CN103350696A - 一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置及方法。一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置，该装置由CAN总线、预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块组成，其中，所述预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块依次相连；所述CAN总线分别与预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块相连。本发明通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，获得未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩和电机扭矩，通过CAN总线分别发送给发动机和电机，实现了对混合动力汽车扭矩输出的控制，而使混合动力汽车的低油耗、低排放潜力充分发挥出来，实现了节约石油能源、保护大气环境和减排的要求。

Description

一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置及方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置及方法。 

背景技术

现在全球都面临着环境污染，石油资源枯竭的威胁，而内燃机汽车是造成这种危机的重要原因之一，内燃机汽车在消耗石油资源的同时，还排放出CO2、NOX和CO等有害物质。随着汽车工业的发展，内燃机汽车的保有量持续地增加，节约石油能源、保护大气环境和减排温室气体是传统汽车工业面临的挑战。应对该挑战，世界各大汽车公司和相关研究机构都在积极开展节能和新能源汽车的研究，其中重点的研究内容就是混合动力汽车。 

目前国内外的混合动力汽车控制策略的基本思想都是发动机工作点进行优化，即控制发动机工作在经济性较高的区域。，目前混合动力汽车的低油耗、低排放潜力发挥的不够好。本发明通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，获得未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩和电机扭矩，通过CAN总线分别发送给发动机和电机，实现了对混合动力汽车扭矩输出的控制。达到了使混合动力汽车的低油耗和低排放的目的。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的混合动力汽车的低油耗、低排放潜力发挥的不够好的不足，而提出了一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置及方法。 

一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置，该装置由CAN总线、预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块组成，其中， 

所述预处理器，用来接收并处理CAN总线发送的当前时刻加速踏板位置信息，输出未来控制周期内电子加速踏板位置序列； 

所述需求扭矩预测模块，用来对预处理器输出的未来控制周期内电子加速踏板位置序列以及对CAN总线提供的当前车速进行求解，输出需求扭矩序列； 

所述等效油耗求解模块，用来对需求扭矩预测模块输出的需求扭矩序列进行分析，通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，获得未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩和电机扭矩； 

所述CAN总线，当前时刻电子加速踏板位置由电子加速踏板位置传感器采集并传送给CAN总线；当前车速、发动机转速、电机转速分别由安装在车轮上的测量车速的传感器、发动机上的转速传感器和电机上的转速传感器采集并传送给CAN总线。 

所述预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块依次相连； 

所述CAN总线分别与预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块相连。 

一种控制混合动力汽车扭矩输出的方法，该方法包括以下步骤： 

步骤1：预处理器接收由CAN总线获得的当前时刻电子加速踏板位置，通过对预处理器内基于电子加速踏板位置所建立的马尔科夫链模型进行求解，得到未来控制周期内电子加速踏板位置序列，并将所预测的未来控制周期内电子 加速踏板位置序列输出给需求扭矩预测模块； 

所述预处理器内基于电子加速踏板位置建立的马尔科夫链模型如下： 

t_i,j=p[τ(k+1)=z_j|τ(k)=z_i]； 

根据马尔科夫链模型得到预测周期内电子加速踏板位置序列； 

τ(k+1),τ(k+2),......,τ(k+N)； 

其中：t_i,j为马尔科夫链中的概率矩阵元素；P[...]表明事件发生的概率；τ(k)代表k时刻电子加速踏板位置，z_i代表k时刻电子加速踏板所在位置；N为设定值；i代表行数，j代表列数； 

步骤2：需求扭矩预测模块接收预处理器输出的未来控制周期内电子加速踏板位置序列以及由CAN总线提供的的当前车速，需求扭矩预测模块根据当前车速和加速踏板位置与需求扭矩的关系图得到需求扭矩序列，需求扭矩预测模块将得到的需求扭矩序列送等效油耗求解模块处理； 

步骤3：等效油耗求解模块接收需求扭矩序列以及由CAN总线提供的当前时刻发动机转速、电机转速后，通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，得到未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩； 

所述需求扭矩Treq(t)和未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩T_{e_tr}(t)以及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩T_{m_tr}(t)满足以下关系： 

