插电式混合动力汽车节能控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于道路交通信息的插电式混合动力汽车节能控制方法，从全球定位系统和智能交通系统获取实时道路坡度、前方车辆交通信息及下一充电站信息；建立插电式混合动力汽车自由度数学模型为预测未来车辆状态的依据；定义汽车电量消耗和电量维持阶段能量管理最优控制问题，提供求解最优控制量的函数方程；进行实时反馈最优控制，求解最优控制量，实现蓄电池充放电最优分配，根据车辆行驶工况在线调整优化插电式混合动力汽车能量流动，获得插电式混合动力汽车系统最优性能，运用行星齿轮机构作为电子无极变速器，使发动机工作于高效区域，运用道路交通信息，预测目标蓄电池荷电状态，在线调整插电式混合动力汽车能量流动，达到节能减排目标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于道路交通信息的实时最优的插电式混合动力汽车节能控制方法。
技术介绍
全球能源与环境形势的日益严峻，特别是国际金融危机对汽车产业的巨大冲击，推动世界各国加快汽车产业战略转型。为开发出更加节能环保的汽车，解决上述两大问题，插电式混合动力汽车目前已被产业化。与传统汽车相比，插电式混合动力汽车具有电池和燃油双系统驱动的冗余性，运用这种冗余性可以调节驱动装置工作点到最优位置，从而实现节能减排目标。预计未来汽车的主流将是这种混合动力汽车。由于插电式混合动力汽车可以回收伴随车辆减速产生的再生制动能量；利用驱动系统的冗余性(发动机和电机)优化驱动装置工作点；利用大容量蓄电池储存的电能辅助发动机驱动或者电动模式运行，因此可以极大地发挥节能减排效用。但是最优工作点随发动机的特性，周围车辆的行驶状态，道路交通条件的改变而时刻改变着。而且，旋转系(发动机和电机)具有转速转矩极限，电池具有荷电状态极限，超出这些极限对于车辆关键零部件的性能影响很大。因此，插电式混合动力汽车的节能减排效果很大程度上依赖于其能量管理策略(满足约束条件)。而其关键技术为能量管理中央控制器中的实时最优化，以期实现控制策略的商业化，产业化。插电式混合动力汽车能量管理系统的控制策略是其研发的技术核心和设计难点。插电式混合动力汽车具有电量消耗和电量维持两个阶段。目前已经提出的控制策略大致可以分为4类：数值最优控制，解析最优控制，瞬时最优控制和启发式控制。数值最优控制的典型代表是动态规划和模型预测控制。解析最优控制的典型代表是庞特里亚金极小值原理控制策略。瞬时最优控制的典型代表是瞬时等效油耗最低控制策略。启发式控制策略的典型代表是基于规则的控制策略。传统的全局最优控制算法动态规划和庞特里亚金极小值原理控制方法，由于需要事先知道未来全部工况信息，无法实现实时最优。传统的基于规则的控制策略无法实现效率最大化。一般的前馈型控制(假定车辆速度模式一定)无法实现实时最优。传统的瞬时最优控制参数受未来车辆工况变化影响太大，无法满足控制性能。自20世纪90年代初以来，世界各国对混合动力汽车的研发给予了高度重视，并取得了一些重大的成果和进展。日本丰田汽车公司于1997年实现了混合动力汽车的量产化，2012年实现了插电式混合动力汽车的量产化。美国总统奥巴马2009年宣布了下一代先进蓄电池和插电式混合动力汽车计划。在国内，国家“十一五”863计划设立了节能与新能源汽车重大项目。申请者在日本九州大学攻读博士学位期间，掌握了日本企业和大学普遍采用的模型预测控制算法以及日本学者大塚敏之提出的C/GMRES快速解法。这两种方法的结合解决了模型预测控制这种先进算法的实际应用问题。在此背景下，提高能源利用效率，减少汽车对环境的污染已成为当今汽车工业发展的首要任务。为了解决上述问题，需要设计出一种基于道路交通信息的可产业化的插电式混合动力汽车模型预测控制方法，从而实现节能减排目标。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够对未来车辆工况进行实时预测的插电式混合动力汽车节能预测控制方法，以达到最大限度地节能减排，并产业化插电式混合动力汽车能量管理中央控制器。