多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法技术

本发明专利技术公开了多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，包括以下步骤：第一步：基于

【技术实现步骤摘要】
多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法


[0001]本专利技术属于插电式混合动力公交车领域，具体涉及一种多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法
。

技术介绍

[0002]随着新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，新能源汽车产业进入了加速发展的新阶段，为重塑汽车能源格局
、
应对全球气候变化和实现汽车产业可持续发展带来了新机遇
。
大力发展插电式混合动力汽车已经成为世界共识，且均力图占据该领域的技术制高点
。
[0003]电功率提升带来的能量深度耦合使插电式混合动力公交车具有多种高效的机
、
电耦合工作模式，为全局能量管理控制奠定了基础，同时公交工况的统计规律性使自适应能量管理控制成为可能，但是，节能潜力的充分挖掘取决于系统组件与控制的集成设计
。
因此，无论从学科发展和产业发展角度来看，开展
PHEB
系统组件稳健设计和控制研究都具有重要意义
。
[0004]当前，系统组件设计与控制已成为本领域国际学术界研究热点，问题难度主要体现在随机工况与随机质量和系统组件设计与控制的强耦合问题
、
多路线系统设计和控制的泛化问题和底层能量管理直接应用问题三个方面
。
[0005](1)
随机工况与随机质量和系统组件设计与控制的强耦合问题
[0006]公交线路不同时段的拥堵程度
、
站台停留时间的随机性
、
信号灯信号的随机性和驾驶员操作模式的分散性造成运行工况的随机性
。
因此，任意运行工况均无法客观反映公交线路的总体运行状态，随机工况是系统设计与控制的一种扰动
。
此外，任意公交路线具有多个站台，由于乘客数的随机性，任意两相邻站台路段的整车质量也具有随机性，因此，随机质量是系统设计与控制的另一扰动
。
[0007](2)
多路线系统组件设计与控制的泛化问题
[0008]现有系统组件设计与控制主要针对固定路线
(
固定距离
)。
不同路线距离对系统组件设计和控制的影响较随机工况更敏感
。
事实上，任意一款公交车较少运行于一条固定路线，而是运行于同一城市或者不同城市的不同路线，而且，不同路线的运行距离也不同
。
因此，开展具有较好泛化性能的多路线系统组件设计和控制研究具有重要意义
。
[0009](3)
底层能量管理直接应用问题
[0010]能量管理是实现系统组件设计和控制的底层模块，当工况已知，基于动态规划的能量管理可获取最优解
。
工况已知的条件限制了其应用
。
以规则能量管理为底层求解模块的方法可解决这一问题
。
以规则能量管理为底层模块，实现了考虑油耗和排放的多目标系统组件设计和应用
。
然而，规则能量管理策略无法使系统组件设计达到最优
。
此外，虽然通过引入工况预测实现了自适应控制，但控制思想与原底层能量管理不同，这可能导致系统组件设计方案失效，恶化整车经济性
。
因此，兼具直接应用和系统组件设计的能量管理策略有待进一步研究
。
[0011]专利
CN201310577362
公开了一种基于路况模型的插电式混合动力公交车动态逻
辑门限能量管理方法，步骤如下：
(1)
根据公交车历史交通信息和神经网络建立车辆行驶路况模型；
(2)
根据发车时间
、
线路和路况模型得到未来行驶速度及道路坡度变化曲线；
(3)
基于上述曲线及车辆参数计算车辆行驶所需能量，并根据其与电池可提供能量的差值动态调整车辆能量管理逻辑门限参数；
(4)
车辆控制器根据车辆行驶参数与逻辑门限参数选择工作模式
。
其存在以下缺点，
1.
该方法只针对固定单路线的公交车的能量管理，对公交线路变化时并不适用
。2.
在车辆运行过程中随机工况和随机质量的变化没有考虑在内，公交车在实际的运行过程中，随机工况和随机质量对燃油的消耗率占比重也比较大，故应考虑到其对燃油经济性的影响中去
。

