一种考虑发动机起停和换挡间隔的HEV全局能量管理方法

本发明属于混合动力汽车全局优化能量管理，特别涉及一种考虑发动机起停和换挡间隔的hev全局能量管理方法。

背景技术：

1、混合动力汽车具有发动机和电机两种动力源，能够根据不同行驶工况下的功率需求运行在不同的工作模式，同时具备燃油车和纯电动汽车的优点。通过能量管理策略合理调整发动机和电机的工作点，可以提高动力系统部件的工作效率，从而显著改善整车的燃油经济性，因此能量管理策略是混合动力汽车的核心技术。

2、动态规划是一种常用的全局优化方法，通过将复杂问题转化为多阶段子问题进行求解。因此基于动态规划的能量管理策略已得到广泛使用，用于求解混合动力汽车的最优控制序列。然而，现有的基于动态规划的能量管理策略存在一些问题：1、在求解动态规划问题时，需要定义目标函数，现有的方法通常将燃油消耗作为目标函数。同时为了保证整车平顺性，需要避免变速器频繁换挡，现有的方法通常为变速器换挡操作定义惩罚函数，作为目标函数的一部分，从而减少变速器的换挡操作，然而该方法仅通过最小化燃油消耗的方式间接对变速器换挡操作进行限制，并不能从变速器的换挡间隔时间层面严格限制变速器的频繁换挡。2、将变速器挡位作为状态变量时，由于动力系统部件工作转速限制，变速器挡位的选取将受到车速影响，现有的方法很少会根据行驶车速对变速器挡位进行筛选，导致状态空间网格点数量过多，从而造成dp求解的计算量过大。3、对于混合动力汽车，当发动机输出功率为0时，发动机将怠速运行或关闭，现有的能量管理策略通常没有考虑发动机的起停状态。此外，为保证整车平顺性，同样需要限制发动机频繁起停，现有的方法通过对发动机起动操作定义惩罚函数，作为目标函数的一部分，从而减少发动机频繁起停。然而该方法同样是通过最小化燃油消耗的方式间接对发动机起停操作进行限制，并不能从发动机的起停间隔时间层面完全避免发动机频繁起停。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑发动机起停和换挡间隔的hev全局能量管理方法，其能够从间隔时间层面有效避免变速器频繁换挡和发动机频繁起停。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种考虑发动机起停和换挡间隔的hev全局能量管理方法，包括如下步骤：

4、以电池soc、变速器挡位gear和发动机起停状态eng为动力系统状态变量，以电池soc的变化量δsoc、变速器换挡决策shift和发动机起停决策start为动力系统控制变量；将车辆行驶工况分为n个运行阶段，离散动力系统状态空间网格；并且分别建立电池soc、变速器挡位gear和发动机起停状态eng的状态转移方程；

5、删除各运行阶段不可行变速器挡位所在的状态空间网格点；

6、以燃油消耗最小为目标函数，建立动态规划逆向求解方程；从第n-1阶段开始，确定各状态空间网格点的所有可能决策及所述可能决策对应的下一阶段的状态空间网格点，并且从所述可能决策中筛选出第一可行决策；

7、其中，所述第一可行决策对应的下一阶段的状态空间网格点同时满足变速器换挡间隔时间约束和发动机起停间隔时间约束；

8、根据所述目标函数从所述第一可行决策中筛选出当前状态空间网格点转移至下一阶段的状态空间网格点的最优决策；

9、对所述当前状态空间网格点的时序数组进行更新，并计算当前阶段下一个状态空间网格点，直到当前阶段所有状态空间网格点计算完成后，重复上述步骤进行前一阶段的计算，直到初始阶段，得到各运行阶段的所有状态空间网格点转移至下一阶段的状态空间网格点的最优策略；

10、在车辆行驶的初始阶段，获取电池soc、变速器挡位gear和发动机起停状态eng，确定当前车辆动力系统对应的状态空间网格点，根据动态规划逆向求解的结果，从该状态空间网格点出发，正向搜索最优决策序列，直到终止阶段，根据所述最优决策序列对车辆的工作状态进行控制。

