一种串联式混合动力电动汽车动力模式的确定系统

摘要

本发明涉及一种串联式混合动力电动汽车动力模式的确定系统，属于电动卡车能量管理领域。对一种串联式混合动力电动汽车采用基于庞特里亚金最小原理(PMP)的能量管理策略，并选择同时控制自动变速器的挡位和辅助动力单元及电池的输出功率进行优化。鉴于当电池最终荷电状态值等于初始水平时，串联式混合动力电动汽车的最优能耗问题可以形成一个规则的两点边值问题，该问题可以通过数值方法直接求解，即，这是一种打靶方法。然而，基于PMP的插电式混合动力汽车的最小总能耗并不是总有一个两点边值问题(TPBVP)，因为电源模式的最优解是纯电动驱动模式还是混合放电模式，取决于行程距离。

说明书

技术领域

本发明属于电动卡车能量管理领域，涉及一种串联式混合动力电动汽车动力模式的确定系统。

背景技术

在串联式混合动力电动汽车的能量管理问题上，庞特里亚金最小原理(PMP)是一种应用广泛的全局优化算法，其解能够启发实际应用中的等效最小消耗策略。鉴于当最终SOC值等于初始水平时，串联式混合动力电动汽车的最优能耗问题可以形成一个规则的两点边值问题，该问题可以通过数值方法直接求解，即，这是一种打靶方法。然而，基于PMP的插电式混合动力汽车的最小总能耗并不是总有一个两点边值问题(TPBVP)，因为电源模式的最优解是纯电动驱动模式还是混合放电模式，取决于行程距离。同时，基于PMP的插电式混合动力汽车的最小总能耗也可以同时考虑所处挡位和APU与电池输出功率两个因素进行优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种串联式混合动力电动汽车动力模式的确定系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种串联式混合动力电动汽车动力模式的确定系统，包括汽车建模模块、能量管理模块、动力模式模块，所述汽车建模模块用于建立串联式混合动力电动汽车动力系统模型，所述能量管理模块根据能量管理策略对串联式混合动力电动汽车进行能量管理，所述动力模式模块对串联式混合动力电动汽车进行动力模式管理。

进一步，所述汽车建模模块包括参数获取子模块、发动机建模子模块、电机建模子模块和汽车动力学子模块，所述参数获取子模块用于获取动力系统中发动机、自动变速器、电池和电机参数，所述发动机建模子模块用于根据发动机参数建立发动机效率模型，所述电机建模子模块用于根据电机参数建立电机效率模型，所述汽车动力学子模块用于根据汽车和环境参数建立汽车动力学模型。

进一步，所述动力系统建立以下方程：

式中，T表示车轮所需转矩，P_r表示电机需求功率，η_m表示电机效率，η_d表示传动系统的机械效率，m表示整车质量，u表示车速，δ表示旋转质量换算系数，i_e表示主减速比，i₀表示齿轮传动比，r表示车轮半径，C_d表示空气阻力系数，A表示前车窗面积，n_m表示电机转速。

进一步，所述能量管理采用基于庞特里亚金最小值原理确定的能量管理策略(PMP)，采用自动变速器挡位和辅助动力单元(APU)的输出功率作为控制变量，采用电池荷电状态(SOC)作为状态变量。

采用下式作为能量管理目标函数：

式中，H表示Hamiltonian函数值，C_f表示燃油价格，表示燃油消耗率，C_e表示电网价格，P_bat表示电池消耗功率，P_APU表示APU输出功率，λ表示协态变量，SOC表示电池荷电状态，i_g表示变速器挡位，f(SOC,P_APU,i_g)表示状态方程；其中，

式中，I_b表示电池电流，Q_b表示电池容量，V_oc(SOC)表示开路电压，R_b(SOC)表示等效电阻，P_b(P_APU,i_g)表示电池终端功率。

进一步，所述能量管理目标函数的约束条件为：

进一步，所述动力模式与行驶距离有关。所述动力模式采用纯电动模式和混合动力模式。

进一步，所述纯电动模式根据APU是否工作和电池最终荷电状态来确定是否执行。具体为：当APU不工作并且电池最终的荷电状态大于所设定值，动力模式确定为纯电动模式。否则，动力模式为混合动力模式。

本发明的有益效果在于：

本发明选用一种拥有自动变速器的增程式电动卡车，并基于庞特里亚金最小原理(PMP)对电动卡车进行能量管理策略的研究，选用自动变速器挡位和电池与辅助动力单元的功率作为控制变量，采用荷电状态作为状态变量。在不同距离的驾驶循环分别进行仿真，根据辅助动力单元是否工作和最终荷电状态来确定在不同行驶距离下执行纯电动模式还是混合动力模式。。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为串联式混合动力电动汽车的动力传动系统结构；