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种插电式混合动力汽车节能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)信息采集：由全球定位系统采集车辆的位置信息和充电站位置信息，作为实时车辆状态反馈；由车载雷达测速装置采集前方车辆速度，用于跟踪控制；由智能交通系统采集交通信号信息以及实时路况信息，用于智能交通控制；由卡尔曼滤波器利用采集的蓄电池信息对蓄电池荷电状态进行测定；步骤2)车辆建模：行星齿轮式混联插电式混合动力汽车包含五大动态部件：它们是发动机、蓄电池、两个发电电动一体机和车轮；行星齿轮作为既有速度耦合器的作用又有电子无极变速器作用的动力分配装置，根据车辆机械耦合和电子耦合关系，列写系统动力学方程，对动力学方程解耦，获得系统的状态空间模型，如式(1)所示；x·=f(x,u)]]>x＝[ωeng p ωM/G2 xSOC]Tu＝[τeng τM/G2 τM/G1 τbrake]Tf(x,u)=Mτeng+NτM/G2+(MS+RS-NRS)τM/G1-Nτbrakegf-NτresistgfrwgfωM/G2Nτeng+PτM/G2+(NS+RS-PRS)τM/G1-Pτbrakegf-Pτresistgf-VOC-VOC2-4Pbatt(t)Rbatt2RbattQbatt]]>τresist=rwmg(μcos(θ)+sin(θ))+12ρCDArw(ωM/G2gfrw)2]]>MNNP=Ieng+(S+RS)2IM/G1-R(S+R)S2IM/G1-R(S+R)S2IM/G1IM/G2+Iwgf2+(RS)2IM/G1+mrw2gf2-1]]>M，N，P∈□                                 (1)式中，x为状态量，u为控制量，S和R是太阳轮和齿圈齿数，τM/G1，τM/G2，τresist，τbrake和τeng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机，车辆行驶阻力，车辆摩擦制动和发动机转矩；ωM/G1，ωM/G2和ωeng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机和发动机的角转速度；gf是主减速器速比；IM/G1，IM/G2，Iw和Ieng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机，车轮和发动机的转动惯量；rw是车轮半径；参数ρ，CD，A，m，g，μ和θ是空气密度，空气阻力系数，迎风面积，车辆质量，重力加速度，滚动阻力系数和道路坡度；参数p为车辆位置；xSOC为蓄电池荷电状态；VOC，Rbatt和Qbatt是蓄电池开路电压，内阻和容量；蓄电池功率Pbatt由式(2)计算：Pbatt＝τM/G1ωM/G1+τM/G2ωM/G2                  (2)道路坡度模型由S型函数分段线性近似，如式(3)所示：θ(p)=s11+e(s3(p-s2))+s41+e(s6(p-s5))+...---(3)]]>式中s1，s2，s3，s4，s5和s6是形函数参数；车辆的燃油经济性评价采用威兰氏线性模型,如式(4)所示：m·f=aτengωeng+b&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种插电式混合动力汽车节能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)信息采集：由全球定位系统采集车辆的位置信息和充电站位置信息，作为实时车辆状态反馈；由车载雷达测速装置采集前方车辆速度，用于跟踪控制；由智能交通系统采集交通信号信息以及实时路况信息，用于智能交通控制；由卡尔曼滤波器利用采集的蓄电池信息对蓄电池荷电状态进行测定；步骤2)车辆建模：行星齿轮式混联插电式混合动力汽车包含五大动态部件：它们是发动机、蓄电池、两个发电电动一体机和车轮；行星齿轮作为既有速度耦合器的作用又有电子无极变速器作用的动力分配装置，根据车辆机械耦合和电子耦合关系，列写系统动力学方程，对动力学方程解耦，获得系统的状态空间模型，如式(1)所示；x.