CN106494388B

CN106494388B - 一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法

Info

Publication number: CN106494388B
Application number: CN201610858402.4A
Authority: CN
Inventors: 郑春花
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: CN106494388A

Abstract

本发明涉及新能源汽车技术领域，特别涉及一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法。所述装置通过交通流预测模块获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，通过车速传感器获取车速信息，通过动力传动系统控制模块获取车辆状态信息，整车控制器根据可行车速范围、车速信息及车辆状态信息分别计算动力分配最优结果和车速调整最优结果，所述动力传动系统控制模块根据动力分配最优结果对车辆状态进行控制，车速提示模块根据车速调整最优结果对驾驶员进行车速调整提示。本发明通过混合动力汽车的速度优化与能量分配优化的结合，避免急加速、急减速等增加车辆能耗的驾驶行为，大大提高节能效果。

Description

一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，特别涉及一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法。

背景技术

由于使用两个性质完全不同的动力源，混合动力汽车的能量管理是一个非常重要的研究方向。主动力源一般为发动机、燃料电池等能量型动力源，而辅助动力源为电池、超级电容等功率型动力源，并具有回收能量的功能。车辆加速时所需的功率较大，辅助动力源将协助主动力源向车体发出所需的动力；在车辆的制动期间，辅助动力源将回收部分车辆的动能；同时，在一些特殊情况下，如辅助动力源电荷状态(SOC)降至最低值，主动力源还可将一部分能量传递给辅助动力源。

混合动力汽车的能量管理算法根据混合动力汽车整车所需动力，决定两个动力源各自需要承担的动力。整车所需动力是由车辆自身的情况和车速决定的。在现有的大部分研究中车速通常是不可控制的量。在实际驾驶中，车速取决于周围的交通状况、道路条件以及驾驶员的驾驶习惯等，而通常，驾驶员的驾驶行为不一定是按照节能的方向进行的，市区行驶中频繁的急加速、急减速以及交通信号灯附近的急停车、急出发等驾驶行为都会导致车辆的能耗提高。

以往的混合动力汽车能量管理及车速调整方案都是在给定的驾驶工况下进行的，包括事先给定的情况和实时给定的情况。但无论哪种情况，都说明车辆的速度不是优化的对象。这是因为在传统车辆的驾驶中，车辆的速度是由驾驶员的踩踏油门和制动踏板的行为来决定的。随着辅助驾驶、无人驾驶等新型技术的发展，车速不再单纯由驾驶员来决定。这使得车速的调整也成为了可能，并且激发了相关领域的研究。车速调整的目的是在所允许的范围内通过调整车速实现车辆的节能。在这里，允许的范围指的是车辆可发生的最高速度和最低速度范围。这个范围取决于当前的交通状况，如当前车速和与前车、后车之间的距离等交通流信息。随着一些现代通信技术和数据处理技术的发展，交通流信息的获取不再是问题，而交通流信息可以提供上述最高和最低速度范围。

目前，在车辆速度调整方面有一些研究案例。在某研究中，研究者对通过预测获取的车速进行了调整，调整的方向是减少车辆频繁的加减速，同时保证车辆在预定的时间内到达预定的地点。此研究的理论基础不是最优控制理论，因此，在车速调整效果上还有提升的空间。在此研究的后续研究中，研究者采用了序列二次规划法(SQP)，并利用交通预览信息，对混合动力汽车的动力分配和车速同时进行了优化。在上述两个研究中，预测到的车速或者是交通预览信息都要以车速对时间或者车速对距离的具体的形式给定。然而，在实际车辆的行驶中，前方的路况是实时变化的，而车辆在未来一段行驶中的速度也是有一定的变化范围的。因此，这种具体的车速信息无法在实际的预测中获取。

另外，一些研究者利用最优控制理论，在已获取的速度范围内，对混合动力汽车的能量管理和速度同时进行了优化。所谓最优控制理论是庞特里亚金最小值原理和动态规划算法的组合。该方法不需要具体的车速预测信息，而是给定前方一段行驶中的车速范围即可。此研究的缺点是，由于部分采用了动态规划算法，因此需要很长的计算时间，不适合实际应用。