Treq(t)=T_{e_tr}(t)+T_{m_tr}(t)       （1） 

其中，t代表时间； 

未来控制周期内发动机燃油消耗量F_e如下： 

$F_e=\underset{t=k}{\overset{t=k+N}{\mathrm{\Σ}}}a\·{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)\·T_{e\_\mathrm{tr}}\left(t\right)+b---\left(2\right)$

其中，a和b是与发动机转速相关的系数，且a和b是设定值；ω_e(t)为控制周期内第t时刻发动机转速； 

未来控制周期内电能等效为燃油的消耗量E_m如下： 

$E_m=\underset{t=k}{\overset{t=k+N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_{m\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\·{\mathrm{\ω}}_m\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}}{9550}---\left(3\right)$

其中，ω_m(t)为控制周期内第t时刻电机转速；Δt为预测步长时间间隔； 

未来控制周期内发动机燃油消耗量F_e与电能等效为燃油的消耗量E_m满足以下换算关系： 

$F_e=\frac{E_m\·3600}{D_{\mathrm{fuel}}\·Q_{\mathrm{fuel}-\mathrm{low}}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{eng}}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gen}}}---\left(4\right)$

其中，D_fuel为燃料密度；Q_fuel-low为燃料燃烧的低热值；η_eng为发动机的平均工作效率；η_gen为发电机的平均工作效率； 

未来控制周期内等效燃油消耗目标函数为： 

J=n₁F_e+n₂E_m       （5） 

其中，J总的燃油消耗量；E_m为未来控制周期内电能等效为燃油的消耗量；n₁和n₂为权重系数，且n₁和n₂为设定值； 

根据（1）式、（2）式、（3）式、（4）式和（5）式并依据以下约束条件： 

${\mathrm{\ω}}_e^{\min }\≤{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)\≤{\mathrm{\ω}}_e^{\max };$

${\mathrm{\ω}}_m^{\min }\≤{\mathrm{\ω}}_m\left(t\right)\≤{\mathrm{\ω}}_m^{\max };$

$T_m^{\min }\left(t\right)\≤T_{m\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\≤T_m^{\max }\left(t\right);$

$T_e^{\min }\left(t\right)\≤T_{e\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\≤T_e^{\max }\left(t\right);$

计算当使第t时刻总的燃油消耗量J的最小值时，对应的未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩T_{e_tr}(i)以及未来控制周期内当当前时刻要输出的扭矩T_{m_tr}(i) 

其中，代表设定的发动机的最小转速值；

代表设定的发动机的最大转速值；代表设定的电机的最小转速值；

代表设定的电机的最大转速值； 

代表t时刻设定的电机的最小转矩值；

代表t时刻设定的电机的最小转矩值；

代表t时刻设定的发动机的最小转矩值；代表t时刻设定的发动机的最大转矩值； 

步骤4：等效燃油求解模块将得到的未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩通过CAN总线分别发送给发动机和电机，实现了对混合动力汽车扭矩输出的控制。 

本发明的有益效果：本发明通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，获得未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩和电机扭矩，通过CAN总线分别发送给发动机和电机，实现了对混合动力汽车扭矩输出的控制，而使混合动力汽车的低油耗、低排放潜力充分发挥出来，实现了节约石油能源、保护大气环境和减排的要求。 

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图； 

图2是基于电子加速踏板位置的马尔科夫链分布图； 

图3是所预测的未来控制周期内电子加速踏板位置序列与实际电子加速踏板位置关系； 

图4是本发明的整体流程图； 

图5是当前车速和加速踏板位置与需求扭矩的关系图。 

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，本发明并不限于这些实施例。本实施例选取了k+1，k+2，……，k+10时刻的部分数据对本发明进行详细介绍说明。 

