CN106476643A - 一种增程式电动汽车的电量轨迹规划系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增程式电动汽车的电量轨迹规划系统与控制方法，以解决目前增程式电动汽车在低电量时高速行驶或爬坡工况下动力性能不足、影响驾驶员驾驶体验的问题。硬件上由车载导航系统、驾驶员动力性能期望输入按钮和整车控制系统组成；软件上由多模式SOC轨迹规划模块、能量管理控制模块和増程器动态协调控制模块构成。其中：多模式SOC轨迹规划模块根据驾驶员通过按钮输入的对车辆动力性能的期望、车载导航系统提供的简单地理和工况信息，对车辆的工作模式进行自动判断和切换，并对各模式下SoC的轨迹进行规划；能量管理控制模块控制増程器和动力电池之间的功率分配，以实现动力电池实际SoC对规划SoC的准确跟踪，并保证混合动力系统的高能效工作。

Description

一种增程式电动汽车的电量轨迹规划系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车能量管理与控制技术，尤其涉及一种增程式电动汽车的电量轨迹规划系统及控制方法。

背景技术

增程式电动汽车通过在纯电动汽车的基础上加装一个小型增程器作为辅助能量源，有效延长了电动汽车的续驶里程，消除了驾驶员的“里程焦虑”，被认为是极具发展前景的新能源汽车类型。增程式电动汽车能量管理控制通常采用电量消耗-电量维持（CD-CS）的策略：先控制车辆以纯电动模式行驶，当动力电池实际电量（SoC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量）下降到某限值时，控制车辆进入增程模式，启动增程器为车辆行驶提供能量，同时将电池电量维持在下限值附近。由于增程器的功率较小，车辆在电量维持阶段会出现高速行驶或爬坡时动力性能不足的问题，影响驾驶员的驾驶体验。通过匹配功率足够大的增程器可以解决这一问题，但这不仅会增大增程器的体积和重量，而且会导致系统成本增加。因此，如何利用所匹配的小功率增程器，通过合理的能量管理策略和方法来解决电量维持阶段增程式电动汽车动力性能不足的问题，是保证其具有良好驾驶体验的关键。

目前文献中对增程式电动汽车能量管理控制的研究大多集中在规则控制系统的具体实现和如何提高电量维持阶段的燃油经济性上。如发明专利CN102616148A公布了一种增程式电动汽车的控制系统及其控制方法，给出了控制策略的具体实现规则；发明专利CN102951037A披露了一种可以根据行驶工况选择不同能量管理策略的思路，以提高增程式电动汽车在不同行驶工况下的燃油经济经济性。但上述两项发明专利均无法解决电量维持阶段高速行驶和爬坡时动力性能不足的问题。

现代车辆大多装备有车载导航系统，通过车载导航系统可以提前获取车辆出发地到目的地之间的总距离、高速路况和城市路况距离以及路面坡度等简单的地理和路况信息。利用这些信息，整车控制器可以提前对动力电池的放电轨迹进行规划和控制，以保证在高速行驶和爬坡时动力电池仍然有富余的电量使车辆具备较充沛的动力。

不同的驾驶员对车辆动力性能的期望和要求不一样。有的驾驶员对动力性能要求高，希望车辆在整个行驶过程中都表现出充沛的动力，有的驾驶员则可以接受车辆在电量维持阶段动力性能的不足。在设计控制策略时，需要适应驾驶员对车辆不同的动力性能期望。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，在综合考虑驾驶员的动力性能期望、车辆的纯电动续驶里程以及车载导航系统提供的未来简单地理和路况信息的基础上，旨在提出一种工程上切实可行，并且能量利用效率较高的增程式电动汽车多模式放电轨迹规划系统与控制方法，以解决目前增程式电动汽车在电量维持模式下高速行驶和爬坡时动力性能不足、驾驶体验不佳的问题。

为实现上述技术目的，本发明将采取以下的技术方案：一种增程式电动汽车电量轨迹规划系统，其包括驾驶员动力性能期望输入按钮Sw、车载导航系统、整车控制系统，电量轨迹规划模块、能量管理控制模块和增程器动态协调控制模块，其中：