发明内容

本发明提供了一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。

为了解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置，包括交通流预测模块、车速传感器、动力传动系统控制模块、整车控制器和车速提示模块，所述交通流预测模块用于获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，所述车速传感器用于获取车速信息，所述动力传动系统控制模块用于获取车辆状态信息，所述整车控制器用于根据可行车速范围、车速信息及车辆状态信息分别计算动力分配最优结果和车速调整最优结果，所述动力传动系统控制模块根据动力分配最优结果对车辆状态进行控制；所述车速提示模块根据车速调整最优结果对驾驶员进行车速调整提示。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述交通流预测模块利用车辆前方交通流信息和周围车辆信息获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并将可行车速范围发送至整车控制器；所述可行车速范围即车辆可发生的最低速度和最高速度。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述整车控制器计算动力分配最优结果和车速调整最优结果的计算方式为：利用庞特里亚金最小值原理解算两个状态变量、两个控制变量的控制问题，通过函数f定义所述控制问题的两个状态方程为：

在上述公式中，两个状态变量分别是辅助动力源电荷状态SOC和车辆速度v_veh，两个控制变量分别是主动力源输出功率P_main和车辆加速度a_veh。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述控制问题的控制目标为混合动力汽车的燃油消耗，即在车辆行驶中，找出两个控制变量P_main和a_veh的最优值，根据庞特里亚金最小值原理，汉密尔顿函数定义为：

则所述控制问题的最优解的五个必要条件为：

在上述公式中，表示主动力源的燃油消耗率，p₁和p₂分别为两个共同状态变量；所述五个必要条件中，第一个必要条件和第二个必要条件表示两个状态方程，第三个必要条件和第四个必要条件为共同状态方程，在混合动力汽车行驶的每一时刻都会存在一定数量的两个控制变量P_main和a_veh的可行组合，庞特里亚金最小值原理根据第五个必要条件一定数量的可行组合中选取最优组合(P_main ^*,a_veh ^*)，得到两个控制变量P_main和a_veh的最优值。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述车速调整提示方式包括：通过显示屏并以曲线的方式进行显示，或以语音提示的方式提醒驾驶员加速或者减速。

本发明实施例采取的另一技术方案为：一种混合动力汽车能量管理及车速调整方法，包括：

步骤a：分别获取车辆状态信息、车速信息及前方一段驾驶范围内的可行车速范围；

步骤b：通过整车控制器根据可行车速范围、车速信息及车辆状态信息分别计算动力分配最优结果和车速调整最优结果；

步骤c：将所述动力分配最优结果发送至动力传动系统控制模块，对车辆状态进行控制；并根据所述车速调整最优结果对驾驶员进行车速调整提示。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，所述获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围的获取方式为：交通流预测模块利用车辆前方交通流信息和周围车辆信息获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并将可行车速范围发送至整车控制器；所述可行车速范围即车辆可发生的最低速度和最高速度。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述整车控制器计算动力分配最优结果和车速调整最优结果的计算方式为：利用庞特里亚金最小值原理解算两个状态变量、两个控制变量的控制问题，通过函数f定义所述控制问题的两个状态方程为：

则所述控制问题的最优解的五个必要条件为：

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述车速调整提示方式包括：通过显示屏并以曲线的方式进行显示，或以语音提示的方式提醒驾驶员加速或者减速。

相对于现有技术，本发明实施例产生的有益效果在于：本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法通过采用庞特里亚金最小值原理，将交通流信息应用于混合动力汽车的能量管理中，在允许的范围内，根据前方一段行驶中的车速范围将两个动力源的动力分配以及车辆的速度同时作为混合动力汽车的优化对象，通过混合动力汽车的速度优化与能量分配优化的结合，避免急加速、急减速等增加车辆能耗的驾驶行为，大大提高节能效果；并可实时获取计算结果，同时，不需要具体的车速预测信息，具有充分的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整装置的结构示意图；

图2为某一时刻k在整车控制器里的计算过程示意图；

图3是本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法通过采用庞特里亚金最小值原理，将交通流信息应用于混合动力汽车的能量管理中，在允许的范围内，根据前方一段行驶中的车速范围将两个动力源的动力分配以及车辆的速度同时作为混合动力汽车的优化对象，通过混合动力汽车的速度优化与能量分配优化的结合，可避免急加速、急减速等增加车辆能耗的驾驶行为，大大提高节能效果；并可实时获取计算结果，同时，不需要具体的车速预测信息。

