一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，该方法根据每一时刻车辆的功率需求，锂电池以及超级电容SOC状况来进行能量管理。在非线性预测控制策略中，控制器将会预测未来一定周期的速度，通过车辆运行速度功率模型转化为功率，并通过二次规划有效集法，以最小功率损耗为指标优化锂电池的输出电流，完成锂电池和超级电容的功率分配。该方法在满足所需功率的基础上，可以减少系统能量的损耗，减少锂电池的使用并延长锂电池的寿命，并且提高混合动力系统的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法
本专利技术涉及一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车能量管理方法。
技术介绍
当前汽车高度依赖不可再生燃料不符合全球环境可持续发展的主题。为了解决传统汽车造成的空气污染和资源的枯竭问题，电动汽车的研究受到人们的高度重视。对于电动汽车的储能系统，锂电池由于其重量轻、储能大、功率大、无污染等特点得到广泛应用，但单独使用锂电池可能导致电池组过热并缩短其寿命。而超级电容具有寿命长和瞬时功率高等优点，对电池动力系统有很好的辅助作用。另外，超级电容工作的温度范围广，并且可以完全吸收汽车的制动能量。所以锂电池与超级电容组合的混合动力系统可以满足电动汽车的需求。因此，如何高效发挥锂电池及超级电容的特点及优势，对二者能量进行优化分配是动力系统能量管理的核心和关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决电动汽车车混合动力系统的能量分配问题，本文提出了一种基于规则与非线性预测控制的复合能源管理方法，该方法根据每一时刻车辆的功率需求，锂电池以及超级电容SOC状况来进行能量管理。在非线性预测控制策略中，控制器将会预测未来一定周期的速度，通过车辆运行速度功率模型转化为功率，并通过二次规划算法，以最小功率损耗为指标优化锂电池的输出电流，完成锂电池和超级电容的功率分配。实验结果表明，该方法可以避免电池组频繁充放电并延长锂电池的寿命，同时减少系统能量的损耗，提高混合动力系统的效率。本专利技术具体采用的技术方案如下：一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，在该复合能量管理方法中，将基于非线性预测控制的能量管理策略与基于规则的能量管理策略相结合，以完成对混合动力系统的能量分配；当汽车所需功率高于功率阈值时，采用基于非线性预测控制的能量管理策略，通过非线性预测控制器得到锂电池与超级电容的输出电流，从而完成能量分配；当汽车所需功率低于功率阈值时，采用基于规则的能量管理策略直接得到锂电池和超级电容的输出功率。基于上述技术方案，本专利技术还可以提供如下优选方式。作为优选，电动汽车混合动力系统由锂电池和超级电容组成。作为优选，该方法通过每个时刻汽车运行所需功率Pn、锂电池的SOC以及超级电容的SOC进行锂电池功率Pb与超级电容功率Puc的分配，具体的分配策略如下：若Pn<0且USOC>USOCH，则使Pb＝Pn且Puc＝0；若Pn<0且USOC≤USOCH，则使Pb＝0且Puc＝Pn；若0≤Pn≤PL且USOC>USOCL且BSOC>BSOCL,则使Pb＝Pn且Puc＝0；若Pn>PL且USOC>USOCL且BSOC>BSOCL，则采用基于非线性预测控制的能量管理策略进行功率分配；若Pn>0且USOC≤USOCL且BSOC>BSOCL,则使Pb＝Pn且Puc＝0；若Pn>0且USOC>USOCL且BSOC≤BSOCL,则使Pb＝0且Puc＝Pn；若Pn>0且USOC≤USOCL且BSOC≤BSOCL,则使Pb＝0且Puc＝0；其中，Pn表示每个时刻汽车运行所需功率，BSOC表示锂电池的SOC，USOC表示超级电容的SOC；USOCH、USOCL分别表示超级电容SOC的上限值、下限值，BSOCL表示锂电池SOC的下限值，PL表示混合动力系统两种策略的功率阈值。