如图1所示，本发明主要由四部分组成：CAN总线、预处理器、需求扭矩预测模块、等效油耗求解模块。各部分主要功能如下：预处理器用来接收并处理CAN总线发送的当前时刻加速踏板位置信息，输出未来控制周期内电子加速踏板位置序列；需求扭矩预测模块，用来对预处理器输出的未来电子加速踏板位置序列以及对CAN总线提供的当前车速进行求解，输出需求扭矩序列；等效油耗求解模块，用来对需求扭矩预测模块输出的需求扭矩序列进行分析，通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，获得未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩和电机扭矩；CAN总线，当前时刻电子加速踏板位置由电子加速踏板位置传感器采集并传送给CAN总线；当前车速、发动机转速、电机转速分别由安装在车轮上的测量车速的传感器、发动机上的转速传感器和电机上的转数传感器采集并传送给CAN总线；1、预处理器根据CAN总线获得的当前k时刻电子加速踏板位置τ(k)，如图2所示，预处理器内基于电子加速踏板位置建立的马尔科夫链模型如下： 

t_i,j=p[τ(k+1)=z_j|τ(k)=z_i]； 

根据马尔科夫链模型得到所预测的未来控制周期内电子加速踏板位置序列； 

τ(k+1),τ(k+2),......,τ(k+N+1)； 

其中：t_i,j为马尔科夫链矩阵元素；P[...]表明事件发生的概率；τ(k)代表k时刻电子加速踏板位置，z_i代表k时刻电子加速踏板所在位置；N为设定值；i代 表行数，j代表列数； 

其中，所预测的未来控制周期内电子加速踏板位置序列与实际电子加速踏板位置关系如图3所示。 

2、需求扭矩预测模块接收预处理器输出的电子加速踏板位置序列以及由CAN总线提供的的当前车速，需求扭矩预测模块根据当前车速和加速踏板位置与需求扭矩的关系图得到需求扭矩序列，需求扭矩预测模块将得到的需求扭矩序列送等效油耗求解模块处理； 

当前车速和加速踏板位置与需求扭矩的关系图中的部分数据如表1所示； 

表1当前车速和加速踏板位置与需求扭矩的关系 

3、等效油耗求解模块接收需求扭矩序列以及由CAN总线提供的当前时刻发动机转速、电机转速后，通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，得到未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩；所述需求扭矩Treq(t)和未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩T_{e_tr}(t)以及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩T_{m_tr}(t)满足以下关系： 

Treq(t)=T_{e_tr}(t)+T_{m_tr}(t)；       （1） 

未来控制周期内发动机燃油消耗量F_e如下： 

$F_e=\underset{t=k}{\overset{t=k+N}{\mathrm{\Σ}}}a\·{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)\·T_{e\_\mathrm{tr}}\left(t\right)+b---\left(2\right)$

其中，a和b是与发动机转速相关的系数，且a和b是设定值；t时刻发动机转速； 

表2给出了部分发动机转速值对应的转速相关系数a和b； 

表2部分发动机转速值对应的转速相关系数a和b 

未来控制周期内电能等效为燃油的消耗量E_m如下： 

$E_m=\underset{t=k}{\overset{t=k+N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_{m\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\·{\mathrm{\ω}}_m\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}}{9550}---\left(3\right)$

其中，ω_m(t)为未来控制周期内第t时刻电机转速；Δt为预测步长时间间隔； 

未来控制周期内发动机燃油消耗量F_e与电能等效为燃油的消耗量E_m满足以下换算关系： 

$F_e=\frac{E_m\·3600}{D_{\mathrm{fuel}}\·Q_{\mathrm{fuel}-\mathrm{low}}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{eng}}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gen}}}---\left(4\right)$

其中，D_fuel为燃料密度；Q_fuel-low为燃料燃烧的低热值；η_eng为发动机的平均工作效率；η_gen为发电机的平均工作效率； 

未来控制周期内等效燃油消耗目标函数为： 

J=n₁F_e+n₂E_m         （5） 

其中，J总的燃油消耗量；E_m为未来控制周期内电能等效为燃油的消耗量；n₁和n₂为权重系数，且n₁和n₂为设定值；表3给出了权重系数n₁和n₂和变速箱输入轴转速的关系； 