=f(x,u)]]>x＝[ωeng p ωM/G2 xSOC]Tu＝[τeng τM/G2 τM/G1 τbrake]Tf(x,u)=Mτeng+NτM/G2+(MS+RS-NRS)τM/G1-Nτbrakegf-NτresistgfrwgfωM/G2Nτeng+PτM/G2+(NS+RS-PRS)τM/G1-Pτbrakegf-Pτresistgf-VOC-VOC2-4Pbatt(t)Rbatt2RbattQbatt]]>τresist=rwmg(μcos(θ)+sin(θ))+12ρCDArw(ωM/G2gfrw)2]]>MNNP=Ieng+(S+RS)2IM/G1-R(S+R)S2IM/G1-R(S+R)S2IM/G1IM/G2+Iwgf2+(RS)2IM/G1+mrw2gf2-1]]>M，N，P∈□   (1)式中，x为状态量，u为控制量，S和R是太阳轮和齿圈齿数，τM/G1，τM/G2，τresist，τbrake和τeng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机，车辆行驶阻力，车辆摩擦制动和发动机转矩；ωM/G1，ωM/G2和ωeng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机和发动机的角转速度；gf是主减速器速比；IM/G1，IM/G2，Iw和Ieng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机，车轮和发动机的转动惯量；rw是车轮半径；参数ρ，CD，A，m，g，μ和θ是空气密度，空气阻力系数，迎风面积，车辆质量，重力加速度，滚动阻力系数和道路坡度；参数p为车辆位置；xSOC为蓄电池荷电状态；VOC，Rbatt和Qbatt是蓄电池开路电压，内阻和容量；蓄电池功率Pbatt由式(2)计算：Pbatt＝τM/G1ωM/G1+τM/G2ωM/G2                        (2)道路坡度模型由S型函数分段线性近似，如式(3)所示：θ(p)=s11+e(s3(p-s2))+s41+e(s6(p-s5))+···---(3)]]>式中s1，s2，s3，s4，s5和s6是形函数参数；车辆的燃油经济性评价采用威兰氏线性模型,如式(4)所示：m.f=aτengωeng+bωeng+cωeng3h+kωeng+lωeng2---(4)]]>式中mf为燃油消耗率；参数a，b，c，h，k和l为常数；步骤3)公式化控制策略：插电式混合动力汽车能量管理模型预测最优控制策略的步骤为：首先检测插电式混合动力车辆状态以及道路交通信息，其次运用所建立的数学模型和公式化控制策略求解最优控制问题，最后应用所求得的最优控制序列的第一个控制量于系统；由于模型预测控制为区间最优控制，所以其求得的最优控制量是数量为预测区间除以采样间隔的序列；最优控制序列的第一个控制量与实际状态最接近，采用它来作为实际的控制量；插电式混合动力汽车不同于一般混合动力汽车，其蓄电池容量保证车辆纯电动状态续航30km，利用基础设施充电站进行快速充电，其有比一般混合动力汽车更好的燃油经济性；电量维持阶段的最优控制问题定义如式(5)所示：minimize,J=∫tt+TLCS(x(τ|t),u(τ|t))dτ]]>subject to τM/G2min≤τM/G2(τ|t)≤τM/G2max                  (5)τM/G1min≤τM/G1(τ|t)≤τM/G1max0≤τbrake(τ|t)≤τbrakemax式中T为预测区间，τM/G2max，τM/G2min，τM/G1max，τM/G1min和τbrakemax为控制量约束；评价函数定义如式(6)所示：LCS＝wxLx+wyLy+wzLz+wdLd+weLe...