驾驶员动力性能期望输入按钮Sw用于给整车控制系统输入驾驶员对车辆动力性能的期望；

车载导航系统用于将车辆出发地到目的地之间的位置、海拔和行车路况等信息通过CAN总线传送给整车控制系统；

整车控制系统通过对上述信息的分析，并结合车辆各部件的状态和相应的控制软件，控制直流母线需求功率P_DC ^r在增程器RE和动力电池B之间的分配。

电量轨迹规划模块根据车载导航系统和动力性能期望按钮的输入，提前规划出动力电池目标电量SoC^*的轨迹；

能量管理控制模块根据动力电池目标电量SoC^*的值和部件当前状态，计算得到增程器的目标输出功率P_RE ^*；

增程器动态协调控制模块根据增程器的目标输出功率P_RE ^*，确定发动机的目标转速n_e ^*和发电机的目标转矩T_g ^*，并通过CAN总线传送给发动机控制器和发电机控制器，实施闭环控制。

本发明还提供了一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，包括以下步骤：

S01、轨迹规划模块根据车载导航系统输入的地理和工况信息，计算车辆当前位置到目的地之间的预计行驶距离D，并预测车辆的纯电动续驶里程；

S02、若该距离D小于车辆的纯电动续驶里程，则控制车辆在整个过程均以纯电动模式行驶；

S03、若该距离D大于车辆的纯电动续驶里程，且后期超过纯电动续驶里程的部分包含爬坡工况，则控制车辆以动力电池目标电量SoC^*的轨迹随行驶距离线性下降并考虑下降斜率补偿的第三混合动力模式BL3行驶。

S04、若该距离D大于车辆的纯电动续驶里程，但后期超过纯电动续驶里程的部分没有高速或爬坡工况时，则控制车辆以先纯电动后电量维持的CD-CS模式行驶；

S05、若后期超过纯电动续驶里程的部分包含高速工况且驾驶员通过控制按钮输入的对车辆动力性能的期望为“高”，则控制车辆以动力电池目标电量SoC^*的轨迹随行驶距离线性下降的第一混合动力模式BL1行驶；

S06、若后期超过纯电动续驶里程的部分包含高速工况，但驾驶员通过控制按钮输入的对车辆动力性能的期望为“低”，则仍然控制车辆以CD-CS模式行驶，行程后期降功率行驶。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明采用一种多模式电量轨迹规划系统与控制方法，根据车辆不同的未来行驶工况和地理状况，以及驾驶员对车辆不同的动力性能期望，可以提前对动力电池的放电轨迹进行规划，以保证增程式电动汽车在后期高速行驶和爬坡时动力电池仍然有富余的电量，即使所匹配的增程器功率较小，也可以表现出较好的动力性能或驾驶体验。并且通过控制动力电池按线性轨迹放电，可以有效提升车辆在混合动力模式下的能效，降低增程式电动汽车的油耗。

附图说明

图1是本发明所提出的一种用于消除低电量时增程式电动汽车动力性能不足的电量轨迹规划系统的硬件构成与各软件功能模块；

图2是本发明提出的融合车载导航系统输入信息和驾驶员动力性能期望的多模式电量轨迹规划方法的实现流程图；

图3是各控制模式下所规划电量轨迹随车辆行驶距离的变化示意图；

其中：RE：增程器；ICE：内燃机；G：发电机；B：动力电池；E：电驱动系统；C：车载充电器；Sw:驾驶员动力性能期望输入按钮；SoC:动力电池实际电量；SoC^*:动力电池目标电量；SoE：动力电池能量状态；P_RE：增程器实际输出功率；P_RE ^*：增程器目标输出功率；P_DC ^r：直流母线需求功率；n_e ^*:发动机目标转速；T_g ^*:发电机目标转矩。BL1：第一混合动力模式；BL2：第二混合动力模式；BL3：第三混合动力模式。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构和原理示意图。现结合附图详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，该实施例提供了一种增程式电动汽车电量轨迹规划系统，其包括驾驶员动力性能期望输入按钮Sw、车载导航系统、整车控制系统，电量轨迹规划模块、能量管理控制模块和增程器动态协调控制模块，其中：

驾驶员动力性能期望输入按钮Sw用于给整车控制系统输入驾驶员对车辆动力性能的期望，优选地，若按下Sw，则表示驾驶员希望车辆具备“较高”的动力性能，若恢复Sw，则表示驾驶员对车辆的动力性能没有很高的要求；

车载导航系统用于将车辆出发地到目的地之间的位置、海拔和行车路况等信息通过CAN总线传送给整车控制系统；

整车控制系统通过对上述信息的分析，并结合车辆各部件的状态和相应的控制软件，控制直流母线需求功率P_DC ^r在增程器RE和动力电池B之间的分配。

电量轨迹规划模块根据车载导航系统和动力性能期望按钮的输入，提前规划出动力电池目标电量SoC^*的轨迹；

能量管理控制模块根据动力电池目标电量SoC^*的值和部件当前状态，计算得到增程器的目标输出功率P_RE ^*；

增程器动态协调控制模块根据增程器的目标输出功率P_RE ^*，确定发动机的目标转速n_e ^*和发电机的目标转矩T_g ^*，并通过CAN总线传送给发动机控制器和发电机控制器，实施闭环控制。