具体地，请参阅图1，是本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整装置的结构示意图。本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整装置包括交通流预测模块、车速传感器、动力传动系统控制模块、整车控制器和车速提示模块；交通流预测模块用于获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，车速传感器用于获取车速信息，动力传动系统控制模块用于获取车辆状态信息(包括主动力源、辅助动力源以及其他动力传动系统部件的状态等)，整车控制器用于根据可行车速范围、车速信息及车辆状态信息分别计算动力分配和车速调整的最优结果，将动力分配最优结果发送至动力传动系统控制模块，动力传动系统控制模块根据动力分配最优结果产生相应的控制信号，并对车辆状态信息进行相应的控制；同时，整车控制器将车速调整最优结果作为目标车速发送至车速提示模块对驾驶员进行车速调整提示。

交通流预测模块是利用车辆前方交通流信息和周围车辆信息获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并将可行车速度范围发送至整车控制器，可行车速范围即车辆可发生的最低速度和最高速度。

整车控制器为本发明的核心部分，其接收从交通流预测模块获取的前方一段驾驶范围内的可行车速范围、动力传动系统控制模块获取的车辆状态信息以及车速传感器获取的车速信息，并通过庞特里亚金最小值原理的计算，最终获得动力分配和车速调整的最优结果，并将动力分配最优结果和车速调整最优结果分别发送给动力传动系统控制模块和车速提示模块，动力传动系统控制模块根据动力分配最优结果对车辆状态进行相应的控制；并且，车速提示模块将车速调整最优结果作为目标速度对驾驶员进行车速调整提示，驾驶员在实际驾驶过程中，通过对车辆的实际速度和目标速度进行比较，使车辆的实际速度紧紧跟随目标速度。本发明实施例中，车速提示模块的车速调整提示方式包括但不限于：通过显示屏并以曲线的方式进行显示，或者以语音提示的方式提醒驾驶员加速或者减速等。

整车控制器需要同时优化两个量，即混合动力汽车的动力分配和车速调整，而混合动力汽车的动力分配又与车速息息相关。整车控制器需要解算两个状态变量、两个控制变量的控制问题。该控制问题的两个状态方程如下：

在公式(1)中，SOC表示辅助动力源电荷状态，P_assis表示辅助动力源输出功率，v_veh表示车辆速度，a_veh表示车辆加速度。第一个状态方程表示辅助动力源SOC的动态变化特性，F是反应辅助动力源各参数之间关系的一种函数。第二个状态方程表示车辆的动态特性。第一个状态方程中的P_assis可被主动力源输出功率P_main,车辆速度v_veh,车辆加速度a_veh所代替，因为，整车所需功率由v_veh与a_veh决定，而此功率需要由主动力源和辅助动力源共同输出。在这里，利用另一个函数f来重新定义两个状态方程如下：

在公式(2)中，两个状态变量分别是辅助动力源电荷状态SOC和车辆速度v_veh，两个控制变量分别是主动力源输出功率P_main和车辆加速度a_veh。

在解算时，各变量需要满足各自的约束条件。SOC不能超出辅助动力源本身所允许的范围，v_veh要满足根据交通流信息获取的可行车速范围；P_main要在主动力源和车辆当前状况所允许的范围内，a_veh要满足由当前车速和可行车速范围给定的范围。此外，还要满足车辆在指定时间内到达指定地点的约束。对上述状态变量和控制变量的约束条件整理如下：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

v_min(t)≤v_veh(t)≤v_max(t)

P_main,min(t)≤P_main(t)≤P_main,max(t)

a_min(t)≤a_veh(t)≤a_max(t)

在公式(3)，N表示一个交通流预测周期，L表示交通流预测周期内的行驶距离。在上述五个约束中，除了辅助动力源电荷状态最小值SOC_min和最大值SOC_max根据辅助动力源特性事先给定之外，其他最小值和最大值都随着当前的状况实时变化。v_min和v_max由交通流预测模块获取；a_min和a_max由车速传感器获取的当前车速信息和交通流预测模块获取的v_min和v_max决定；P_main,min和P_main,max由动力传动系统控制模块获取的车辆状态信息和主动力源本身的特性决定；第五个约束条件表示车辆需要在指定的时间N内行驶指定的距离L。

