一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，属于整车热管理技术领域。该方法为：S1：建立纯电动汽车整车动力－电机－电池系统模型；S2：基于集总参数法建立了电动汽车空调系统、电池冷却系统、电机冷却系统以及乘员舱的模型，为后续热管理系统控制策略的建立奠定了基础；S3：构建了交通信号灯正时场景模型，基于能耗优化建立了能够保证在绿灯时顺利通过的车队纵向速度规划数学模型；S4：设计了一种结合车速纵向规划的模型预测控制智能热管理控制方法。本发明专利技术基于交通信息、车车信息以及能耗优化的车辆纵向规划车速对队列进行耦合控制，实现车辆队列的温度控制和节能控制，具有比较好的好温控能力和节能效益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法


[0001]本专利技术属于整车热管理
，涉及一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法。

技术介绍

[0002]作为一个由各种材料、结构不同的零部件形成的复杂系统，电动汽车每个零部件的最佳工作温度和温度耐受程度都是不一样的，因此需要电动汽车的热管理系统通过有效的加热、散热、保温等措施以保证每个零部件维持在适宜的温度区间工作。大量的实验研究表明电池性能受温度的影响是最大的，根据Pesaran的研究表明，电池的最佳工作温度处于15℃
‑
35℃，高于或者低于这个区间都会对电池自身的性能造成损害。同时动力系统中通常要求电机冷却水温低于80℃，电机控制器冷却水温低于60℃，二者最佳工作温度区间有着很大区别，因此开发有效的热管理系统是解决纯电动车续航里程及安全性问题的有效方法。此外，在高温环境下乘员舱作为一个密闭环境很容易囤积热量而造成乘驾人的严重不适感，甚至产生安全隐患，空调系统能耗占到整车能耗的33％，其中空调压缩机在能量消耗率上占到绝对的比重，这也使得有限的电池容量和续航里程进一步减少，因此，设计和合理匹配良好的空调系统是非常重要的，模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)因其良好的鲁棒性、动态性能及协调多目标控制的特点受到高度重视和研究，逐渐被应用于汽车热管理方向。值得注意的是在道路上行驶的车辆并不是一个单一的个体，每辆车与其他车辆相耦合，以此形成车群系统，在这个系统中车辆、驾驶员、道路之间存在两两制约的关系，从而形成一个复杂的广义动力学系统。单单针对一个车进行管理控制的作用是有一定限制的，相关研究表明，车辆的队列化可以显著提高交通效率和驾驶安全性，降低区域性整车系统能耗。
[0003]目前大多学者虽然都在空调建模、电池建模、电机建模和整车热管理建模有所研究，但是大部分都是单独进行各部件建模，将整车热管理部件进行耦合控制的热管理控制策略研究还比较少。同时，车辆队列的研究大多是在混合动力汽车的能量管理研究，将车联网车辆队列规划车速与整车热管理结合的智能控制策略几乎没有。针对此领域研究不足的问题，本专利技术基于在夏季高温环境下整车热管理问题，设计一种基于能耗优化的纵向车速规划的MPC智能模型控制策略研究，搭建车路协同场景，对车辆队列在道路行驶过程中的纵向速度进行规划，降低行驶能耗，在满足各车乘员舱、电池和电机热管理需求的前提下，尽可能减小单车和车队群体的冷却能耗。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1：建立纯电动汽车整车动力
‑
电机
‑
电池系统模型；
[0008]S2：基于集总参数法建立电动汽车空调系统、电池冷却系统、电机冷却系统以及乘员舱的模型；
[0009]S3：构建了交通信号灯正时场景模型，基于能耗优化建立能够保证在绿灯时顺利通过的车队纵向速度规划数学模型；
[0010]S4：设计一种结合车速纵向规划的模型预测控制MPC智能热管理控制方法。
[0011]可选的，所述S1具体包括以下步骤：
[0012]S11：采用集总参数法建立电池电
‑
热耦合模型，所建立的模型包括电池电模型、热模型以及电热耦合模型；
[0013]S12：建立面向控制的车辆纵向动力学模型；
[0014]S13：建立面向控制的集总参数式的电机动态热模型。
[0015]可选的，所述S11中，采用的电池电
‑
热耦合模型包括：
[0016]S111：根据基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，Rint模型中的电池端电压U
L
、开路电压U
OCV
和电流I
bat
和等效内阻R之间的关系表达式为：
[0017]U
L
＝U
OCV
‑
I
bat
R
[0018]其中，等效电阻R为极化电阻R
p
与欧姆电阻R0之和，利用安时积分法对动力电池SOC进行计算，表达式如下所示：
[0019][0020]其中，SOC0为动力电池SOC的初始值，η
i
为库伦效率，C
max
为当前状态下动力电池的最大可用容量，I
bat
是动力电池在t时刻的充放电的电流值；
[0021]S112：采用集总参数法建立电池热模型，根据能量守恒定理，电池热模型是一个关于电池自产热和电池与外界换热的平衡关系式如下所示：
[0022][0023]其中，m
bat
为电池的质量，c
bat
为电池的比热容，T
bat
表示电池温度，Q
gen
为电池充放电过程中的产热功率，Q
dis
则为电池与外界环境的换热，包括热对流Q
conv
和热传导Q
cond
；
[0024]根据Bernardi在电池内部的热源生热均匀假设的基础上，在忽略混合热和相变热后，提出的简化的电池产热功率计算模型，得到电池产热模型：
[0025][0026]其中，dU
ocv
/dT称为温熵系数，U
ocv
表示开路电压，R0和R
p
分别为欧姆内阻和极化内阻，I