图2为混合控制策略的流程图；

图3为2个CCBDC工况下打靶过程的SOC轨迹；

图4为2个CCBDC工况下APU和电池的输出功率；

图5为2个CCBC下挡位利用率；

图6为8个CCBDC工况下打靶过程的SOC轨迹；

图7为8个CCBDC工况下APU和电池的输出功率；

图8为8个CCBC下挡位利用率。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例对一种串联式混合动力电动汽车的动力模式进行确定，包括汽车建模模块、能量管理模块、动力模式模块，所述汽车建模模块用于建立串联式混合动力电动汽车动力系统模型，所述能量管理模块根据能量管理策略对串联式混合动力电动汽车进行能量管理，所述动力模式模块对串联式混合动力电动汽车进行动力模式管理。

所述汽车建模模块用于建立串联式混合动力电动汽车动力系统模型，如图1为本发明串联式混合动力电动汽车动力传动系统结构示意图，所述串联式混合动力电动汽车动力传动系统结构包括发动机与发电机组成的辅助动力单元1、集成控制单元2、电池3、电机4、自动变速器5，所述辅助动力单元1、集成控制单元2、电机4、自动变速器依次连接，所述集成控制单元2、电池3与电机4连接，所述辅助动力单元1与电池3用以提供所述串联式混合动力电动汽车所需能量。

所述动力系统建立以下方程：

式中，T_r表示车轮所需转矩，P_r表示电机需求功率，η_m表示电机效率，η_d表示传动系统的机械效率，m表示整车质量，u表示车速，δ表示旋转质量换算系数，i_e表示主减速比，i₀表示齿轮传动比，r表示车轮半径，C_d表示空气阻力系数，A表示前车窗面积，n_m表示电机转速。

所述能量管理采用基于庞特里亚金最小值原理确定的能量管理策略，如图2所示为能量管理策略流程图，采用自动变速器挡位和辅助动力单元(APU)的输出功率作为控制变量，采用电池荷电状态(SOC)作为状态变量。

图2所示的能量管理策略流程图，给定SOC₀、SOC_f、λ₀、ε、κ(分别为SOC初始值，SOC末值，APU离散化后最小功率，初始协态变量，最后一步工况下最后一次打靶得到的SOC值与SOC末值的差的限定值，设定的常数)，将APU功率离散化,对循环工况下每个自动变速器挡位下离散化后的各个功率进行计算，求出能耗值，并从中选取每个工况下的最小值，并记录各个工况下的APU的功率和所处挡位，数据即为全局最优的控制策略。若满足(为最后一步工况下最后一次打靶得到的SOC值，SOC_f为设定的SOC最低值)，则循环结束。若不满足，当P_APU＝＝0，并且循环结束。否则进入下一次打靶，利用弦割法得到下一次打靶的初始协态变量λ_i，直至打靶到满足上述条件时结束。采用下式进行能耗值的计算：

式中，H表示Hamiltonian函数值，C_f表示燃油价格，表示燃油消耗率，C_e表示电网价格，P_bat表示电池消耗功率，P_APU表示APU输出功率，λ表示协态变量，SOC表示电池荷电状态，i_g表示变速器挡位，f(SOC,P_APU,i_g)表示状态方程；其中，

式中，I_b表示电池电流，Q_b表示电池容量，V_oc(SOC)表示开路电压，R_b(SOC)表示等效电阻，P_b(P_APU,i_g)表示电池终端功率。

所述弦割法采用下式表示：

λ₁＝λ₀j＝1

λ₂＝λ₀+θj＝2

式中，j为打靶次数。

所述协态变量在每一靶中的变化率和SOC变化率采用下式表示：

所述协态变量和SOC在每一靶中对应每一工况的值用下式表示：

式中，时间步长设为1秒，k为循环工况的时间步长。

确定能量管理目标函数的约束条件为：

所述的动力模式管理与行驶距离有关。当循环工况结束后，对值与SOC_f值进行比较(为最后一步工况下最后一次打靶得到的SOC值，SOC_f为设定的SOC最低值)，并根据APU是否开启判断为纯电动驱动模式。

结合图3、图4可以看出，在2个CCBDC(中国城市公交循环周期)工况下，电池所能发出的功率足够汽车行驶所需的功率，APU没有工作，P_APU＝＝0，并且此时进入纯电动驱动模式。并可以根据图5得出在2个CCBC下挡位利用率。

结合图6、图7可以看出，在8个CCBDC工况下，电池所能发出的功率不足够汽车行驶所需功率，APU开启，P_APU≠0，进入混合动力驱动模式，并采用打靶法进行计算，直至并可以根据图8得出在8个CCBC下挡位利用率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。