该控制问题的控制目标为混合动力汽车的燃油消耗，即在车辆的行驶中，找出两个控制变量P_main和a_veh的最优值，使得动力传动系统控制模块得到相应的控制，从而使得混合动力汽车的燃油消耗达到最小值。根据庞特里亚金最小值原理，当汉密尔顿函数定义为如下时，

得到上述控制问题最优解的五个必要条件如下：

在公式(4)和(5)中，表示主动力源的燃油消耗率，这与主动力源的输出功率相关，p₁和p₂分别为两个共同状态变量。上述五个必要条件中，第一个必要条件和第二个必要条件表示公式(2)中的两个状态方程，说明最优解首先需要满足状态方程的约束；第三个必要条件和第四个必要条件称为共同状态方程，分别给定两个共同状态变量的最优解。在混合动力汽车行驶的每一时刻都会存在很多P_main和a_veh的可行组合，庞特里亚金最小值原理根据上述第五个必要条件从这些可行组合中选取最优组合(P_main ^*,a_veh ^*)，即使得汉密尔顿函数最小的组合，得到两个控制变量P_main和a_veh的最优值。上述五个必要条件需要在0到N的范围内全程满足，使得计算出混合动力汽车的动力分配和车速调整的最优结果，从而实现进一步的节能效果。具体请一并参阅图2，为某一时刻k在整车控制器里的计算过程示意图。

请参阅图3，是本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整方法的流程图。本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整方法包括以下步骤：

步骤100：通过交通流预测模块获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并通过车速传感器和动力传动系统控制模块分别获取车速信息及车辆状态信息；

在步骤100中，交通流预测模块利用车辆前方交通流信息和周围车辆信息获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并将行车速度范围发送至整车控制器，可行车速范围即车辆可发生的最低速度和最高速度。获取的车辆状态信息包括主动力源、辅助动力源以及其他动力传动系统部件的状态等。

步骤200：通过整车控制器接收获取的可行车速范围、车速信息及车辆状态信息，根据可行车速范围、车速信息及车辆状态信息分别计算动力分配和车速调整的最优结果；

在步骤200中，整车控制器为本发明的核心部分，其接收从交通流预测模块获取的前方一段驾驶范围内的可行车速范围、动力传动系统控制模块获取的车辆状态信息以及车速传感器获取的车速信息，并通过庞特里亚金最小值原理的计算，最终获得动力分配和车速调整的最优结果。本发明实施例中，整车控制器需要同时优化两个量，即混合动力汽车的动力分配和车速调整，而混合动力汽车的动力分配又与车速息息相关。即，整车控制器需要解算两个状态变量、两个控制变量的控制问题。该控制问题的两个状态方程如下：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

v_min(t)≤v_veh(t)≤v_max(t)

P_main,min(t)≤P_main(t)≤P_main,max(t)

a_min(t)≤a_veh(t)≤a_max(t)

得到上述控制问题最优解的五个必要条件如下：

在公式(4)和(5)中，表示主动力源的燃油消耗率，这与主动力源的输出功率相关，p₁和p₂分别为两个共同状态变量。上述五个必要条件中，第一个必要条件和第二个必要条件表示公式(2)中的两个状态方程，说明最优解首先需要满足状态方程的约束；第三个必要条件和第四个必要条件称为共同状态方程，分别给定两个共同状态变量的最优解。在混合动力汽车行驶的每一时刻都会存在很多P_main和a_veh的可行组合，庞特里亚金最小值原理根据上述第五个必要条件从这些可行组合中选取最优组合(P_main ^*,a_veh ^*)，即使得汉密尔顿函数最小的组合，得到两个控制变量P_main和a_veh的最优值。上述五个必要条件需要在0到N的范围内全程满足，使得计算出混合动力汽车的动力分配和车速调整的最优结果，从而实现进一步的节能效果。