本发明提出的电量轨迹规划系统与控制方法适用于各种类型的增程器。为了更好地说明其应用方式，现以内燃机-发电机组增程器为例，通过使用本发明提出的电量轨迹规划系统与控制方法，能够消除低电量时增程式电动汽车高速行驶和爬坡工况下动力性能的不足。

如图2所示，该实施例还提供了一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，包括以下步骤：

S01、轨迹规划模块根据车载导航系统输入的地理和工况信息，计算车辆当前位置到目的地之间的预计行驶距离D，并预测车辆的纯电动续驶里程；

该步骤中，车载导航系统获取车辆当前位置到目的地之间的距离D以及未来行程的地理和行车路况信息，并通过CAN总线传送给整车控制系统，整车控制系统根据这些信息和动力电池当前能量状态预估车辆的纯电动续驶里程，并进行控制模式的判断和选择；

S02、若该距离D小于车辆的纯电动续驶里程，则控制车辆在整个过程均以纯电动模式行驶；

该步骤中，如果当前位置到目的地之间的距离D小于上述预估的纯电动续驶里程，则控制车辆以纯电动模式行驶，增程器全程关闭，车辆行驶所需的能量全部来自于动力电池，否则进入步骤S03；

S03、若该距离D大于车辆的纯电动续驶里程，且后期超过纯电动续驶里程的部分包含爬坡工况，则控制车辆以动力电池目标电量SoC^*的轨迹随行驶距离线性下降并考虑下降斜率补偿的第三混合动力模式BL3行驶。

该步骤中，如果判断行程后期含有爬坡工况，则提前启动增程器，控制増程器和动力电池同时提供能量，使车辆以第三混合动力模式BL3模式行驶；

如图3中所示，该模式下，下坡前动力电池目标电量SoC^*的轨迹为斜率k1’的直线，下坡后动力电池目标电量SoC^*的轨迹为斜率k1的直线，并刚好在目的地位置处下降到SoC_f，否则进入步骤S04；

上述斜率k1和k1’的值分别由下面两式决定：

其中SoC₀、SoC_f分别表示当前位置动力电池的实际电量和目的地位置动力电池的目标电量，优选地，可以取SoC_f为0.3；ΔE表示下坡过程中预测可通过电制动回收的制动能量；U_oc、Q_m分别表示动力电池的开路电压和额定容量；S₂表示刚开始下坡时车辆相对初始位置的累计行驶距离；ΔE/V_ocQ_mS₂为通过制动能量回收对原始动力目标电量轨迹斜率的补偿项。

上述第三混合动力模式BL3下所规划的动力电池目标电量SoC^*的轨迹由下式确定：

其中SoC_target(p)为目标电量SoC^*轨迹上位置p处的目标SoC值；S(p)表示车辆从初始位置到当前位置p处的累计行驶距离；S₃为下坡刚结束时车辆相对初始位置的累计行驶距离。

S04、若该距离D大于车辆的纯电动续驶里程，但后期超过纯电动续驶里程的部分没有高速或爬坡工况时，则控制车辆以先纯电动后电量维持的CD-CS模式行驶；

该步骤中，如果未来行驶工况均为城市工况，即没有高速或爬坡工况时，则控制车辆以CD-CS模式行驶；

车辆先工作在纯电动模式，动力电池实际电量SoC下降到目的地位置动力电池的目标电量SoC_f后进入电量维持模式，否则进入步骤S05；

S05、若后期超过纯电动续驶里程的部分包含高速工况且驾驶员通过控制按钮输入的对车辆动力性能的期望为“高”，则控制车辆以动力电池目标电量SoC^*的轨迹随行驶距离线性下降的第一混合动力模式BL1行驶；

该步骤中，驾驶员通过动力性能期望按钮将其对车辆动力性能的期望输入给整车控制系统，如果驾驶员对车辆的动力性能期望为“高”，则提前启动增程器，控制増程器和动力电池共同提供能量，使车辆以第一混合动力模式BL1行驶；

