CN102991497B - 一种插电式混合动力客车的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种插电式混合动力客车的控制方法，属于混合动力客车控制技术领域。本方法利用GPS导航装置与车载信息单元里存储的数字地图得到车辆当前位置信息，结合车载信息单元里存储的城市某固定线路的车速-时间历史统计信息判定当前时间位置的道路拥堵等级，根据不同的拥堵等级、车辆当前位置、以及动力电池电量等信息，对车辆的能量分配进行实时优化调整。本发明方法能对运行在固定线路的插电式混合动力客车能源进行有效合理分配，进而减少燃油消耗和污染物排放，提高了燃油经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种插电式混合动力客车的控制方法，尤其涉及一种基于GPS导航与交通车速-时间历史统计信息的插电式混合动力客车多能源协调优化控制方法，属于混合动力客车控制技术领域。
背景技术
随着混合动力公交客车在国内各大中小城市的示范运营，其显著的节能减排效果得到了人们的一致认可，但由于电池关键技术尚未得到突破，因此常规混合动力客车在燃油经济性和排放性能的提升仍有很大空间。插电式混合动力客车作为常规混合动力客车的升级版，可通过在晚间用电低谷期将动力电池接入电网充电的形式，实现了对更为廉价清洁能源的充分利用，相比常规混合动力客车电池电能自给自足的形式，插电式混合动力客车可以更多地进行纯电行驶，从而使整车燃油经济性得到显著提升。
然而，针对大中城市复杂的交通工况怎样通过控制策略合理分配电和燃油的使用，成为设计插电式混合动力客车整车能量分配策略设计的主要目标。插电式混合动力客车能量管策略中普遍存在着荷电耗尽型（charge-depletion）和荷电维持型（charge-sustaining）两种策略，前者由于其对电能的充分利用更适合插电式混合动力客车的应用，但是目前国内插电式混合动力公交客车配置的电池容量只能覆盖每天公交路程的60%-70%，剩下的公交工况仍由发动机提供动力。这样如果不对电能进行合理的分配，就会造成例如在拥堵路段电量已耗尽到电池SOC下限而只能采用发动机驱动，车辆频繁的启停导致油耗和污染物排放的增加，整车燃油经济性得不到保障的结果。
目前混合动力公交客车的整车能量分配策略都是固定不变的，没有考虑到特定城市的特定公交线路的实际交通信息，因此整车所配备的能量分配策略并不能针对固定公交线路从每天运行时间范围的角度去考虑合理分配电能和与燃油能量，实现全局能量的最优分配。GPS导航的应用与车载信息单元的广泛普及为公交客车固定线路全天运行能量最优分配提供了实现的可能。GPS，全称Global Positioning System，即全球定位系统，可利用GPS定位卫星实现车辆定位的功能，配合某城市的数字地图便可以准确得到公交客车在运行中的准确位置。不可否认的是某固定城市公交线路每天每时段以及线路中各个站点间的交通流量是具有统计规律的，即某固定线路某两个站点之间在每天同时刻内的交通拥堵程度大致相同，交通拥堵程度由公交客车运行在该公交线路站与站间的平均速度表征，将该统计信息存储在车载信息单元中，通过GPS与数字地图并结合当前时间信息查找车载信息单元中该条公交线路历史交通流量统计信息通过提前分析好的道路等级，通过判定当前时刻位置所属道路拥堵等级，选择对应的能量分配策略从而实现控制策略的实时调整，能够更好的适应固定的线路工况，进一步减少整车油耗，提升燃油经济性。
发明内容
本发明的目的是提出一种插电式混合动力客车的控制方法，针对目前插电式混合动力公交客车整车能量分配策略工况适应性差的缺点，根据GPS导航与交通车速-时间历史统计信息，对插电式混合动力公交客车进行能量实时分配，以保证车辆正常运行的同时进一步提升整车燃油经济性，减少污染物排放。
本发明提出的插电式混合动力客车的控制方法，包括以下步骤：
（1）从城市交通管理中心获取公交线路的交通车速-时间历史统计信息，根据获取信息，对车辆通过道路拥堵段的状态进行分级：拥堵时间车辆通过拥堵路段为一级，拥堵时间车辆通过非拥堵路段为二级，非拥堵时间车辆通过拥堵路段为三级，非拥堵时间车辆通过非拥堵路段为四级；
（2）对上述各拥堵等级，设定车辆的实时能量分配方法：
一级拥堵，车辆采用纯电驱动，并使车辆的离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；
二级拥堵，当车辆的驱动扭矩小于或等于电机最大扭矩T1时，离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车辆的驱动扭矩大于电机最大扭矩T1时，开启发动机，离合器接合，发动机、电机共同输出扭矩进行混合驱动，其中的电机最大扭矩T1通过电机外特性曲线查表求得；
