两交叉口间加速‑匀速‑减速三段式驾驶模式的节能方法技术

本发明专利技术公开了两交叉口间加速‐匀速‐减速三段式驾驶模式的节能方法，属于汽车驾驶辅助系统技术领域；该方法包括根据确定的三种速度分别建立加速阶段、匀速阶段、减速阶段的节能优化模型；其中，加速阶段通过构建挡位连续型车辆的经济性最优控制模型，结合变分法提出通用的数值求解方法；匀速阶段控制加速度为0m/s，并以加速阶段的末速度来巡航；减速阶段控制发动机输出功率为0kw，并以匀速阶段的速度作为本阶段的初速度，结合车辆纵向动力学模型得到优化的减速度；综合这三个阶段，对该过程整体上进行优化和分析，形成定量化的加速‑匀速‑减速三段式驾驶节能模式。本发明专利技术方法具有较高的计算精度、较快的计算速度及较强的节油能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车驾驶辅助系统
，特别涉及一种挡位连续型车辆在两交叉口间的加速-匀速-减速三段式驾驶模式的节能方法。
技术介绍
当下我国能源紧缺、大气污染严重，节能与环保技术已经成为汽车行业的研究重点，也受到国家和政府的高度重视。国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划》中指出，乘用车平均百公里油耗至2020年须从2010年的7.71L降至5L。《2014－2015年节能减排低碳发展行动方案》中指出，单位GDP二氧化碳排放量两年分别下降4％、3.5％以上，这对汽车提出了更为严格的节能减排要求。实际上，车辆的行驶油耗不仅与车辆本身相关，与驾驶员的驾驶方式也密不可分。研究表明，经济性驾驶行为可平均降低燃油约10％。加速-匀速-减速三段式驾驶模式是车辆行驶的典型驾驶模式，尤其在经济性驾驶场景多信号交叉口的条件下，该驾驶模式是车辆行驶的基本驾驶单元，其停车再启动过程是导致油耗增加的重要原因。因此探索三段式驾驶模式的节能操作方式对降低行车油耗具有积极意义。目前，我国学者主要研究了车辆在一般行车意义下的节能驾驶策略，通过构建相关车辆模型及基于该模型的最优控制问题，求解优化的驾驶策略。本申请专利技术人清华大学李升波等研究了档位离散型车辆的经济性加速策略，指出过于激进或过于平缓的加速均会造成经济性变差。徐少兵等针对配备CVT(档位连续型)型变速器的车辆，采用伪谱法研究其经济性加速策略，该研究表明：(1)经济性加速策略本质上是提高发动机效率和降低风阻能耗的整体协调优化；(2)最优加速策略是与发动机特性和目标末速度密切相关的动态策略；(3)过于激烈或平缓的加速度都会使油耗增大。徐少兵等采用的伪谱法是一种最优控制方法，它采用全局配点法，相较于其他传统配点法、打靶法等直接法具有更好的求解精度和收敛速度，但其求解速度仍然难以满足实际应用的要求。且目前国内的研究仅局限于车辆加速过程，并没有针对特定驾驶场景提出一种有效的节油驾驶策略。国外学者虽针对车辆在多信号交叉口间行驶进行油耗优化策略的研究，但也存在油耗模型简单、未考虑车辆动力学模型等缺点。2012年，Henry X.Liu等发表的学术论文中提出了应用多阶段最优控制法求解多信号交叉口间车辆最优速度控制问题。为简化计算过程，该论文假设车辆在行驶过程中尽可能以经济性速度行驶，且加速度在同一加速阶段内恒定(不同加速阶段的加速度可不同)，将该方法与应用通用伪谱法最优控制软件(GeneralPseudo-spectral Optimal Control Software,GPOPS)求解、不采取优化策略求解的三种结果进行对比，发现解析法可节油70％，GPOPS求解结果可节油64％，且解析法的计算时间远
小于GPOPS法。但该论文采用了简化的油耗模型，即以车辆速度、加速度等计算车辆的瞬时需求功率，进而查表得到汽车的行驶油耗。它的优点是模型简洁，便于实验获取，缺点是无法准确的反映发动机喷油特性，模型精度低。Galpin Thomas等采用最短路径算法(Dijkstra algorithm)给出了车辆通过多信号交叉口的油耗最优的行驶路径。但该论文忽略了车辆的纵向动力学模型，假设车辆在两信号交叉口之间匀速行驶，且使用简单经验公式(假设油耗为速度、加速度的函数)计算发动机油耗，不能准确反映发动机在行车过程中的实际耗油。SanjibanKundu等提供了车辆通过信号交叉口的三种速度控制算法，通过给定的三种规则，进行仿真研究，发现当保证车辆在绿灯区间通过，且尽可能使车辆以经济性速度(可根据发动机万有特性图和车辆参数得到)行驶的节油效果最优，对于单个车队可节油10％。不足之处仍在于油耗模型简单，不能反映实际油耗，且未考虑车辆纵向动力学模型。目前，对于装备了CVT型变速器的车辆加速-匀速-减速三段式节油优化方法的理论研究基本空白，一个重要的原因在于发动机油耗的不连续性，使得加速阶段建立的最优控制模型不连续(隶属于混合整型问题)，理论和数值求解均十分困难。