如图3中所示，该模式下，动力电池目标电量SoC^*在整个行驶过程中随行驶距离以上述斜率k1线性下降，并刚好在目的地位置处下降到SoC_f，否则进入步骤S06；

上述第一混合动力模式BL1下动力电池目标电量SoC^*轨迹由下式确定：

SoC_target(p)=SoC₀-k1S(p)

执行步骤S05的过程中（如图3中所示的S₁处），如果整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由“高”到“低”的改变，则关闭增程器，控制车辆以图3中所示的CD’-CS模式行驶；

该模式下，车辆先工作在纯电动模式，动力电池实际电量SoC下降到目的地位置动力电池的目标电量SoC_f以后进入电量维持模式，在后期高速工况下，为了不对动力电池造成过放，整车控制器对车辆的最高车速进行限制，限速值根据增程器的额定输出功率值确定。

S06、若后期超过纯电动续驶里程的部分包含高速工况，但驾驶员通过控制按钮输入的对车辆动力性能的期望为“低”，则仍然控制车辆以CD-CS模式行驶，行程后期降功率行驶；

该步骤中，如果驾驶员对车辆的动力性能期望为“低”，则控制车辆仍然以CD-CS模式行驶，车辆先工作在纯电动模式，动力电池实际电量SoC下降到目的地位置动力电池的目标电量SoC_f以后进入电量维持模式，在后期高速工况下，为了不对动力电池造成过放，整车控制器对车辆的最高车速进行限制，限速值根据增程器的额定输出功率值确定。

执行步骤S06的过程中，如果车辆在以纯电动模式行驶时（如图3中所示的S₀处），整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由“低”到“高”的改变，则启动增程器，控制増程器和动力电池共同提供能量，使车辆以第二混合动力模式BL2行驶；

如图3中所示，该模式下，动力电池目标电量SoC^*在整个行驶过程中随行驶距离以斜率k2线性下降，并刚好在目的地位置处下降到SoC_f。

上述斜率k2的值由下式决定：

其中，SoC₃表示车辆在累计行驶距离为S₀的位置处动力电池实际电量SoC的值；S_f为车辆目的地相对初始位置的累计行驶距离。

上述第二混合动力模式BL2下动力电池目标电量SoC^*的轨迹由下式确定：

SoC_target(p)=SoC₃-k2S(p)

上述所有步骤中CS模式下动力电池目标电量SoC^*的轨迹为一条水平直线，SoC_target(p)取值为SoC_f；

通过以上原理和实施步骤可以看到，所提出的多模式电量轨迹规划系统与控制方法可以适应驾驶员对车辆不同的动力性能要求，解决了增程式电动汽车在增程模式下高速行驶或爬坡时动力性能不足的问题，并且能保证车辆在不同模式下都获得较好的能耗经济性。

尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种增程式电动汽车电量轨迹规划系统，其包括驾驶员动力性能期望输入按钮Sw、车载导航系统、整车控制系统，电量轨迹规划模块、能量管理控制模块和增程器动态协调控制模块，其中：

驾驶员动力性能期望输入按钮Sw用于给整车控制系统输入驾驶员对车辆动力性能的期望；

车载导航系统用于将车辆出发地到目的地之间的位置、海拔和行车路况等信息通过CAN总线传送给整车控制系统；

整车控制系统通过对上述信息的分析，并结合车辆各部件的状态和相应的控制软件，控制直流母线需求功率P_DC ^r在增程器RE和动力电池B之间的分配。

电量轨迹规划模块根据车载导航系统和动力性能期望按钮的输入，提前规划出动力电池目标电量SoC^*的轨迹；

能量管理控制模块根据动力电池目标电量SoC^*的值和部件当前状态，计算得到增程器的目标输出功率P_RE ^*；

增程器动态协调控制模块根据增程器的目标输出功率P_RE ^*，确定发动机的目标转速n_e ^*和发电机的目标转矩T_g ^*，并通过CAN总线传送给发动机控制器和发电机控制器，实施闭环控制。

2.一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，包括以下步骤：

S01、轨迹规划模块根据车载导航系统输入的地理和工况信息，计算车辆当前位置到目的地之间的预计行驶距离D，并预测车辆的纯电动续驶里程；

S02、若该距离D小于车辆的纯电动续驶里程，则控制车辆在整个过程均以纯电动模式行驶；

S03、若该距离D大于车辆的纯电动续驶里程，且后期超过纯电动续驶里程的部分包含爬坡工况，则控制车辆以动力电池目标电量SoC^*的轨迹随行驶距离线性下降并考虑下降斜率补偿的第三混合动力模式BL3行驶。