三级拥堵，当车辆的驱动扭矩小于发动机最优扭矩T2时，若车辆动力电池的当前电量小于动力电池标定电量的上限值，则开启发动机，离合器接合，电机发电为动力电池补充电能，若车辆动力电池的当前电量大于或等于标定电量的上限值，则发动机关闭，离合器分离，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车辆驱动扭矩大于或等于发动机最优扭矩T2时，关闭电机，由发动机驱动，其中，发动机最优扭矩T2通过发动机油耗曲线查表求得；
四级拥堵，当车速小于或等于门限值v时，离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车速大于门限值v时，离合器接合，电机关闭，车辆的驱动扭矩由发动机提供，其中门限值v根据轮速传感器获得的车轮转速和发动机转速计算得到；
（3）车辆的整车控制单元根据步骤（2）的车辆实时能量分配方法，对插电式混合动力公交客车进行控制，包括以下步骤：
（3-1）初始化时，若车辆动力电池的当前电量小于或等于标定电量的下限值，则用发动机驱动车辆，若车辆动力电池的当前电量大于标定电量的下限值，则进行步骤（3-2）；
（3-2）车辆导航装置初始化，当车速为零的时间超过ts时，车辆导航装置进行一次车辆定位，利用数字地图，确定车辆的当前位置，ts为车辆在车站和交通信号灯的等待时间；
（3-3）车辆整车控制单元根据步骤（3-2）中确定的车辆当前位置、当前时间以及步骤（1）的历史统计信息，判定车辆当前拥堵状态；
（3-4）车辆整车控制单元根据车辆当前拥堵状态和步骤（2）确定的车辆能量分配方法，对插电式混合动力客车进行控制，具体执行过程如下：
（3-4-1）若判定车辆当前处于一级拥堵状态，车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；
（3-4-2）若判定车辆当前处于二级拥堵状态，当驱动扭矩小于或等于电机最大扭矩T1时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，动力电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当驱动扭矩大于电机最大扭矩T1时，车辆的整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，与电机共同驱动车辆；
（3-4-3）若判定车辆当前处于三级拥堵状态，当驱动扭矩小于发动机最优扭矩T2时，车辆整车控制单元向动力电池管理系统发送执行指令，动力电池管理系统检测电池电量，若车辆动力电池的当前电量小于标定电量的上限值，则车辆的整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机发电为电池补充电能，若车辆动力电池的当前电量大于或等于标定电量的上限值，则车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，动力电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当驱动扭矩大于或等于发动机最优扭矩T2时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机关闭，进行发动机驱动；
（3-4-4）若判定车辆当前处于四级拥堵状态，当车速小于或等于门限值v时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，动力电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当车速大于门限值v时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机关闭，进行发动机驱动。
本发明提出的插电式混合动力客车的控制方法，其优点是，在车辆上添加了一个GPS装置和一个车载信息单元，在控制方法上根据不同的拥堵等级选择相应的能量分配方法，在保证实现插电式混合动力客车各种工作模式及其切换的同时，更好的应对固定城市线路复杂的交通工况，进一步提高了整车的燃油经济性，降低了油耗，同时减少了污染物的排放，相比已有的整车能量分配策略，在工况适应性、整车燃油经济性和排放性能等方面都有显著的技术效果。
附图说明
图1是本发明提出的插电式混合动力客车的控制方法的流程框图。
图2是本发明方法中荷电耗尽型策略流程图；
图3是本发明方法中荷电维持型策略流程图；
图4是本发明方法中发动机驱动为主的策略流程图。
具体实施方式
本发明提出的插电式混合动力客车的控制方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：
（1）从城市交通管理中心获取公交线路的交通车速-时间历史统计信息，根据获取信息，对车辆通过道路拥堵段的状态进行分级：拥堵时间车辆通过拥堵路段为一级，拥堵时间车辆通过非拥堵路段为二级，非拥堵时间车辆通过拥堵路段为三级，非拥堵时间车辆通过非拥堵路段为四级；
（2）对上述各拥堵等级，设定车辆的实时能量分配方法：
一级拥堵，车辆采用纯电驱动，并使车辆的离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；
