CN102149590B - 用于在轨道车辆中控制混合驱动的方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于在轨道车辆中控制混合驱动的方法，在该方法中，通过列车控制器(2)预设电子路段行车时刻表(SPL)作为与路段区段有关的速度，在行驶开始前，借助于电子路段行车时刻表(SPL)预测性地确定与路段区段有关的轨道车辆的驱动方式，在该方法中，在行驶运行中确定实际位置与从电子路段行车时刻表(SPL)中所获得的轨道车辆的理论位置间的位置偏差，根据位置偏差计算时间储备，并且在该方法中，依赖于时间储备，保持或更换当前的驱动方式。

Description

用于在轨道车辆中控制混合驱动的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在轨道车辆中控制混合驱动的方法，其中，通过列车控制器预设电子路段行车时刻表(Streckenfahrplan)作为与路段区段有关的(streckenabschnittsbezogen)速度。
背景技术
在从文件DE 102 26 143 B4中已知的用于控制混合驱动的方法中，提出了行驶运行策略的驱动方式。如果驾驶员未干涉系统，所提出的行驶运行策略看作为起作用的(gesetzt)。反之，如果驾驶员短暂地操纵加速踏板或制动踏板，则不采纳所提出的行驶运行策略，并计算新的行驶运行策略。这样一直进行直至到达稳定状态，在稳定状态中，不再出现其它的短暂变化。例如考虑消耗和时间需求根据能量分布曲线(Energieprofil)来确定行驶运行策略。能量分布曲线再从驾驶员数据、车辆数据、行驶路段数据和天气数据以及驾驶员特定的数据中加以计算。行驶路段数据从带有高度读数的数字地图或从GPS读入。通过RDS-TMC系统，将能量分布曲线与所期望的变化的交通线路条件或交通条件(例如拥堵)相匹配。但是没有进行其它阐述以用于转换(Umseztung)。所提出的方法针对于机动车且通过驾驶员最终决定确定驱动方式，其中，难以评估燃料节省。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于在轨道车辆中控制混合驱动的方法，该方法适用于交通系统的边界条件(Rahmenbedigung)。
本发明通过带有权利要求1的特征的方法解决该目的。设计方案在从属权利要求中示出。
在轨道车辆运行时的边界条件通过电子路段行车时刻表预设，该电子路段行车时刻表如已知的那样在行驶开始前通过定向无线电(Richtfunk)读入到列车控制器中。在电子路段行车时刻表中，存储了与路段区段有关的速度并且由此还存储了两个路径点(Wegpunkt)之间的时间范围(Zeitrahmen)。本方法在于，在行驶开始前，借助于电子路段行车时刻表预测性地确定与路段区段有关的轨道车辆的驱动方式。然后在行驶运行中确定实际位置与从电子路段行车时刻表中所获得的轨道车辆的理论位置的位置偏差。由位置偏差再计算时间储备(Zeitreserve)。然后根据时间储备，保持或更换驱动方式。例如当在延迟的意义中时间储备为负数时，更换到带有更高的功率输出的驱动方式中。
出于安全原因，在激活更高功率输出的驱动方式之前，将检验所期望车速是否显著偏离通过电子路段行车时刻表所限定的车速。在显著偏差情况下，首先必须通过调度站(Leitstelle)给予认可(Freigabe)，例如通过调度站提供经过修改的电子路段行车时刻表。相同考虑同样适用于这样的情况，即，应启动较低功率输出的驱动方式。
为了在行驶开始前预测性地规定与路段区段有关的驱动方式，应用相应的模型(Modell)作为预测观察器(Beobachter)。通过这种模型同样确定了混合驱动的理论系统参量，例如理论马达功率(Soll-Motorleistung)。在行驶运行期间，读入实际的系统参量，并且计算实际系统参量与理论系统参量间的偏差。然后通过考虑极限值(Grenzwertbetrachtung)决定是否不对系统进行干涉或是否借助于实际系统参量使模型学习(trainieren)。模型的输出参量通过优化部(Optimierung)以及计算算法部、例如按照Pontrjagin借助于最大原则或按照Bellman借助于动态编程来确定。作为进一步的安全措施设置成，模型由安全管理部(Sicherheitsmanagement)监测。该安全管理部检验模型的输入参量、输出参量以及内部参数。由于电能量储存器(例如由多个锂离子储存器(超级电容(Super-Cap))组成)的充电状态(Ladezustand)对于安全是至关重要，因此其被监测并且在数值不合理(plausibel)时使能量储存器逐步地(gestuft)或完全地不起作用。