S04、若该距离D大于车辆的纯电动续驶里程，但后期超过纯电动续驶里程的部分没有高速或爬坡工况时，则控制车辆以先纯电动后电量维持的CD-CS模式行驶；

S05、若后期超过纯电动续驶里程的部分包含高速工况且驾驶员通过控制按钮输入的对车辆动力性能的期望为“高”，则控制车辆以动力电池目标电量SoC^*的轨迹随行驶距离线性下降的第一混合动力模式BL1行驶；

S06、若后期超过纯电动续驶里程的部分包含高速工况，但驾驶员通过控制按钮输入的对车辆动力性能的期望为“低”，则仍然控制车辆以CD-CS模式行驶，行程后期降功率行驶。

3.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤1中，车载导航系统获取车辆当前位置到目的地之间的距离D以及未来行程的地理和行车路况信息，并通过CAN总线传送给整车控制系统，整车控制系统根据这些信息和动力电池当前能量状态预估车辆的纯电动续驶里程，并进行控制模式的判断和选择。

4.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤2中，如果当前位置到目的地之间的距离D小于上述预估的纯电动续驶里程，则控制车辆以纯电动模式行驶，增程器全程关闭，车辆行驶所需的能量全部来自于动力电池。

5.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤3中，如果判断行程后期含有爬坡工况，则提前启动增程器，控制増程器和动力电池同时提供能量，使车辆以第三混合动力模式BL3模式行驶；

第三混合动力模式BL3模式下，下坡前动力电池目标电量SoC^*的轨迹为斜率k1’的直线，下坡后动力电池目标电量SoC^*的轨迹为斜率k1的直线，并刚好在目的地位置处下降到SoC_f，斜率k1和k1’的值分别由下面两式决定：

$k1=\frac{{\mathrm{SoC}}_0-{\mathrm{SoC}}_f}{D}$

$k{1}^{\′}=k1+\frac{\mathrm{\Δ}E}{U_{oc}{Q}_m{S}_2}$

其中SoC₀、SoC_f分别表示当前位置动力电池的实际电量和目的地位置动力电池的目标电量，优选地，可以取SoC_f为0.3；ΔE表示下坡过程中预测可通过电制动回收的制动能量；U_oc、Q_m分别表示动力电池的开路电压和额定容量；S₂表示刚开始下坡时车辆相对初始位置的累计行驶距离；ΔE/V_ocQ_mS₂为通过制动能量回收对原始动力电池目标电量轨迹斜率的补偿项。

6.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤4中，如果未来行驶工况均为城市工况，即没有高速或爬坡工况时，则控制车辆以CD-CS模式行驶；

CD-CS模式下，车辆先工作在纯电动模式，动力电池实际电量SoC下降到目的地位置的动力电池目标电量SoC_f后进入电量维持模式。

7.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤5中，驾驶员通过动力性能期望按钮将其对车辆动力性能的期望输入给整车控制系统，如果驾驶员对车辆的动力性能期望为“高”，则提前启动增程器，控制増程器和动力电池共同提供能量，使车辆以第一混合动力模式BL1行驶；

该模式下，动力电池目标电量SoC^*在整个行驶过程中随行驶距离以斜率k1线性下降，并刚好在目的地位置处下降到SoC_f。

8.根据权利要求2所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤6中，该步骤中，如果驾驶员对车辆的动力性能期望为“低”，则控制车辆仍然以CD-CS模式行驶，车辆先工作在纯电动模式，动力电池实际电量SoC下降到目的地位置的动力电池目标电量SoC_f以后进入电量维持模式，在后期高速工况下，为了不对动力电池造成过放，整车控制器对车辆的最高车速进行限制，限速值根据增程器的额定输出功率值确定。

9.根据权利要求8所述的一种增程式电动汽车多模式电量轨迹规划方法，其特征在于：步骤6中，如果车辆在以纯电动模式行驶时，整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由“低”到“高”的改变，则启动增程器，控制増程器和动力电池共同提供能量，使车辆以第二混合动力模式BL2行驶；

第二混合动力模式BL2模式下，动力电池目标电量SoC^*在整个行驶过程中随行驶距离以斜率k2线性下降，并刚好在目的地位置处下降到SoC_f；

上述斜率k2的值由下式决定：

$k2=\frac{{\mathrm{SoC}}_3-{\mathrm{SoC}}_f}{S_f-S_0}$

其中，SoC₃表示车辆在累计行驶距离为S₀的位置处动力电池实际电量SoC的值；S_f为车辆目的地相对初始位置的累计行驶距离。