二级拥堵，采用荷电耗尽型策略，如图2所示，当车辆的驱动扭矩小于或等于电机最大扭矩T1时，离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车辆的驱动扭矩大于电机最大扭矩T1时，开启发动机，离合器接合，发动机、电机共同输出扭矩进行混合驱动，其中的电机最大扭矩T1通过电机外特性曲线查表求得；
三级拥堵，采用荷电维持型策略，如图3所示，当车辆的驱动扭矩小于发动机最优扭矩T2时，若车辆动力电池的当前电量小于动力电池标定电量的上限值，则开启发动机，离合器接合，电机发电为动力电池补充电能，若车辆动力电池的当前电量大于或等于标定电量的上限值，则发动机关闭，离合器分离，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车辆驱动扭矩大于或等于发动机最优扭矩T2时，关闭电机，由发动机驱动，其中，发动机最优扭矩T2通过发动机油耗曲线查表求得；
四级拥堵，采用发动机驱动为主的策略，如图4所示，当车速小于或等于门限值v时，离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车速大于门限值v时，离合器接合，电机关闭，车辆的驱动扭矩由发动机提供，其中门限值v根据轮速传感器获得的车轮转速和发动机转速计算得到；
（3）车辆的整车控制单元根据步骤（2）的车辆实时能量分配方法，对插电式混合动力公交客车进行控制，包括以下步骤：
（3-1）初始化时，若车辆动力电池的当前电量小于或等于标定电量的下限值，则用发动机驱动车辆，若车辆动力电池的当前电量大于标定电量的下限值，则进行步骤（3-2）；
（3-2）车辆导航装置初始化，当车速为零的时间超过ts时，车辆导航装置进行一次车辆定位，利用数字地图，确定车辆的当前位置，ts为车辆在车站和交通信号灯的等待时间；
（3-3）车辆整车控制单元根据步骤（3-2）中确定的车辆当前位置、当前时间以及步骤（1）的历史统计信息，判定车辆当前拥堵状态；
（3-4）车辆整车控制单元根据车辆当前拥堵状态和步骤（2）确定的车辆能量分配方法，对插电式混合动力客车进行控制，具体执行过程如下：
（3-4-1）若判定车辆当前处于一级拥堵状态，车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；
（3-4-2）若判定车辆当前处于二级拥堵状态，当驱动扭矩小于或等于电机最大扭矩T1时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，动力电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当驱动扭矩大于电机最大扭矩T1时，车辆的整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，与电机共同驱动车辆；
（3-4-3）若判定车辆当前处于三级拥堵状态，当驱动扭矩小于发动机最优扭矩T2时，车辆整车控制单元向动力电池管理系统发送执行指令，动力电池管理系统检测电池电量，若车辆动力电池的当前电量小于标定电量的上限值，则车辆的整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机发电为电池补充电能，若车辆动力电池的当前电量大于或等于标定电量的上限值，则车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，动力电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当驱动扭矩大于或等于发动机最优扭矩T2时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机关闭，进行发动机驱动；
（3-4-4）若判定车辆当前处于四级拥堵状态，当车速小于或等于门限值v时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、动力电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，动力电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当车速大于门限值v时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机关闭，进行发动机驱动。
使用本发明的控制方法，首先在车辆上设置GPS导航装置以及储存有固定城市公交线路数字地图和历史交通流量统计信息的车载信息单元，用于实时获取车辆的当前位置及相关交通信息，以根据得到的信息实现对车辆的控制。车辆采用同轴并联构型，动力链上依次为发动机、离合器、电机和机械式自动变速器，动力电池与电机通过整流逆变器相连，另外电池还可以外接充电，各部件控制单元通过总线与整车控制单元实现相互通信，该构型的插电式混合动力客车可实现纯电驱动、发动机驱动、混合驱动、行车充电及制动能量回收五种工作模式。