进一步的，在所述基于非线性预测控制的能量管理策略中，预测未来一定周期的速度，通过车辆速度功率模型求出未来一定周期内所需功率，并通过二次规划有效集法，以最小功率损耗为指标优化锂电池的输出电流，完成锂电池和超级电容的功率分配；基于非线性预测控制的能量管理策略的步骤为：步骤1).通过当前时刻的转矩与车辆速度预测一定周期内的速度；步骤2).计算预测周期内每个时刻所需要的功率；步骤3).利用二次规划有效集法计算预测周期内每个时刻目标函数的最优解，并输出第一个时刻的解作为最优控制命令；步骤4).计算锂电池与超级电容功率，Pb＝iL·Ub,Puc＝ic·Uc，并在下个时刻重复上述步骤；其中，iL为锂电池输出电流，ic为超级电容输出电流，Ub为锂电池电压，Uc为超级电容电压。更进一步的，所述步骤1)～4)中，具体计算过程如下：假设驱动转矩在预测周期内呈指数下降，并表示为：其中，TW(k)表示k时刻作用在车轮上的驱动转矩，且加速为正，减速为负；Δt表示采样时间，τd表示衰减系数，HF表示预测周期步长；预测车辆速度为：V(k)＝ua；同时，车辆速度功率模型为：其中，V(k)表示k时刻的车辆速度，Pn表示汽车运行所需功率，M表示汽车质量，f表示滚动阻力系数，g表示重力加速度，α表示道路坡度，Car表示空气阻力系数，A表示汽车迎风面积，δ表示转动质量修正系数，ηT表示传输系统的效率，RW表示车轮半径，ua表示车辆当前速度；基于预测速度，通过车辆速度功率模型得到预测所需功率，再通过二次规划优化锂电池输出电流iL和超级电容的输出电流ic；设锂电池输出电流iL为控制量，目标函数J定义如下：其中，iL(k)和ic(k)分别为k时刻的锂电池输出电流和超级电容输出电流；Ri为锂电池内阻，Rc为超级电容内阻，N为优化步长；同时约束条件如下：Pn＝Puc+Pb；Pb＝iL·Ub；Puc＝ic·Uc；0.2≤BSOC(k)≤1；0.56≤USOC(k)≤0.92；0≤iL(k)≤100；40≤ic(k)≤200；其中，BSOC(k)为k时刻的锂电池SOC，USOC(k)为k时刻的超级电容SOC；通过优化得到一组锂电池输出电流：iL(0),iL(1),…,iL(N-1)，选择第一个元素iL(0)作为最优控制命令，即当前时刻锂电池输出电流。更进一步的，求解目标函数采用二次规划有效集法，具体计算过程如下：每个时刻，目标函数可以转化为如下二次规划问题：其中，利用二次规划有效集法求解过程如下：1)给定初始可行点x(0)，令A0＝A(x(0))，参数p＝0，A表示上述二次规划问题在该点的有效集；2)将二次规划问题进一步转化为等式约束二次规划问题：其中，Ap＝A(x(p))，x(p)为第p轮的可行点，解d＝[d1,d2]T，d1,d2为转化后二次规划问题的解中的元素；求得二次规划问题在第p轮的解d(p)及相应的拉格朗日乘子q∈Ap；3)若d(p)≠0,则x(p+1)＝x(p)+αpd(p),Ap+1＝Ap∪{q0}其中，αp为第p轮的可行因子，q0为αp取值时相应的序列值；令p＝p+1，转步骤2)；4)若d(p)＝0,则当时，可得最优解x(p)；否则x(p+1)＝x(p),Ap+1＝Ap\{qn}其中，qn为使取最小值时相应的序列值；令p＝p+1，转步骤2)。本专利技术提出的方法根据每一时刻车辆的功率需求，锂电池以及超级电容SOC状况来进行能量管理。在非线性预测控制策略中，控制器将会预测未来一定周期的速度，通过车辆运行速度功率模型转化为功率，并通过二次规划有效集法，以最小功率损耗为指标优化锂电池的输出电流，完成锂电池和超级电容的功率分配。该方法在满足所需功率的基础上，可以减少系统能量的损耗，减少锂电池的使用并延长锂电池的寿命，并且提高混合动力系统的效率。