基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿系统及方法，是利用车辆状态感知器实时获取车辆实际行驶的速度和加速度信息，利用路况识别单元获得路况特征参数，并通过能量控制器建立路况波动量函数，获得路况波动量；然后能量控制器通过建立整车能量控制系统的能量损耗偏差函数并进行计算，获得能量损耗偏差；再利用能量损耗偏差进行需求功率补偿量计算，获得发动机与EM电机的需求补偿功率，并与功率补偿器所获得的需求功率进行叠加，得到最终输出功率，实现发动机与EM电机的功率分配补偿。本发明能提高车辆在整个路况的燃油经济性，进而节约能源保护环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽车功率最优分配技术，具体的说是一种基于路况波动量的控制性能在线补偿来实现混合动力汽车功率分配的系统及方法。

背景技术

随着环境污染及能源短缺压力的日益增加，减少汽车燃油消耗，提高燃油经济性变得迫不可待。同时为了满足车辆动力性能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能量管理策略和控制策略来进行需求功率最优分配，尽可能地提高汽车能量管理策略的效率和准确性。混合动力汽车具有两个及以上的动力源，对各动力源进行更加合理的功率分配才能有效提高混合动力汽车的能量管理策略，从而更显著地降低汽车燃油消耗并节约资源保护环境。

现阶段的混合动力汽车的功率分配都是基于一种标准路况下功率需求的策略控制。刘海江等专门针对实际行驶路况的在线识别进行了深入研究，通过对路况识别模型算法进行优化，达到提高路况识别准确度和精度的效果，然而忽略了实际行驶路况与标准路况之间并非完全吻合，两者存在一定差异的问题。Shuo Zhang等将不同的算法应用于路况识别中，并对实际行驶路况进行识别；再根据路况识别结果结合所提出的控制策略进行整车能量控制，实现基于路况识别的PHEV能量管理控制策略。Morteza Montazeri-Gh等通过对实际行驶路况进行分类来预测即将到来的交通状况，并开发了基于交通状况预测的预测优化模糊控制策略。这种基于路况识别的能量管理控制策略实质上是将标准路况的能量分配应用于实际路况，而实际路况的能量需求又不等于标准路况的能量需求，必然会导致整车能量控制系统的控制性能出现偏差。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出了一种基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿系统及方法，以期能根据实际路况与标准路况之间的路况波动量计算出整车能量控制系统能量损耗偏差，从而设计出功率补偿器对各动力源进行在线功率最优分配，有效降低燃油消耗，提高混合动力汽车的动力性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明一种基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿系统的特点包括：车辆状态感知器、路况识别单元、功率补偿器和能量控制器；

所述车辆状态感知器实时采集车辆速度、加速度、荷电状态SOC和驱动模式并封装为车辆行驶状态CAN帧后传递给所述路况识别单元、所述能量控制器和功率补偿器；

所述路况识别单元根据所述车辆行驶状态CAN帧获得当前所属标准路况后进行封装，得到当前所属标准路况CAN帧，并传递给所述功率补偿器和所述能量控制器；

所述能量控制器根据所述当前所属标准路况CAN帧获得路况特征参数及当前所属标准路况，并利用所述路况特征参数建立路况波动量函数，再对所述路况波动量函数进行计算，获得路况波动量；再根据车辆行驶状态CAN帧获得驱动模式，并利用所述驱动模式与路况波动量建立能量损耗偏差函数，再对所述能量损耗偏差函数进行计算，获得到能量损耗偏差后封装为能量损耗偏差CAN帧，并传递给功率补偿器；

所述功率补偿器根据当前所属标准路况CAN帧获得当前所属标准路况，并利用所述当前所属标准路况对需求功率进行计算，获得发动机功率和EM电机功率；再根据能量损耗偏差CAN帧获得能量损耗偏差，然后利用所述能量损耗偏差对总需求功率补偿量进行计算，获得总需求功率补偿量；