另一原因在于如何综合考虑加速-匀速-减速这三个阶段还有待研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决已有技术存在的问题，提出两交叉口间加速-匀速-减速三段式驾驶模式的节能方法，用于装备CVT型变速器的车辆。本专利技术的车辆的加速-匀速-减速三段式驾驶节能方法指合理地控制发动机功率，使得加速阶段发动机油耗最小。与传统的节能方法相比，本专利技术方法具有较高的计算精度、较快的计算速度及较强的节油能力。本专利技术提出的两交叉口间加速‐匀速‐减速三段式驾驶模式的节能方法，其特征在于：该方法包括确定匀速阶段的速度、加速阶段的末速度及减速阶段的初速度，根据确定的三种速度分别建立加速阶段、匀速阶段、减速阶段的节能优化模型；其中，加速阶段通过构建挡位连续型车辆的经济性最优控制模型，结合变分法提出通用的数值求解方法；匀速阶段控制加速度为0m/s，并以加速阶段的末速度来巡航；减速阶段控制发动机输出功率为0kw，并以匀速阶段的速度作为本阶段的初速度，结合车辆纵向动力学模型得到优化的减速度；综合这三个阶段，对该过程整体上进行优化和分析，形成定量化的加速-匀速-减速三段式驾驶节能模式。具体包括以下步骤：1)确定三阶段对应的速度：确定车辆匀速行驶的速度vc如式(1)所示，车辆的经济性速度veco和道路限速vmax均已知，若veco≤vmax，则匀速行驶的速度vc为veco，反之则为vmax；vc=veco,veco≤vmaxvmax,veco>vmax---(1)]]>其中，所述veco为车辆在匀速行驶百公里油耗最低条件下所对应的速度；因此，得到车辆加速阶段的末速度vaf及减速阶段的初速度vd0如式(2)所示：vc＝vaf＝vd0 (2)2)建立加速阶段的节能优化模型：本专利技术车辆加速阶段的目标函数由发动机总油耗与加速距离修正项组成，其中，发动机总油耗JL如式(3)所示：JL=∫0tfQs(Pe)dt---(3)]]>其中，tf为加速时间，Pe为发动机功率，Qs(Pe)表示发动机的总瞬时喷油率，本专利技术采用发动机油耗MAP估计瞬时喷油率；由于CVT型变速器可连续变换速比，发动机瞬时喷油率qs简化为发动机功率的函数，如式(4)所示：qs(Pe)=a0+a1Pe+a2Pe2,Pe≥0---(4)]]>其中，ai(i＝0,1,2)为拟合系数，ai的取值范围为10-2至10；引入发动机动态修正项ke(dPe/dt)2，得到发动机的动态油耗Qs：Qs=qs+ke(dPedt)2---(5)]]>其中，ke为发动机动态油耗修正系数，ke的数量级为10-4；所述加速距离修正项JM为：JM＝-ksSf (6)其中，ks为加速距离修正系数，设定为ks＝-Qs(veco)/veco，Qs(veco)表示车辆在经济性速度veco下发动机的总瞬时喷油率，Sf为加速距离；故当量油耗指标为：J=JM+JL=-ksSf+∫0tfQs(Pe)dt---(7)]]>在加速过程中，等式约束条件包括式(8)和(9)：发动机经济性曲线服从式(8):Teco(weco)＝keco(weco-b)γ (8)其中，Teco(weco)表示为BSFC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两交叉口间加速‐匀速‐减速三段式驾驶模式的节能方法，其特征在于：该方法包括确定匀速阶段的速度、加速阶段的末速度及减速阶段的初速度，根据确定的三种速度分别建立加速阶段、匀速阶段、减速阶段的节能优化模型；其中，加速阶段通过构建挡位连续型车辆的经济性最优控制模型，结合变分法提出通用的数值求解方法；匀速阶段控制加速度为0m/s，并以加速阶段的末速度来巡航；减速阶段控制发动机输出功率为0kw，并以匀速阶段的速度作为本阶段的初速度，结合车辆纵向动力学模型得到优化的减速度；综合这三个阶段，对该过程整体上进行优化和分析，形成定量化的加速‑匀速‑减速三段式驾驶节能模式。

【技术特征摘要】
1.一种两交叉口间加速‐匀速‐减速三段式驾驶模式的节能方法，其特征在于：该方法包括确定匀速阶段的速度、加速阶段的末速度及减速阶段的初速度，根据确定的三种速度分别建立加速阶段、匀速阶段、减速阶段的节能优化模型；其中，加速阶段通过构建挡位连续型车辆的经济性最优控制模型，结合变分法提出通用的数值求解方法；匀速阶段控制加速度为0m/s，并以加速阶段的末速度来巡航；减速阶段控制发动机输出功率为0kw，并以匀速阶段的速度作为本阶段的初速度，结合车辆纵向动力学模型得到优化的减速度；综合这三个阶段，对该过程整体上进行优化和分析，形成定量化的加速-匀速-减速三段式驾驶节能模式。2.