表3给出了权重系数n₁和n₂和变速箱输入轴转速的关系 

根据（1）式、（2）式、（3）式、（4）式和（5）式并依据以下约束条件： 

${\mathrm{\ω}}_e^{\min }\≤{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)\≤{\mathrm{\ω}}_e^{\max };$

${\mathrm{\ω}}_e^{\min }\≤{\mathrm{\ω}}_e\left(t\right)\≤{\mathrm{\ω}}_e^{\max };$

$T_m^{\min }\left(t\right)\≤T_{m\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\≤T_m^{\max }\left(t\right);$

$T_e^{\min }\left(t\right)\≤T_{e\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\≤T_e^{\max }\left(t\right);$

ΔT_e<K； 

计算得到的第t时刻总的燃油消耗量J最小时，需要的发动机输出扭矩T_{e_tr}(i)以及电机输出扭矩T_{m_tr}(i)即为该时刻未来发动机输出扭矩和电机输出扭矩； 

其中，

代表设定的发动机的最小转速值；

代表设定的发动机的最大 转速值；

代表设定的电机的最小转速值；代表设定的电机的最大转速值； 代表t时刻设定的电机的最小转矩值；

代表t时刻设定的电机的最小转矩值；

代表t时刻设定的发动机的最小转矩值；

代表t时刻设定的发动机的最大转矩值；ΔT_e代表发动机瞬态扭矩；K为设定值；根据实际情况设定的值如下表4所示； 

表4根据实际情况设定的值 

部分时刻需求扭矩如表5所示，根据各个时刻需求扭矩序列以及（1）式、（2）式、（3）式、（4）式和（5）式还有约束条件，计算当使第t时刻总的燃油消耗量J的最小值时，对应的未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩T_{e_tr}(i)以及未来控制周期内当当前时刻要输出的扭矩T_{m_tr}(i)，从而得到未来控制期内发动机输出扭矩序列及电机输出扭矩序列，如表5所示。 

表5部分时刻的需求扭矩、发动机扭矩、电机扭矩和等效油耗量 

4、等效燃油求解模块将得到的未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩通过CAN总线分别发送给发动机和电机，实现了对混合动力汽车扭矩输出的控制。 

通过将本控制器应用到实车达到如下效果： 

节油率比较 

	原型车	装有该控制器的混合动力汽车	节油率
				燃油经济性（L/100km）	42	29.2	30.4%

Claims (2)

1.一种控制混合动力汽车扭矩输出的装置，其特征在于，该装置由CAN总线、预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块组成，其中，

所述预处理器，用来接收并处理CAN总线发送的当前时刻加速踏板位置信息，输出未来控制周期内电子加速踏板位置序列；

所述需求扭矩预测模块，用来对预处理器输出的未来控制周期内电子加速踏板位置序列以及对CAN总线提供的当前车速进行求解，输出需求扭矩序列；

所述等效油耗求解模块，用来对需求扭矩预测模块输出的需求扭矩序列进行分析，通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，获得未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩和电机扭矩；

所述CAN总线，当前时刻电子加速踏板位置由电子加速踏板位置传感器采集并传送给CAN总线；当前车速、发动机转速、电机转速分别由安装在车轮上的测量车速的传感器、发动机上的转速传感器和电机上的转速传感器采集并传送给CAN总线；

所述预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块依次相连；

所述CAN总线分别与预处理器、需求扭矩预测模块和等效油耗求解模块相连。

2.一种控制混合动力汽车扭矩输出的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：预处理器接收由CAN总线获得的当前时刻电子加速踏板位置，通过对预处理器内基于电子加速踏板位置所建立的马尔科夫链模型进行求解，得到未来控制周期内电子加速踏板位置序列，并将所预测的未来控制周期内电子加速踏板位置序列输出给需求扭矩预测模块；

所述预处理器内基于电子加速踏板位置建立的马尔科夫链模型如下：

t_i,j=p[τ(k+1)=z_j|τ(k)=z_i]；

根据马尔科夫链模型得到所预测的未来控制周期内电子加速踏板位置序列；

τ(k+1),τ(k+2),......,τ(k+N)；

其中：t_i,j为马尔科夫链中的概率矩阵元素；P[...]表明事件发生的概率；τ(k)代表k时刻电子加速踏板位置，z_i代表k时刻电子加速踏板所在位置；N为设定值；i代表行数，j代表列数；