11、优选的是，所述的考虑发动机起停和换挡间隔的hev全局能量管理方法，还包括：

12、在极端行驶工况下，不存在所述第一可行决策时；在所述可能决策中筛选出第二可行决策，并且根据所述第二可行决策得到所述最优策略；

13、其中，所述第二可行决策对应的下一阶段的状态空间网格点满足发动机起停间隔时间约束，并且变速器换挡时序最小。

14、优选的是，所述电池soc的状态转移方程为：

15、soc(k+1)＝soc(k)+δsoc(k)；

16、其中，soc(k+1)为第k+1运行阶段的电池soc，soc(k)为第k运行阶段的电池soc，δsoc(k)为第k运行阶段的电池soc变化量，是soc求解精度的整数倍。

17、优选的是，所述变速器挡位gear的状态转移方程为：

18、

19、其中，gear(k+1)为第k+1运行阶段的变速器挡位，gear(k)为第k运行阶段的变速器挡位；shift(k)为第k运行阶段的变速器换挡决策，包括降挡、保持和升挡，分别用-n、0和n表示，n为升挡或降挡的改变的挡位数，n＝1,2,3,4,5。

20、优选的是，所述发动机状态eng的状态转移方程：

21、eng(k+1)＝start(k)；

22、其中，发动机起停状态eng包括关闭和开启，分别用0和1表示；eng(k+1)为第k+1运行阶段的发动机起停状态；start为发动机起停决策，包括关闭发动机和起动发动机，分别用0和1表示，start(k)为第k运行阶段的发动机起停决策。

23、优选的是，在动态规划逆向求解方程之前还包括：将所有状态空间网格点的时序数组初始化为(t1-0，t2-0)，t1-0＝0，t2-0＝0；

24、其中，t1-0表示变速器换挡时序的初始值，t2-0表示发动机起停时序的初始值。

25、优选的是，根据目标函数，运用动态规划算法计算所述最优决策；

26、所述最优决策的表达式为：

27、u*(j)＝argmin[fuel(x(i),u(j))+jk+1(x(j))]；

28、其中，fuel(x(i),u(j))表示第k运行阶段状态空间网格点x(i)在决策u(j)作用下转移至第k+1运行阶段产生的燃油消耗；jk+1(x(j))表示第k+1运行阶段状态空间网格点x(j)至终止阶段的累计油耗。

29、优选的是，对所述当前状态空间网格点的时序数组进行更新包括变速器换挡时序的更新和发动机起停时序的更新。

30、优选的是，根据所述最优决策u*(j)及其对应的下一阶段的状态空间网格点x*(j)的时序数组(t1,t2)对当前状态空间网格点的时序数组进行更新；其中：变速器换挡时序的更新方法为：

31、当u*(j)中的变速器换挡决策为0时，若x*(j)的变速器换挡时序不为0，则当前状态空间网格点的变速器换挡时序更新为t1-1；若x*(j)的变速器换挡时序为0，则当前状态空间网格点的变速器换挡时序仍为0；

32、当u*(j)中的变速器换挡决策不为0时，所求状态空间网格点的变速器换挡时序更新为s1-1；

33、其中，t1为x*(j)的变速器换挡时序，t2为x*(j)的发动机起停时序；s1为设定的变速器换挡间隔时间的约束值。

34、优选的是，发动机起停时序的更新方法为：

35、当u*(j)中的发动机起停决策为0时，若x*(j)的发动机起停时序不为0，则当前状态空间网格点的发动机起停时序更新为t2-1；若x*(j)的发动机起停时序为0，则当前状态空间网格点的发动机起停时序仍为0。

36、当u*(j)中的发动机起停决策不为0时，则当前状态空间网格点的发动机起停时序更新为s2-1；

37、其中，s2为发动机起停间隔时间的约束值。

38、本发明的有益效果是：

39、本发明提供的考虑发动机起停和换挡间隔的hev全局能量管理方法，方法将发动机起停状态和变速器挡位作为状态变量，同时根据行驶工况删除部分状态空间网格点，减少求解时的计算量；在动态规划算法逆向求解阶段，根据预设的变速器换挡间隔时间和发动机起停间隔时间，对各阶段各状态空间网格点的所有可能决策进行筛选，最终使各状态空间网格点获得一项使得目标函数最小的最优决策，同时从间隔时间层面有效避免了变速器频繁换挡和发动机频繁起停；综合考虑整车的动力性、平顺性和燃油经济性，在优先满足整车动力性要求的前提下，对极端工况下的变速器换挡间隔时间约束进行调整，由此获得的整车最优决策序列可以尽可能地避免变速器频繁换挡。