所述功率补偿器根据车辆行驶状态CAN帧获得荷电状态SOC和驱动模式，利用所述荷电状态SOC、驱动模式和总需求功率获得发动机补偿功率和EM电机补偿功率，并将发动机功率和发动机补偿功率进行叠加运算，得到发动机最终的输出功率后封装为发动机功率CAN帧并传递给发动机控制；同时将EM电机功率和EM电机补偿功率进行叠加运算，得到EM电机最终的输出功率后封装为EM电机功率CAN帧并传递给EM电机控制器，从而实现混合动力汽车需求功率最优分配。

本发明所述的PHEV功率分配在线补偿系统的特点也在于：

所述车辆行驶状态CAN帧的定义为：帧ID＝a，数据场为4个字节，第一个字节为车速，第二个字节为加速度，第三个字节为荷电状态SOC，第四个字节为为驱动模式；

所述标准路况CAN帧的定义为：帧ID＝b，数据场为2个字节，第一个字节为路况特征参数，第二个字节为当前所属标准路况；

所述能量损耗偏差CAN帧的定义为：帧ID＝c，数据场为1个字节，第一个能量损耗偏差；

所述发动机功率CAN帧的定义为：帧ID＝d，数据场为1个字节，第一个字节为发动机最终功率；

所述EM电机功率CAN帧的定义为：帧ID＝e，数据场为1个字节，第一个字节为EM电机最终功率。

其中，帧ID值的优先级关系为a<b<c<d≤e。

本发明一种基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、采集当前车辆行驶速度v和加速度a，建立实际路况特征参数向量U＝[X₁,X₂,...,X_i,...,X_m]^T，其中，表示X_i为第i个路况块的特征参数行向量，且X_i＝(x_i,1,x_i,2,...,x_i,k,...,x_i,N)，x_i,k为第i个路况块X_i的第k个特征参数；N为特征参数的个数；i∈[1,m]是所识别的标准路况块的分块数；

根据所述当前车辆行驶速度v和加速度a的波动量，识别当前所述的标准路况，从而建立标准路况特征参数向量W＝[C₁,C₂,...,C_i,...,C_m]^T，C_i为给定的第i个标准路况特征参数行向量，且C_i＝(c_i,1,c_i,2,...,c_i,k,...,c_i,N)，c_i,k为第i个标准路况特征参数行向量C_i中第k个特征参数值；

将所述实际路况特征参数向量U和标准路况特征参数向量W进行标准归一化处理，得到归一化后的实际路况特征参数向量U′和标准路况特征参数向量W′；

步骤2、根据当前所属标准路况，利用式(1)计算第i个采集周期T_i的实际路况波动量ΔE_d(T_i)：

式(1)中，z_i是归一化后的实际路况特征参数向量U′和标准路况特征参数向量W′中第i个值之间的路况特征偏离量；并有：

式(2)中，x′_i,k和c′_i,k分别是归一化后的实际路况特征参数向量X′_i和标准路况特征参数向量C′_i的第k个值；n_r∈[0,N]是x′_i,k≥c′_i,k的次数；n_s∈[0,N]是x′_i,k＜c′_i,k的次数；

步骤3、利用式(3)计算第i个采集周期T_i的能量损耗偏差Δh_d(T_i)：

式(3)中，C_s是第s种驱动模式M_s的综合能耗指标量，T为采集周期的时间长度；

步骤4、利用式(5)计算第i个采集周期T_i的总需求功率补偿量ΔP(T_i)：

式(5)中，q为当前标准路况特征系数；0＜q＜1；P_eng(T_i)为第i个周期的发动机功率，P_mot(T_i)为第i个周期的EM电机功率；

步骤5、利用式(6)和(7)计算第i个采集周期T_i的发动机功率补偿ΔP_eng(T_i)和EM电机功率补偿ΔP_mot(T_i)：

式(6)和(7)中，是功率补偿比重系数；ΔP(T_i)是第i个采集周期T_i的总需求功率补偿量；

步骤6、利用式(8)计算发动机与EM电机最终的输出功率P_eng^*(T_i)和P_mot^*(T_i)：

与已有技术相比，本发明的有益效果在：

1、本发明PHEV功率分配在线补偿系统及方法，能根据实际的功率需求，通过引入路况波动量控制策略在原有分配功率的基础上对发动机及EM电机输出功率进行在线补偿，使得功率分配更趋近标准，因而在整个驾驶循环内的能耗最优。