技术实现思路

[0012]本专利技术要解决的技术问题是一种基于多路线插电式混合动力公交多目标稳健设计与控制方法针对单轴并联式插电式混合动力公交车，开展考虑多路线
、
随机工况和随机质量的系统组件稳健设计与控制关键技术研究
。
旨在提出一种满足设计和运行成本最优的两阶段系统组件稳健设计和控制方法，为产品研发提供理论指导和新的实践基础
。
[0013]为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0014]P1
：
PHEB
建模：
PHEB
的拓扑结构为单轴并联式插电式混合动力公交车，主要由发动机
、
离合器
、
自动手动变速器
(AMT)
电机和电池组成，在设计能量管理的基础上，通过对离合器状态的控制，可以实现发动机
、
电机
、
混合动力等多种工作模式
。
从参数不同的发动机
、
电机和不同速比的传动系统确定最佳的部件和相应的能量管理参数，假设路边车辆质量为
11000kg
，最大乘客人数为
60
人，每个乘客的质量为
70kg
，这意味着车辆质量将从
110000kg
变化到
152000kg
，并且这种变化将在部件尺寸优化中被视为噪声
。
[0015]由于系统设计中只关注能量效率，因此忽略了横向和纵向动态性能
。
根据纵向动力学原理，所需功率可以通过以下方式获得：
[0016][0017]其中：
P
r
表示所需的功率；
η
t
表示传输系统的效率；
m
表示车辆质量；
g
表示重力加速度；
f
r
表示滚动系数；
v
表示车辆的速度；
C
D
表示空气动力学阻力系数；
A
表示额叶区域；
δ
表示旋转质量系数；
β
表示道路的角度
。
[0018]由于电机可以在驱动模式下工作，也可以在发电模式下工作
。
电机的功率模型为
:
[0019][0020]其中
P
m
表示电机的功率；
η
m
表示电机的效率；
n
m
和
T...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
多路线插电式混合动力公交车多目标稳健设计与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
P1
：插电式混合动力公交车
(PHEB,Plug
‑
in Hybrid Electric Bus)
建模：
PHEB
的拓扑结构为单轴并联式，包括发动机
、
离合器
、
自动手动变速器
(AMT)
电机和电池，在设计能量管理的基础上，通过对离合器状态的控制，实现发动机
、
电机
、
混合动力等多种工作模式，从参数不同的发动机
、
电机和不同速比的传动系统确定最佳的部件和相应的能量管理参数，假设车辆质量为
11000kg
，最大乘客人数为
60
人，每个乘客的质量为
70kg
；即，车辆质量变化范围是从
110000kg
到
152000kg
，并且这种变化将在部件尺寸优化中被视为噪声；由于系统设计中只关注能量效率，因此忽略横向和纵向动态性能，根据纵向动力学原理，所需功率可以通过以下式获得：其中：
P
r
表示所需的功率；
η
t
表示传输系统的效率；
m
表示车辆质量；
g
表示重力加速度；
f
r
表示滚动系数；
v
表示车辆的速度；
C
D
表示空气动力学阻力系数；
A
表示额叶区域；
δ
表示旋转质量系数；
β
表示道路的角度；由于电机在驱动模式下或发电模式下工作，电机的功率模型为
:
其中
P
m
表示电机的功率；
η
m
表示电机的效率；
n
m
和
T
m
分别表示电机的速度和扭矩
。
简化系统设计，
SOC
的转换通过以下方式评估
:
其中：
V
OC
表示电压；
P
b
表示电池的功率；
R
b
表示内阻；
Q
b
表示电池容量；因为只有瞬时油耗才是发动机的重点，对于每个发动机，瞬时油耗通过以下方式获得：其中，
m
e
表示瞬时油耗；
T
e
表示发动机的扭矩；
n
e
表示发动机的转速，
(T
e
,n
e
)
表示燃油消耗率；
P2:
自适应能量管理控制方法：基于反馈
SOC
控制思想，建立基于极小值法
(PMP,Pontryagin
’
s Minimum Principle)
的自适应能量管理控制模型；考虑最优
SOC
的不可预测性，确定一种动态域
SOC
规划方法；考虑协调因子调节频率对整车能耗经济性的影响，确定一种基于协调因子均值反馈和容差控制的
PI
控制器；考虑不同路线
、
随机工况和随机质量对控制器的扰动，研究
PI
参数的鲁棒设计方法，进而建立满足底层能量管理求解和直接应用需求的自适应能量管理控制策略；
P3:
设计域缩减和粗超解求解方法
多款不同发动机，不同驱动电机
、
传动系统传动比和
PI
参数构成了系统组件设计的复杂设计域，如果直接进行多目标稳健设计理论
(MOP
‑
DFSS,Multiply objective Optimization
‑
Design For Six Sigma)
设计，将无法全面彻底地探索整个设计空间，并获取最佳的设计点，典型公交线路一般由多个站台和路段构成，且各路段整车质量具有随机性，为充分挖掘随机质量对与系统组件设计的耦合机理，需将各路段的整车质量设计成随机变量，并考虑多种不同的水平，因此，随机质量将构成复杂的噪声空间，如再考虑随机工况，噪声空间将更加难以处理；基于田口稳健设计理论
(TRD,Taguchi Robust Design)
，开展设计域缩减和粗超解求解，基于远程监控系统选取并下载被测区域一个月内，同一车型不同线路实车运行工况数据，并基于统计学理论，开展不同时段典型公交工况分类方法研究；设计包含
PHEB
设计和运行成本的目标函数及其“望小特性”；采用典型公交工况为随机工况因子和不同路段整车质量为随机质量因子的噪声均衡采样方法构建噪声矩阵；采用系统组件和
PI
参数为控制因子的控制矩阵设计方法；以多路线自适应能量管理策略为底层计算模块，构建考虑控制矩阵和噪声矩阵的静态
TRD
分析模型并提取粗超解；基于响应面的方法建立灵敏度分析模型，揭示控制因子与响应，即控制因子与“望小特性”之间的作用机理，并挖掘关键系统组件和
PI
参数缩减设计域；
P4:
多目标稳健系统组件设计与控制模型构建
:
不同公交路线目标值可能存在冲突，需要揭示不同运行工况下，控制因子与目标值的相互作用机理，并设计合理的多目标优化设计方法；确定具有高求解效率，高求解精度的可靠度分析方法；融合控制因子

【专利技术属性】
技术研发人员：孙群，陈纪军，唐娟，刘玉琛，郭洪强，贾雪娇，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：