步骤2：需求扭矩预测模块接收预处理器输出的未来控制周期内电子加速踏板位置序列以及由CAN总线提供的的当前车速，需求扭矩预测模块根据当前车速和加速踏板位置与需求扭矩的关系图得到需求扭矩序列，需求扭矩预测模块将得到的需求扭矩序列送等效油耗求解模块处理；

步骤3：等效油耗求解模块接收需求扭矩序列以及由CAN总线提供的当前时刻发动机转速、电机转速后，通过求解等效燃油消耗目标函数的最小值，得到未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩；

所述需求扭矩Treq(t)和未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩T_{e_tr}(t)以及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩T_{m_tr}(t)满足以下关系：

Treq(t)=T_{e_tr}(t)+T_{m_tr}(t)       （1）

其中，t代表时间；

未来控制周期内发动机燃油消耗量F_e如下：

$F_e=\underset{t=k}{\overset{t=k+N}{\mathrm{\&Sigma;}}}a\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_e\left(t\right)\&CenterDot;T_{e\_\mathrm{tr}}\left(t\right)+b---\left(2\right)$

其中，a和b是与发动机转速相关的系数，且a和b是设定值；ω_e(t)为控制周期内第t时刻发动机转速；

未来控制周期内电能等效为燃油的消耗量E_m如下：

$E_m=\underset{t=k}{\overset{t=k+N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{T_{m\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_m\left(t\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}}{9550}---\left(3\right)$

其中，ω_m(t)为未来控制周期内第t时刻电机转速；Δt为预测步长时间间隔；

未来控制周期内发动机燃油消耗量F_e与电能等效为燃油的消耗量E_m满足以下换算关系：

$F_e=\frac{E_m\&CenterDot;3600}{D_{\mathrm{fuel}}\&CenterDot;Q_{\mathrm{fuel}-\mathrm{low}}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{eng}}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gen}}}---\left(4\right)$

其中，D_fuel为燃料密度；Q_fuel-low为燃料燃烧的低热值；η_eng为发动机的平均工作效率；η_gen为发电机的平均工作效率；

未来控制周期内等效燃油消耗目标函数为：

J=n₁F_e+n₂E_m        （5）

其中，J总的燃油消耗量；E_m为未来控制周期内电能等效为燃油的消耗量；n₁和n₂为权重系数，且n₁和n₂为设定值；

根据（1）式、（2）式、（3）式、（4）式和（5）式并依据以下约束条件：

${\mathrm{\&omega;}}_e^{\min }\&le;{\mathrm{\&omega;}}_e\left(t\right)\&le;{\mathrm{\&omega;}}_e^{\max };$

${\mathrm{\&omega;}}_m^{\min }\&le;{\mathrm{\&omega;}}_m\left(t\right)\&le;{\mathrm{\&omega;}}_m^{\max };$

$T_m^{\min }\left(t\right)\&le;T_{m\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\&le;T_m^{\max }\left(t\right);$

$T_e^{\min }\left(t\right)\&le;T_{e\_\mathrm{tr}}\left(t\right)\&le;T_e^{\max }\left(t\right);$

计算当使第t时刻总的燃油消耗量J的最小值时，对应的未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩T_{e_tr}(i)以及未来控制周期内当当前时刻要输出的扭矩T_{m_tr}(i)

其中，

代表设定的发动机的最小转速值；

代表设定的发动机的最大转速值；

代表设定的电机的最小转速值；

代表设定的电机的最大转速值；

代表t时刻设定的电机的最小转矩值；代表t时刻设定的电机的最小转矩值；

代表t时刻设定的发动机的最小转矩值；

代表t时刻设定的发动机的最大转矩值；

步骤4：等效燃油求解模块将得到的未来控制周期内当前时刻要输出的发动机扭矩及未来控制周期内当前时刻要输出的电机扭矩通过CAN总线分别发送给发动机和电机，实现了对混合动力汽车扭矩输出的控制。

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