这种预测性的调节属于基于模型的调节方法的范畴，且允许预报未来，所谓的预测时间标度本发明的中心思想是使用电子路段行车时刻表，该电子路段行车时刻表与高度分布曲线结合作为预见的方法以有利的方式在很大程度上使用燃料节约潜力(Kraftstoff-Einsparpotential)。这意味着，所使用的能量通过预测的调节被最小化。因此，针对运行者减小了运行成本。当然，该模型还提供这样的可能性，即，获取并储存轨道车辆驾驶者的单独的行为模式(Verhaltenmuster)。当相同的轨道车辆驾驶者在重新驶过相同的路段时，可追溯采用(zurückgreifen)其单独的行为模式。
附图说明
在附图中示出了优选的实施例。其中：
图1显示了作为框图的信息结构，
图2显示了程序流程图，
图3显示了子程序UP1，并且
图4显示了第二子程序UP2。
具体实施方式
图1显示了作为框图的用于轨道车辆的混合驱动的信息结构。典型地，混合驱动包含内燃机、电机、传动器、电转换器(Umrichter)以及电能量储存器(例如锂离子储存器(超级电容))。在共同的电子数据总线1(例如CAN总线系统或以太网)处，联接有列车控制器2(ZSG)、马达控制器3(ECU)、传动器控制器4(GS)，电池管理控制器5(BMS)，转换器控制器6(VCU)以及示例性地联接有用于规定废气的控制器7(SCR)。联接在数据总线1处的控制器2至7既是接收器也是发送器。同样地，在数据总线1处联接有单元8以用于接收轨道定向无线电(Bahnrichtfunk)以及GPS数据。通过轨道定向无线电将带有存储的电子路线图(Streckenkarte)的电子路段行车时刻表置于总线之上。GPS的数据包含实际位置以及当前高度。
通过作为预测的观察器的模型9以及安全管理部15补充该信息结构。安全管理部15监测模型9的参数、输入参量以及输出参量。模型9的输入参量为电子路段行车时刻表SPL、实际的系统参量SG(IST)以及当前高度Hh。带有存储的电子路线图的电子路段行车时刻表由列车控制器2提供。在电子路段行车时刻表SPL中含有与路段区段有关的速度，例如在路径点A和路径点B之间所允许的速度。根据与路段区段有关的速度还限定路径点之间的时间。当前高度Hh由单元8提供到数据总线1上。实际的系统参量SG(IST)由马达控制器3所提供，并且，完全通用地与所有联接在数据总线1处的控制器2至7包括单元8在内的可供使用的各个数据相对应。在这一方面可理解成例如内燃机的实际转速、实际马达功率、实际燃料消耗、能量储存器的状态、轨道车辆的实际位置以及机油温度、能量储存器温度、冷却水温度以及转换器温度。模型9的输出参量为信号D1，其被引导至马达控制器3上。
在模型9内，作为功能性单元布置有基于模型的计算部(Berechnung)10、比较器1 1、数据储存器12、优化部13以及作为功能块的计算算法部14。在计算部10中，以数学方式描绘了受控系统(Regelstrecke)。计算部10的输入参量为电子路段行车时刻表SPL、当前高度Hh以及信号S2。通过计算部10计算例如理论位置或理论马达功率的理论系统参量SG(SL)。理论系统参量SG(SL)被引导至比较器11，且并行地以与路段区段有关的方式保存在数据储存器12中。理论系统参量SG(SL)、实际系统参量SG(IST)以及数据储存器12中所贮存的数据(信号D1)通过比较器11相互比较。由此所产生的偏差dS一方面贮存在数据储存器12中，而另一方面作为输入参量被引导到优化部13上。通过优化部13，依赖于可预设的速度因子k在成本(Kosten)方面对偏差dS进行评价。如果偏差dS低于预设的极限值，则保持最后的数值，这意味着不会进行进一步的优化。如果偏差dS大于极限值，则将当前数值设置为输出参量，信号S1。信号数值(Signalwert)S1与成本函数相对应，该成本函数按照Pontrjagin借助于最大原则并且按照Bellman借助于动态编程来确定。在随后的计算算法部14中，通过预设的算法对信号S1进行评价(bewerten)。为此，可用的、已知的算法为Levenberg-Marquart法，Newton法(牛顿法)或Nelder-Meat法。计算算法部14的输出参量与用于所考虑的预测时间标度的调节参量曲线相对应，该预测时间标度作为信号S2反馈至计算部10上。通过带有优化部13和计算算法部14的反馈分支，如此长时间地使基于模型的计算部10学习，即，直至找到最小值。在数据储存器12中以与路段区域有关的方式既存储了偏差dS又存储了理论系统参量SG(SL)。
在行驶开始前，通过模型9根据电子路段行车时刻表SPL以及行车路段的高度分布曲线预测地计算与路段区段有关的驱动方式。这些驱动方式以与路段区段有关的方式存储在数据储存器12中。例如在带有上坡路段区段时的纯内燃机的驱动方式或在带有下坡路段区段时的带有回收(能量-回馈)的驱动方式。在行驶运行期间，马达控制器2根据数据D1评价总系统的当前状态，并且必要时通过数据总线1促使驱动方式改变。这在位置偏差的示例中做进一步解释。