bat
表示电池电流；
[0027]建立动力电池电热耦合模型，单体电池在进行充放电或HPPC等实验时，与外界环境进行热交换，通过电池表面与外界进行对流换热实现；对流换热计算采用牛顿冷却公式，如下所示：
[0028]Q
conv
＝h
conv
A
conv
(T
air
‑
T
bat
)
[0029]其中，h
conv
为流体与动力电池之间的换热系数；A
conv
为流体与电池之间的换热面
积；T
air
为环境空气温度；T
bat
为电池温度；电池与水冷板之间通过热传导进行换热；
[0030]S113：将电池电热模型耦合，获得电池电
‑
热耦合模型，表征锂离子动力电池在充、放电过程中的各项参数变化。
[0031]可选的，所述S12中，面向控制的车辆纵向动力学模型包括：
[0032]建立车辆的纵向运动学模型如下所示：
[0033]F
t
＝F
f
+F
i
+F
j
+F
w
[0034]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：建立纯电动汽车整车动力
‑
电机
‑
电池系统模型；S2：基于集总参数法建立电动汽车空调系统、电池冷却系统、电机冷却系统以及乘员舱的模型；S3：构建了交通信号灯正时场景模型，基于能耗优化建立能够保证在绿灯时顺利通过的车队纵向速度规划数学模型；S4：设计一种结合车速纵向规划的模型预测控制MPC智能热管理控制方法。2.根据权利要求1所述的一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，其特征在于：所述S1具体包括以下步骤：S11：采用集总参数法建立电池电
‑
热耦合模型，所建立的模型包括电池电模型、热模型以及电热耦合模型；S12：建立面向控制的车辆纵向动力学模型；S13：建立面向控制的集总参数式的电机动态热模型。3.根据权利要求2所述的一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，其特征在于：所述S11中，采用的电池电
‑
热耦合模型包括：S111：根据基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，Rint模型中的电池端电压U
L
、开路电压U
OCV
和电流I
bat
和等效内阻R之间的关系表达式为：U
L
＝U
OCV
‑
l
bat
R其中，等效电阻R为极化电阻R
p
与欧姆电阻R0之和，利用安时积分法对动力电池SOC进行计算，表达式如下所示：其中，SOC0为动力电池SOC的初始值，η
i
为库伦效率，C
max
为当前状态下动力电池的最大可用容量，I
bat
是动力电池在t时刻的充放电的电流值；S112：采用集总参数法建立电池热模型，根据能量守恒定理，电池热模型是一个关于电池自产热和电池与外界换热的平衡关系式如下所示：其中，m
bat
为电池的质量，c
bat
为电池的比热容，T
bat
表示电池温度，Q
gen
为电池充放电过程中的产热功率，Q
dis
则为电池与外界环境的换热，包括热对流Q
conv
和热传导Q
cond
；根据Bernardi在电池内部的热源生热均匀假设的基础上，在忽略混合热和相变热后，提出的简化的电池产热功率计算模型，得到电池产热模型：其中，dU
ocv
/dT称为温熵系数，U
ocv
表示开路电压，R0和R
p
分别为欧姆内阻和极化内阻，I
bat
表示电池电流；建立动力电池电热耦合模型，单体电池在进行充放电或HPPC等实验时，与外界环境进
行热交换，通过电池表面与外界进行对流换热实现；对流换热计算采用牛顿冷却公式，如下所示：Q
conv
＝h
conv
A
conv
(T
air
‑
T
bat
)其中，h
conv
为流体与动力电池之间的换热系数；A
conv
为流体与电池之间的换热面积；T
air
为环境空气温度；T
bat
为电池温度；电池与水冷板之间通过热传导进行换热；S113：将电池电热模型耦合，获得电池电
‑
热耦合模型，表征锂离子动力电池在充、放电过程中的各项参数变化。4.根据权利要求2所述的一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，其特征在于：所述S12中，面向控制的车辆纵向动力学模型包括：建立车辆的纵向运动学模型如下所示：F
t
＝F
f
+F
i
+F
j
+F
w
其中，F
t
为车辆驱动力，F
f
为滚动阻力，F
i
为斜坡阻力，F
j
为加速阻力，F
w
为空气阻力，求得纯电动车行驶过程中的牵引功率及车轮转矩如下式所示：P
t
＝F
t
v
car
其中，r为车轮半径。5.根据权利要求2所述的一种基于交通信息的电动汽车车队热管理系统控制方法，其特征在于：所述S13中，面向控制的集总参数式的电机动态热模型包括：假设电机损耗均以热量的形式，则电机损耗Q
motor
表现为电磁损耗Q
ele
、机械损耗Q
mm
以及杂散损耗Q
stray
三者的和，其中杂散损耗忽略不计，电磁损耗又由绕组铜损耗、铁芯损耗以及永磁体涡流损耗构成，表达式如下：Q
motorloss
＝Q
ele
+Q
mm
＝Q
Fe
+Q
Cu
+Q
per
+Q
mm
电机控制器和DC
‑
DC元件产热取5％作为平均热损耗率建立简单的电气元件产热模型，电气元件产热Q
E
用下式表示：Q
E
＝k
E
P
m，i
其中，k
E
为平均热损耗率，P
m,i
为电机输入功率；电机散热过程中热传导换热量用下式进行计算；Q
motorconv
＝h
m
A
m
(T
a
‑
T

【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，袁佳慧，谢翌，李亚敏，张扬军，李夔宁，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：