2、路况在识别时具有时段性，本发明引入移动时间窗T_i来解决路况波动量在线计算时的时段性问题，实现了路况波动量的实时精准计算，同时为整车能量管理系统能量损耗偏差的计算及需求功率的最优分配提供了前提条件。

3、本发明给出了以路况波动量为能量损耗偏差函数指标的度量方法，可根据车辆状态感知器采集的车速和加速度经过运算直接得出能量损耗偏差，进而得出整车需求功率在线补偿量，提高了整车需求功率补偿量计算的准确度，分析表明该方法省时高效并可应用于实际的在线应用。

4、本发明给出了各动力源补偿量分解方法，根据荷电状态、驱动模式和需求功率在线补偿量确定功率补偿比重系数得出在采集周期的需求功率补偿与发动机和EM电机之间的关系，计算出发动机和EM电机功率补偿量，为获得发动机和EM电机最终的输出功率提供了条件。

5、本发明将基于能量控制器功率在线补偿的控制策略结合主控制策略应用于混合动力汽车，解决了由于整车能量分配不合理所导致的控制策略效率低的问题，提高了燃油经济性；同时对参考SOC的变化轨迹追踪能力更强。

附图说明

图1为本发明基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿系统图；

图2为本发明CAN数据帧结构图；

图3为本发明发动机与EM电机的需求功率计算流程图；

图4为本发明PHEV功率分配补偿方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿系统如图1所示，是以基于CAN总线的能量控制器和功率补偿器为核心，能在整车需求功率未知的情况下，通过车辆实际行驶路况和整车功率实时在线补偿需求功率，其系统组成包括：车辆状态感知器、路况识别单元、功率补偿器和能量控制器；

车速状态感知器实时采集车辆速度、加速度、荷电状态SOC和驱动模式并封装为车辆行驶状态CAN帧后传递给路况识别单元、能量控制器和功率补偿器；

路况识别单元根据车辆行驶状态CAN帧获得当前所属标准路况后进行封装，得到当前所属标准路况CAN帧，并传递给功率补偿器和能量控制器；

能量控制器根据当前所属标准路况CAN帧获得路况特征参数及当前所属标准路况，并利用路况特征参数建立路况波动量函数，再对路况波动量函数进行计算，获得路况波动量；再根据车辆行驶状态CAN帧获得驱动模式，并利用驱动模式与路况波动量建立能量损耗偏差函数，再对能量损耗偏差函数进行计算，获得到能量损耗偏差后封装为能量损耗偏差CAN帧，并传递给功率补偿器；

功率补偿器根据当前所属标准路况CAN帧获得当前所属标准路况，并利用当前所属标准路况对需求功率进行计算，获得发动机功率和EM电机功率；再根据能量损耗偏差CAN帧获得能量损耗偏差，然后利用能量损耗偏差对总需求功率补偿量进行计算，获得总需求功率补偿量；

功率补偿器根据车辆行驶状态CAN帧获得荷电状态SOC和驱动模式，利用荷电状态SOC、驱动模式和总需求功率获得发动机补偿功率和EM电机补偿功率，并将发动机功率和发动机补偿功率进行叠加运算，得到发动机最终的输出功率后封装为发动机功率CAN帧并传递给发动机控制；同时将EM电机功率和EM电机补偿功率进行叠加运算，得到EM电机最终的输出功率后封装为EM电机功率CAN帧并传递给EM电机控制器，从而实现混合动力汽车需求功率最优分配。

具体实施中，CAN数据帧结构图如图2所示，车辆行驶状态CAN帧的定义为：帧ID＝17，数据场为4个字节，第一个字节为车速，第二个字节为加速度，第三个字节为荷电状态SOC，第四个字节为为驱动模式；