步骤300：将动力分配最优结果发送至动力传动系统控制模块，动力传动系统控制模块根据动力分配最优结果产生相应的控制信号，并对车辆状态信息进行相应的控制；同时，将车速调整最优结果作为目标速度发送至驾驶员进行车速调整提示。

在步骤300中，车速调整提示方式包括但不限于：通过显示屏并以曲线的方式进行显示，或者以语音提示的方式提醒驾驶员加速或者减速等。驾驶员在实际驾驶过程中，通过对车辆的实际速度和目标速度进行比较，使车辆的实际速度紧紧跟随目标速度。

本发明实施例的混合动力汽车能量管理及车速调整装置及方法通过采用庞特里亚金最小值原理，将交通流信息应用于混合动力汽车的能量管理中，在允许的范围内，根据前方一段行驶中的车速范围将两个动力源的动力分配以及车辆的速度同时作为混合动力汽车的优化对象，通过混合动力汽车的速度优化与能量分配优化的结合，避免急加速、急减速等增加车辆能耗的驾驶行为，大大提高节能效果；并可实时获取计算结果，同时，不需要具体的车速预测信息，具有充分的实用性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种混合动力汽车能量管理及车速调整装置，其特征在于，包括交通流预测模块、车速传感器、动力传动系统控制模块、整车控制器和车速提示模块，所述交通流预测模块用于获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，所述车速传感器用于获取车速信息，所述动力传动系统控制模块用于获取车辆状态信息，所述整车控制器用于根据可行车速范围、车速信息及车辆状态信息分别计算动力分配最优结果和车速调整最优结果，所述动力传动系统控制模块根据动力分配最优结果对车辆状态进行控制；所述车速提示模块根据车速调整最优结果对驾驶员进行车速调整提示；

所述交通流预测模块利用车辆前方交通流信息和周围车辆信息获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并将可行车速范围发送至整车控制器；所述可行车速范围即车辆可发生的最低速度和最高速度。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车能量管理及车速调整装置，其特征在于，所述整车控制器计算动力分配最优结果和车速调整最优结果的计算方式具体为：利用庞特里亚金最小值原理解算两个状态变量、两个控制变量的控制问题，通过函数f定义所述控制问题的两个状态方程为：

3.根据权利要求2所述的混合动力汽车能量管理及车速调整装置，其特征在于，所述控制问题的控制目标为混合动力汽车的燃油消耗，即在车辆行驶中，找出两个控制变量P_main和a_veh的最优值，根据庞特里亚金最小值原理，汉密尔顿函数定义为：

则所述控制问题的最优解的五个必要条件为：

4.根据权利要求1所述的混合动力汽车能量管理及车速调整装置，其特征在于，所述车速调整提示方式包括：通过显示屏并以曲线的方式进行显示，或以语音提示的方式提醒驾驶员加速或者减速。

5.一种混合动力汽车能量管理及车速调整方法，其特征在于，包括：

步骤c：将所述动力分配最优结果发送至动力传动系统控制模块，对车辆状态进行控制；并根据所述车速调整最优结果对驾驶员进行车速调整提示；

在所述步骤a中，所述获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围的获取方式为：交通流预测模块利用车辆前方交通流信息和周围车辆信息获取前方一段驾驶范围内的可行车速范围，并将可行车速范围发送至整车控制器；所述可行车速范围即车辆可发生的最低速度和最高速度。

6.根据权利要求5所述的混合动力汽车能量管理及车速调整方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述整车控制器计算动力分配最优结果和车速调整最优结果的计算方式为：利用庞特里亚金最小值原理解算两个状态变量、两个控制变量的控制问题，通过函数f定义所述控制问题的两个状态方程为：

7.根据权利要求6所述的混合动力汽车能量管理及车速调整方法，其特征在于，所述控制问题的控制目标为混合动力汽车的燃油消耗，即在车辆行驶中，找出两个控制变量P_main和a_veh的最优值，根据庞特里亚金最小值原理，汉密尔顿函数定义为：

则所述控制问题的最优解的五个必要条件为：

8.根据权利要求5所述的混合动力汽车能量管理及车速调整方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述车速调整提示方式包括：通过显示屏并以曲线的方式进行显示，或以语音提示的方式提醒驾驶员加速或者减速。