Claims (1)
1.一种插电式混合动力客车的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）从城市交通管理中心获取公交线路的交通车速-时间历史统计信息，根据获取信息，对车辆通过道路拥堵段的状态进行分级：拥堵时间车辆通过拥堵路段为一级，拥堵时间车辆通过非拥堵路段为二级，非拥堵时间车辆通过拥堵路段为三级，非拥堵时间车辆通过非拥堵路段为四级；
（2）对上述各拥堵等级，设定车辆的实时能量分配方法：
一级拥堵，车辆采用纯电驱动，并使车辆的离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；
二级拥堵，当车辆的驱动扭矩小于或等于电机最大扭矩T1时，离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车辆的驱动扭矩大于电机最大扭矩T1时，开启发动机，离合器接合，发动机、电机共同输出扭矩进行混合驱动，其中的电机最大扭矩T1通过电机外特性曲线查表求得；
三级拥堵，当车辆的驱动扭矩小于发动机最优扭矩T2时，若车辆动力电池的当前电量小于动力电池标定电量的上限值，则开启发动机，离合器接合，电机发电为动力电池补充电能，若车辆动力电池的当前电量大于或等于标定电量的上限值，则发动机关闭，离合器分离，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车辆驱动扭矩大于或等于发动机最优扭矩T2时，关闭电机，由发动机驱动，其中，发动机最优扭矩T2通过发动机油耗曲线查表求得；
四级拥堵，当车速小于或等于门限值v时，离合器分离，发动机关闭，电机由动力电池供电进行纯电驱动；当车速大于门限值v时，离合器接合，电机关闭，车辆的驱动扭矩由发动机提供，其中门限值v根据轮速传感器获得的车轮转速和发动机转速计算得到；
（3）车辆的整车控制单元根据步骤（2）的车辆能量分配方法，对插电式混合动力客车进行控制，包括以下步骤：
（3-1）初始化时，若车辆动力电池的当前电量小于或等于标定电量的下限值，则用发动机驱动车辆，若车辆动力电池的当前电量大于标定电量的下限值，则进行步骤（3-2）；
（3-2）车辆导航装置初始化，当车速为零的时间超过ts时，车辆导航装置进行一次车辆定位，利用数字地图，确定车辆的当前位置，ts为车辆在车站和交通信号灯的等待时间；
（3-3）车辆整车控制单元根据步骤（3-2）中确定的车辆当前位置、当前时间以及步骤（1）的历史统计信息，判定车辆当前拥堵状态；
（3-4）车辆整车控制单元根据车辆当前拥堵状态和步骤（2）确定的车辆能量分配方法，对插电式混合动力客车进行控制，具体执行过程如下：
（3-4-1）若判定车辆当前处于一级拥堵状态，车辆整车控制单元向变速器控制单元、电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；
（3-4-2）若判定车辆当前处于二级拥堵状态，当驱动扭矩小于或等于电机最大扭矩T1时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当驱动扭矩大于电机最大扭矩T1时，车辆的整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，与电机共同驱动车辆；
（3-4-3）若判定车辆当前处于三级拥堵状态，当驱动扭矩小于发动机最优扭矩T2时，车辆整车控制单元向电池管理系统发送执行指令，电池管理系统检测电池电量，若车辆动力电池的当前电量小于标定电量的上限值，则车辆的整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机发电为电池补充电能，若车辆动力电池的当前电量大于或等于标定电量的上限值，则车辆整车控制单元向变速器控制单元、电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当驱动扭矩大于或等于发动机最优扭矩T2时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机关闭，进行发动机驱动；
（3-4-4）若判定车辆当前处于四级拥堵状态，当车速小于或等于门限值v时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、电池管理系统及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器分离，电池管理系统控制动力电池放电，电机控制单元控制电机进行纯电驱动；当车速大于门限值v时，车辆整车控制单元向变速器控制单元、发动机控制单元及电机控制单元发送执行指令，变速器控制单元控制离合器接合，发动机控制单元控制发动机启动，电机控制单元控制电机关闭，进行发动机驱动。
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