄电池范围[P_bmin(t),P_bmax(t)]：

式(6)中，为蓄电池最小，为蓄电池最大，为发电机最大；以上三值为车载蓄电池和发电机的固有属性，可视为定值；

负载需求功率P_l(t)由节能控制器实时获取，该蓄电池范围在满足蓄电池和发电机自身的工作限制的同时，也通过蓄电池与发电机协同供电满足了用电负载需求功率；

步骤6、利用式(7)将蓄电池范围[P_bmin(t),P_bmax(t)]进行离散化处理，得到如式(8)所示的t时刻蓄电池可能输出的功率值集合

ΔP_b(t)＝[P_bmax(t)-P_bmin(t)]/n (7)

式(7)中，ΔP_b(t)表示t时刻下蓄电池范围的离散化单位值；

式(8)中，表示t时刻下蓄电池第j个可能输出的功率值；

为了接近完全地针对蓄电池可能的值进行计算选取其最优值，同时满足实际操作时计算次数有限的限制条件，本发明将蓄电池的范围进行离散化，即将该区间均分为n等份，进而获取n+1个可能的蓄电池离散值，代入节能辅助函数中进行计算，从中选取蓄电池的目标值；n由实际的计算环境决定；

步骤7、令j＝1；

步骤8、将t时刻下蓄电池第j个可能输出的功率值代入节能辅助函数中进行计算，得到t时刻下第j个节能辅助函数值

步骤9、将j+1赋值给j，并返回步骤8执行，直到j＝n+1为止，从而获得t时刻下的节能辅助函数值集合通过n+1次计算获取t时刻下全部的n+1个节能辅助函数值；

步骤9、从t时刻下的节能辅助函数值集合中选出最小值，以所述最小值所对应的蓄电池值作为最优目标值

步骤10、利用式(9)获得发电机目标值

至此，本方案实现了燃油汽车电能优化管理与控制，使蓄电池电量状态维持在其合理区间内，延长了蓄电池的使用寿命。同时，本方案通过针对负载需求以及理想蓄电池状态追踪实现了节能策略的实时性和自适应性，因而能够实车在线实施。