通过计算部10确定理论位置作为理论系统参量SG(SL)中的一个。作为实际系统参量SG(IST)中的一个，实际位置作为输入参量由马达控制器3提供给模型9。比较器11计算实际系统参量SG(IST)与理论系统参量SG(SL)的偏差。因此，在该示例中偏差dS相应于位置偏差。该位置偏差以与路段区段相关的方式贮存在数据储存器12中。数据值D1循环地由马达控制器2读入并被评价。为此，马达控制器2根据表示了位置偏差的数据值D1计算时间储备。当在延迟的意义中时间储备为负数时，更换到带有更高功率输出的驱动方式中。当时间储备在公差带以内，将保持驱动方式，当在提早到达的意义中时间储备为正数时，则更换到带有最低能量消耗的驱动方式中。如果轨道车辆过晚地到达下一个路径点(例如火车站)，则马达控制器3将启动更换到来自内燃机和电机的组合式驱动方式中。组合式驱动方式引起提高的所期望的车速。出于安全原因，在激活更高功率输出的驱动方式前，将检验所期望的车速是否显著偏离通过电子路段行车时刻表所限定的车速。如果是上述情况，则首先必须通过调度站给予认可，例如通过调度站提供经过修改的电子路段行车时刻表。
在图2中，示出了该方法的程序流程图。前面所描述的位置偏差的示例以该程序流程图为基础。
在S1中，带有存储的电子的路线图的电子路段行车时刻表SPL通过轨道定向无线电读入并且贮存在列车控制器中。在行驶开始前，在S2中通过模型预测性地确定与路段区段有关的驱动方式AA，并且储存在数据储存器(图1：12)中。在实际的行驶运行中，然后在S3中，分支到第一子程序UP1中以用于模型匹配。第一子程序UP1在图3中示出并将结合图3进行阐述。当由第一子程序UP1返回后，在S4中分支到第二子程序UP2中以用于检验能量储存器。第二子程序UP2在图4中示出并将结合图4进行阐述。在S5中，轨道车辆的理论位置POS(SL)作为理论系统参量中的一个通过基于模型的计算部(图1：10)计算，并且在S6中实际位置POS(IST)作为实际的系统参量从马达控制器中读出。接着在S7中，将实际位置POS(IST)与理论位置POS(SL)进行比较，由此确定偏差(图1：dS)，此处为：位置偏差dPOS。位置偏差dPOS以与路段区段有关的方式贮存在数据储存器中，并且循环地由马达控制器读出。在S8中马达控制器从位置偏差dPOS中再计算时间储备tRES。接着在S9中对时间储备tRES进行评价。如果该时间储备tRES位于公差带TB以内(tRES＝TB)，则在S10中保持当前的驱动方式AA，并且在点A处继续程序流程。如果时间储备tRES位于公差带TB以外并且在延迟的意义中为负数(tRES＜0)，则在S11中更换到带有更高功率输出的驱动方式AA1中，并且在S13中继续程序流程。如果时间储备tRES位于公差带TB以外并且在提早到达的意义中为正数(tRES＞0)，则在S12中更换到带有最低能量消耗的驱动方式AA2中，并且在S13中继续程序流程。
如果在S11或S12中计算出驱动方式的更换，则在S13中检验，所期望的速度vERW是否位于允许的区域TBv以内，该区域TBv通过路段行车时刻表预设。当结果为肯定时(S13：是)，则在S16中设置相应的驱动方式，并且在点A处继续程序流程。当结果为否定(S13：否)时，意味着所期望的速度vERW位于允许的区域TBv以外，则在S14中检验，是否存在通过调度站的认可。如果存在认可(S14：是)，则在S15中读入修改的路段行车时刻表SPLm，其将之前在S16中所确定的驱动方式激活，并且在点A处继续程序流程。如果调度站未给予认可(S14：否)，当前驱动方式AA保持为设定的，S10，并且在点A处继续程序流程。接着点A，在S17中检验，是否存在特殊情况。特殊情况例如为慢速行驶地点或带有规定驱动方式的路段区域，例如在火车站区域中的纯电动驱动方式。如果存在特殊情况(S17：是)，则设定规定的驱动方式S18，并且程序流程终止。如果没有存在特殊情况(S17：否)，则当前驱动方式保持为设定的，并且程序流程终止。
在图3中示出了第一子程序UP1，由图2的程序流程图中的S3分支到该第一子程序UP1中。通过第一子程序UP1，对系统参量进行估值，并且使基于模型的计算部(图1：10)学习以用于计算理论系统参量。在S1中，理论系统参量SG(SL)通过基于模型的计算部所确定，并被读入。然而在S2中，从马达控制器中读出实际系统参量SG(IST)，并且在S3中将实际系统参量SG(IST)与理论系统参量SG(SL)相比较。由此所产生的偏差dS接着在S4中与极限值GW相比较。如果偏差dS小于极限值GW(S4：否)，则不进行任何行动，S5。这意味着基于模型的计算已经被优化。然而返回到图2的程序流程图中的S3处。如果在S4中确定，偏差dS大于极限值GW(S4：是)，则在S6中对基于模型的计算部进行匹配(图1：13，14)并且返回到图2的程序流程图中的S3处。