标准路况CAN帧的定义为：帧ID＝22，数据场为2个字节，第一个字节为路况特征参数，第二个字节为当前所属标准路况；

能量损耗偏差CAN帧的定义为：帧ID＝28，数据场为1个字节，第一个能量损耗偏差；

发动机功率CAN帧的定义为：帧ID＝34，数据场为1个字节，第一个字节为发动机最终功率；

EM电机功率CAN帧的定义为：帧ID＝35，数据场为1个字节，第一个字节为EM电机最终功率。

本实施例中，如图3和图4所示，一种基于路况波动量的PHEV功率分配在线补偿方法是按如下步骤进行：

步骤1、采集当前车辆行驶速度v和加速度a，建立实际路况特征参数向量U＝[X₁,X₂,...,X_i,...,X_m]^T，其中，表示X_i为第i个路况块的特征参数行向量，且X_i＝(x_i,1,x_i,2,...,x_i,k,...,x_i,N)，x_i,k为第i个路况块X_i的第k个特征参数；N为特征参数的个数，本实施中，取N＝9，即选取了9个路况特征参数表征每个标准路况块的特征，主要包括：1.平均车速2.最高车速v_max；3.平均加速度4.最大加速度a_max；5.平均减速度6.最大减速度d_max；7.匀速时间比例r_c；8.加速时间比例r_a；9.减速时间比例r_d。i∈[1,m]是所识别的标准路况块的分块数，本实施中，取m＝7，即将每种标准路况等分成7个标准路况块；

根据当前车辆行驶速度v和加速度a的波动量，识别当前的标准路况，从而建立标准路况特征参数向量W＝[C₁,C₂,...,C_i,...,C_m]^T，C_i为给定的第i个标准路况特征参数行向量，且C_i＝(c_i,1,c_i,2,...,c_i,k,...,c_i,N)，c_i,k为第i个标准路况特征参数行向量C_i中第k个特征参数值；

将实际路况特征参数向量U和标准路况特征参数向量W进行标准归一化处理，得到归一化后的实际路况特征参数向量U′和标准路况特征参数向量W′；

步骤2、根据当前所属标准路况，利用式(1)计算第i个采集周期T_i的实际路况波动量ΔE_d(T_i)：

式(1)中，z_i是归一化后的实际路况特征参数向量U′和标准路况特征参数向量W′中第i个值之间的路况特征偏离量；并有：

式(2)中，x′_i,k和c′_i,k分别是归一化后的实际路况特征参数向量X′_i和标准路况特征参数向量C_i′的第k个值；n_r∈[0,N]是x′_i,k≥c′_i,k的次数；n_s∈[0,N]是x′_i,k＜c′_i,k的次数；

步骤3、利用式(3)计算第i个采集周期T_i的能量损耗偏差Δh_d(T_i)：

式(3)中，C_s是第s种驱动模式M_s的综合能耗指标量，本实施中，取s为混动模式，设定C_s＝1；T为采集周期的时间长度，本实施例中，设定采集周期T＝100s。

步骤4、利用式(5)计算第i个采集周期T_i的总需求功率补偿量ΔP(T_i)：

式(5)中，q为当前标准路况特征系数，0＜q＜1，在本实施例中，选定为城市路况，取q＝0.85；P_eng(T_i)为第i个周期的发动机功率，P_mot(T_i)为第i个周期的EM电机功率；

步骤5、利用式(6)和(7)计算第i个采集周期T_i的发动机功率补偿ΔP_eng(T_i)和EM电机功率补偿ΔP_mot(T_i)：

式(6)和(7)中，是功率补偿比重系数，并由荷电状态SOC、驱动模式M和总需求功率补偿量ΔP(T_i)共同决定；本实施例中，值的确定如表1所示；ΔP(T_i)是第i个采集周期T_i的总需求功率补偿量。

表1为值参照表

步骤6、利用式(8)计算发动机与EM电机最终的输出功率P_eng^*(T_i)和P_mot^*(T_i)：

至此，本方法实现了混合动力汽车功率分配在线补偿，使整车能量分配更趋近标准，提高了控制策略效率和燃油经济性。