附图说明图1为电动汽车及双向电能转换研究实验平台结构图；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，其特征在于：在复合能量管理方法中，将基于非线性预测控制的能量管理策略与基于规则的能量管理策略相结合，以完成对混合动力系统的能量分配；当汽车所需功率高于功率阈值时，采用基于非线性预测控制的能量管理策略，通过非线性预测控制器得到锂电池与超级电容的输出电流，从而完成能量分配；当汽车所需功率低于功率阈值时，采用基于规则的能量管理策略直接得到锂电池和超级电容的输出功率。

【技术特征摘要】
1.一种基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，其特征在于：在复合能量管理方法中，将基于非线性预测控制的能量管理策略与基于规则的能量管理策略相结合，以完成对混合动力系统的能量分配；当汽车所需功率高于功率阈值时，采用基于非线性预测控制的能量管理策略，通过非线性预测控制器得到锂电池与超级电容的输出电流，从而完成能量分配；当汽车所需功率低于功率阈值时，采用基于规则的能量管理策略直接得到锂电池和超级电容的输出功率。2.如权利要求1所述的基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，其特征在于：电动汽车混合动力系统由锂电池和超级电容组成。3.如权利要求1所述的基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，其特征在于：该方法通过每个时刻汽车运行所需功率Pn、锂电池的SOC以及超级电容的SOC进行锂电池功率Pb与超级电容功率Puc的分配，具体的分配策略如下：若Pn<0且USOC>USOCH，则使Pb＝Pn且Puc＝0；若Pn<0且USOC≤USOCH，则使Pb＝0且Puc＝Pn；若0≤Pn≤PL且USOC>USOCL且BSOC>BSOCL,则使Pb＝Pn且Puc＝0；若Pn>PL且USOC>USOCL且BSOC>BSOCL，则采用基于非线性预测控制的能量管理策略进行功率分配；若Pn>0且USOC≤USOCL且BSOC>BSOCL,则使Pb＝Pn且Puc＝0；若Pn>0且USOC>USOCL且BSOC≤BSOCL,则使Pb＝0且Puc＝Pn；若Pn>0且USOC≤USOCL且BSOC≤BSOCL,则使Pb＝0且Puc＝0；其中，Pn表示每个时刻汽车运行所需功率，BSOC表示锂电池的SOC，USOC表示超级电容的SOC；USOCH、USOCL分别表示超级电容SOC的上限值、下限值，BSOCL表示锂电池SOC的下限值，PL表示混合动力系统两种策略的功率阈值。4.如权利要求3所述的基于规则与非线性预测控制的电动汽车复合能量管理方法，其特征在于：在所述基于非线性预测控制的能量管理策略中，预测未来一定周期的速度，通过车辆速度功率模型求出未来一定周期内所需功率，并通过二次规划有效集法，以最小功率损耗为指标优化锂电池的输出电流，完成锂电池和超级电容的功率分配；基于非线性预测控制的能量管理策略的步骤为：步骤1).通过当前时刻的转矩与车辆速度预测一定周期内的速度；步骤2).计算预测周期内每个时刻所需要的功率；步骤3).利用二次规划有效集法计算预测周期内每个时刻目标函数的最优解，并输出第一个时刻的解作为最优控制命令；步骤4).计算锂电池与超级电容功率，Pb＝iL·Ub,Puc＝ic·Uc，并在下个时刻重复上述步骤；其中，i...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶吉利，韩凯，马龙华，蔡卫明，
申请(专利权)人：浙江大学宁波理工学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33