在图4中，示出了第二子程序UP2，由图2的程序流程图中的S4分支到该第二子程序UP2中。通过第二子程序UP2，检验能量储存器，例如锂离子储存器。在S1中，由马达控制器通过数据数据总线读入能量储存器的状态。能量储存器的相应数据由电池管理-控制器(BMS)提供到数据总线上。然后，在S2中检验合理性。如果合理(S2：是)，则返回到图2的程序流程图中的S4处。在数据不合理(S2：否)的情况下，在S3中，使能量储存器中的单个或所有电池都不起作用，设定错误标记(Fehlerflag)，并且返回到图2的程序流程图中的S4处。
参考符号
1.数据总线
2.列车控制器(ZSG)
3.马达控制器(ECU)
4.传动器控制器(GS)
5.电池管理控制器(BMS)
6.转换器控制器(VCU)
7.用于规定废气的控制器(SCR)
8.单元
9.模型
10.基于模型的计算部
11.比较器
12.数据储存器
13.优化部
14.计算算法部
15.安全管理部

Claims (11)

1.一种用于在轨道车辆中控制混合驱动的方法，在所述方法中，通过列车控制器(2)预设电子路段行车时刻表(SPL)作为与路段区段有关的速度，在行驶开始前，通过模型(9)借助于所述电子路段行车时刻表(SPL)预测性地确定与路段区段有关的轨道车辆的驱动方式(AA)，通过所述模型(9)确定理论系统参量(SG(SL))，其中所述模型(9)具有计算部(10)，在所述方法中在行驶运行期间读入实际系统参量(SG(IST))，计算所述实际系统参量(SG(IST))与所述理论系统参量(SG(SL))的偏差(dS)并将所述偏差(dS)与极限值(GW)相比，其中当所述偏差(dS)小于极限值(GW)时，不对所述计算部(10)进行匹配，而当所述偏差(dS)大于所述极限值(dS)时借助于所述实际系统参量(SG(IST))对所述计算部(10)进行匹配，并且在所述方法中，在行驶运行中确定实际位置(POS(IST))与通过被匹配的所述计算部(10)从所述电子路段行车时刻表(SPL)中获得的轨道车辆的理论位置(POS(SL))的位置偏差(dPOS)，根据所述位置偏差(dPOS)计算时间储备(tRES)，并且在所述方法中，依赖于所述时间储备(tRES)，保持或更换当前的驱动方式(AA)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在延迟的意义中时间储备(tRES)为负数时，更换到带有更高的功率输出的驱动方式(AA1)中，当时间储备(tRES)在公差带(TB)以内时，保持所述驱动方式(AA)，而当在提早到达的意义中时间储备(tRES)为正数时，更换到带有最低的能量消耗的驱动方式(AA2)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在通过调度站认可后或在修改的电子路段行车时刻表(SPLm)的认可后更换到所述带有更高功率输出的驱动方式(AA1)或所述带有最低能量消耗的驱动方式(AA2)中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在行驶开始前，通过模型(9)根据所述电子路段行车时刻表(SPL)、高度分布曲线以及环境条件预测性地确定与路段区段有关的驱动方式(AA)以及混合驱动的理论系统参量(SG(SL))。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于预设的计算算法(14)对所述模型(9)进行匹配。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由安全管理部(15)对所述模型(9)进行监测。
7.根据前述权利要求1－5中任一项所述的方法，其特征在于，在充电状态、温度、电流输出以及电压水平方面对电能量储存器进行合理性检验。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在充电状态、温度、电流输出以及电压水平方面对电能量储存器进行合理性检验。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当状态不合理时，使所述电能量储存器逐步地或完全地不起作用。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当状态不合理时，使所述电能量储存器逐步地或完全地不起作用。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算算法(14)为Levenberg-Marquart法、Carleman线性化或Nelder-Meat法。
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