【技术特征摘要】
1.一种插电式混合动力汽车节能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)信息采集：由全球定位系统采集车辆的位置信息和充电站位置信息，
作为实时车辆状态反馈；由车载雷达测速装置采集前方车辆速度，用于跟踪控
制；由智能交通系统采集交通信号信息以及实时路况信息，用于智能交通控制；
由卡尔曼滤波器利用采集的蓄电池信息对蓄电池荷电状态进行测定；
步骤2)车辆建模：行星齿轮式混联插电式混合动力汽车包含五大动态部件：
它们是发动机、蓄电池、两个发电电动一体机和车轮；行星齿轮作为既有速度
耦合器的作用又有电子无极变速器作用的动力分配装置，根据车辆机械耦合和
电子耦合关系，列写系统动力学方程，对动力学方程解耦，获得系统的状态空
间模型，如式(1)所示；
x.=f(x,u)]]>x＝[ωeng p ωM/G2 xSOC]Tu＝[τeng τM/G2 τM/G1 τbrake]Tf(x,u)=Mτeng+NτM/G2+(MS+RS-NRS)τM/G1-Nτbrakegf-NτresistgfrwgfωM/G2Nτeng+PτM/G2+(NS+RS-PRS)τM/G1-Pτbrakegf-Pτresistgf-VOC-VOC2-4Pbatt(t)Rbatt2RbattQbatt]]>τresist=rwmg(μcos(θ)+sin(θ))+12ρCDArw(ωM/G2gfrw)2]]>MNNP=Ieng+(S+RS)2IM/G1-R(S+R)S2IM/G1-R(S+R)S2IM/G1IM/G2+Iwgf2+(RS)2IM/G1+mrw2gf2-1]]>M，N，P∈□   (1)
式中，x为状态量，u为控制量，S和R是太阳轮和齿圈齿数，τM/G1，τM/G2，
τresist，τbrake和τeng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机，车辆行驶
阻力，车辆摩擦制动和发动机转矩；ωM/G1，ωM/G2和ωeng是第一发电电动一体机，
第二发电电动一体机和发动机的角转速度；gf是主减速器速比；IM/G1，IM/G2，Iw和Ieng是第一发电电动一体机，第二发电电动一体机，车轮和发动机的转动惯量；
rw是车轮半径；参数ρ，CD，A，m，g，μ和θ是空气密度，空气阻力系数，
迎风面积，车辆质量，重力加速度，滚动阻力系数和道路坡度；参数p为车辆
位置；xSOC为蓄电池荷电状态；VOC，Rbatt和Qbatt是蓄电池开路电压，内阻和容量；
蓄电池功率Pbatt由式(2)计算：
Pbatt＝τM/G1ωM/G1+τM/G2ωM/G2                        (2)
道路坡度模型由S型函数分段线性近似，如式(3)所示：
θ(p)=s11+e(s3(p-s2))+s41+e(s6(p-s5))+···---(3)]]>式中s1，s2，s3，s4，s5和s6是形函数参数；
车辆的燃油经济性评价采用威兰氏线性模型,如式(4)所示：
m.f=aτengωeng+bωeng+cωeng3h+kωeng+lωeng2---(4)]]>式中mf为燃油消耗率；参数a，b，c，h，k和l为常数；
步骤3)公式化控制策略：插电式混合动力汽车能量管理模型预测最优控制
策略的步骤为：首先检测插电式混合动力车辆状态以及道路交通信息，其次运
用所建立的数学模型和公式化控制策略求解最优控制问题，最后应用所求得的
最优控制序列的第一个控制量于系统；由于模型预测控制为区间最优控制，所
以其求得的最优控制量是数量为预测区间除以采样间隔的序列；最优控制序列
的第一个控制量与实际状态最接近，采用它来作为实际的控制量；
插电式混合动力汽车不同于一般混合动力汽车，其蓄电池容量保证车辆纯

\t电动状态续航30km，利用基础设施充电站进行快速充电，其有比一般混合动力
汽车更好的燃油经济性；
电量维持阶段的最优控制问题定义如式(5)所示：
minimize,J=∫tt+TLCS(x(τ|t),u(τ|t))dτ]]>subject to τM/G2min≤τM/G2(τ|t)≤τM/G2max                  (5)
τM/G1min≤τM/G1(τ|t)≤τM/G1max0≤τbrake(τ|t)≤τbrakemax式中T为预测区间，τM/G2max，τM/G2min，τM/G1max，τM/G1min和τbrakemax为控制量约束；
评价函数定义如式(6)所示：
LCS＝wxLx+wyLy+wzLz+wdLd+weLe+wfLf+wgLg+whLh+wiLi+wjLj+wkLk+wlLlLx=m.f]]>Ly=12(rwgfω.M/G2+gsin(θ))2]]>Lz=12(v...

【专利技术属性】
技术研发人员：余开江，胡治国，谭兴国，刘巍，荆鹏辉，谢贝贝，许孝卓，王允建，王莉，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41