如权利要求1所述两交叉口间加速‐匀速‐减速三段式驾驶模式的节能方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：1)确定三阶段对应的速度：确定车辆匀速行驶的速度vc如式(1)所示，车辆的经济性速度veco和道路限速vmax均已知，若veco≤vmax，则匀速行驶的速度vc为veco，反之则为vmax；vc=veco,veco≤vmaxvmax,veco>vmax---(1)]]>其中，所述veco为车辆在匀速行驶百公里油耗最低条件下所对应的速度；因此，得到车辆加速阶段的末速度vaf及减速阶段的初速度vd0如式(2)所示：vc＝vaf＝vd0 (2)2)建立加速阶段的节能优化模型：本发明车辆加速阶段的目标函数由发动机总油耗与加速距离修正项组成，其中，发动机总油耗JL如式(3)所示：JL=∫0tfQs(Pe)dt---(3)]]>其中，tf为加速时间，Pe为发动机功率，Qs(Pe)表示发动机的总瞬时喷油率，本发明采用发动机油耗MAP估计瞬时喷油率；由于CVT型变速器可连续变换速比，发动机瞬时喷油率qs简化为发动机功率的函数，如式(4)所示：qs(Pe)=a0+a1Pe+a2Pe2,Pe≥0---(4)]]>其中，ai(i＝0,1,2)为拟合系数，ai的取值范围为10-2至10；引入发动机动态修正项ke(dPe/dt)2，得到发动机的动态油耗Qs：Qs=qs+ke(dPedt)2---(5)]]>其中，ke为发动机动态油耗修正系数，ke的数量级为10-4；所述加速距离修正项JM为：JM＝-ksSf (6)其中，ks为加速距离修正系数，设定为ks＝-Qs(veco)/veco，Qs(veco)表示车辆在经济性速度veco下发动机的总瞬时喷油率，Sf为加速距离；故当量油耗指标为：J=JM+JL=-ksSf+∫0tfQs(Pe)dt---(7)]]>在加速过程中，等式约束条件包括式(8)和(9)：发动机经济性曲线服从式(8):Teco(weco)＝keco(weco-b)γ (8)其中，Teco(weco)表示为BSFC的经济性曲线上的发动机的转矩，weco为BSFC的经济性曲线上的发动机转速，keco、γ及b为拟合系数；同时，通过式(9)协调发动机转速以达到最优：ig=πrwcvi0·weco---(9)]]>其中，ig为变速器速比，i0为主减速器速比，rw为车辆轮胎半径，c为系数；不等式约束条件包括：发动机功率Pe、变速器速比ig、道路最大限速vmax约束：Pemin≤Pe≤Pemaxigmin≤ig≤igmax0≤v≤vmax---(10)]]>其中，Pemin、Pemax分别为发动机功率的最小值及最大值，igmin、igmax为变速器速比的最小值及最大值；对车辆进行以下简化：a)忽略发动机及CVT型变速器旋转部件的高阶动态特性，以及传动系统的间隙和扭转变形；b)假设离合器动态过程中无滑磨现象；c)假设传动系统在不同传动比、不同传动功率下传动效率一致；根据动力学方程及上述简化条件，得到在加速、匀速及减速阶段均适用的节能优化模型的状态方程为：s·=vv·=(ηTPev-CAv2-Mfg)·1δM---(11)]]>其中，s为车辆行驶距离，v为速度，ηT为传动系传动总效率，CA＝0.5CDρaAv，CD为风阻系数，ρa为空气密度，Av为车辆迎风面积，M为整车质量，g为重力系数，f为摩擦系数，δ为旋转质量系数；综上，本发明构建的加速阶段节能优化模型如下：minJ=-ksSf+∫0tfQs(Pe)dt---(12)]]>服从于s·v·=010-CAv2+MfgδMvsv+0ηTδMvPe]]>Teco(weco)＝keco(weco-b)γig=πrwcvi0·weco]]>Pemin≤Pe≤Pemaxigmin≤ig≤igmax0≤v≤vmaxx(0)＝(0 0)Tx(tf)＝(Sf 0)T其中，x(0)＝(0 0)T表示初始距离和速度均为0，x(0)＝(0 0)T表示终端距离和速度分别为Sf和0；在加速阶段，求解式(12)得到，单位速度变化Δv对应的当量油耗EΔ为：EΔ=-ks(veco)v+qs(Pe)g(Pe,v)=13.6a[a0+10-3a1(aδMvηT+Pd(v))+10-6a2(aδMvηT+Pd(v))2...+Pd(v)2]-1aqs(vf,0)vvf---(13)]]>其中，a为加速阶段的加速度；Pd(v)＝(CAv2+Mgf)v/ηT，Pd(v)表示速度为v时，车辆提供的以克服空气阻力和摩擦阻力所需的功率；qs(vf,0)＝a0+10-3a1Pe(vf,0)+10-6a2Pe2(vf,0),表示加速度为0时的发动机瞬时喷油率；Pe(vf,0)表示速度为vf且加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：李升波，林庆峰，杜雪瑾，郭强强，成波，张小雪，李克强，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11