CN106926841B - 一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法 - Google Patents

一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，该方法在规则的逻辑控制方法基础上建立双行星排式混合动力能量管理模型，并决策出双行星排式混合动力汽车工作模式，使发动机和电机运行在最佳工作点，从而实现双行星排式混合动力汽车能量的高效管理；结合动态因子β和Fibonacci方法筛选确定发动机、电机的工作主从关系及最佳工作点；根据实际速度和目标速度的差值及其变化率，动态调整PID控制器参数实现能量的高效回收。本发明采用瞬时优化算法和制动能量反馈的方法来优化双行星排式混合动力汽车的能量管理，提高汽车的燃油经济性和整车的能量利用率。

Description

一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力汽车能量管理技术领域，特别是涉及一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法。
背景技术
本发明针对双行星排式混合动力汽车的控制方法，根据其功率分流原理进行对发动机，电机优化，使发动机、电机运行在高效率区，实现局部最优来达到全局最优的效果，行星排式混合动力汽车是以双行星排式齿轮机构作为动力耦合机构，针对双行星排齿轮机构和发动机、电机的不同布置，其相应的工作模式会有很多，则在选取相应的工作模式下，设计出实时高效的能量管理控制策略对发挥双行星排式混合动力汽车动力系统性能优势则尤为关键。双行星排式混合动力汽车的动力系统主要有发动机、动力电池以及两个电机，针对双行星排齿轮机构和发动机、电机的不同的布置会有不同的工作模式，在不同工作模式下，根据整车需求功率，发动机或电机会单独驱动，或进行联合驱动，或电机进行制动，不同的工作模式下，发动机燃油消耗和电池等效燃油消耗率变化过程并不相同，此外还要考虑发动机的启停状态和电池的充放电切换，发动机不能频繁的进行启停，这样会使整车的燃油经济性受到很大影响，另外要考虑电池的充放电寿命，对SOC值进行相应的限制，要在考虑以上所有的基础上进行对双行星排式混合动力汽车进行高效实时的能量管理。
目前关于双行星排式混合动力汽车能量管理控制优化算法主要有基于规则的控制算法、瞬优化算法、全局优化算法。基于规则的控制策略，它是一种通过设定门限值，限制发动机工作区间的，将发动机和电池的工作区间限制在高效率区间的控制策略。将电机作为动力系统中的灵活因素，根据汽车工况对发动机输出功率进行“削峰填谷”，从而优化发动机的运行；逻辑门限控制策略算法简单，容易实现，且具有很好的鲁棒性，但是这种控制策略的门限值事先已经设定好并且是固定值，因此它对工况及参数漂移的适应能力较差，并且其仅仅限制发动机工作在较高效率区，由电动机来提供余下的功率，没有考虑到电机的效率。瞬时优化算法，瞬态优化控制策略通过实时计算发动机和电动机在不同功率分配组合和不同工作点处的瞬时燃油消耗和排放，来确定最佳的混合动力系统工作模式和工作点；通常的瞬时优化策略采用名义油耗作为控制目标.但计算量大，运行成本高，如何简化其计算量是相应的关键点；全局优化算法，全局最优控制策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合驱动动力分配控制策略，运用相关的优化方法计算求得最优的混合动力分配控制策略，但是该算法比较复杂，计算量庞大，并且需要提前知道汽车行驶路况。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，来实现双行星排式混合动力汽车的能量高效管理。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:对双行星排式混合动力汽车的工作过程进行分析，确定双行星排式结构特征参数，选取双行星排式混合动力汽车的工作模式；
步骤2:基于工作模式建立相应的动力学方程；
步骤3:以双行星排式混合动力汽车燃油经济性为主，参考整车的能量利用率，引入多目标评价函数；
步骤4:基于规则的逻辑控制方法在软件中搭建双行星排式混合动力汽车能量管理模型,软件选取MATLAB软件；
步骤5:对双行星排式混合动力汽车能量管理模型，采用瞬时优化算法及电机制动反馈,通过求解评价函数得出发动机和电机的最佳工作点，并进行仿真验证。
所述步骤1中的工作模式分为：纯电动驱动、发动机单独驱动、发动机与电机联合驱动、再生制动、停车充电。
所述步骤2中的动力学方程如下：
①.纯电动驱动：
电池等效燃油消耗率：式中，为电池的等效燃油消耗率，ηdis为动力电池放电效率，pb为电池功率，HL为燃油低热值，HL＝42700kJ/kg；
②.发动机单独驱动：
发动机的燃油消耗率：式中，为发动机燃油消耗率，b为燃油消耗率,we为发动机转速，Te为发动机转矩；
③.发动机与电机联合驱动：
根据公式和结合该驱动模式下发动机与电机的转矩转速来确定发动机燃油消耗率和动力电池的等效燃油消耗率；
④.再生制动：
电池的等效燃油消耗率：式中，为电池的等效燃油消耗率，ηchg为动力电池充电效率，pb为电池功率，HL为燃油低热值，HL＝42700kJ/kg；
⑤停车充电：
发动机工作，电池处于充电状态，电机处于发电状态，根据公式和计算电池的等效燃油消耗率和发动机的燃油消耗率。
所述步骤3中的目标评价函数如下：
minH(X)＝λ1h1(X)+λ2h2(X)
上式中λ1、λ2分别为h1(X)、h2(X)的权系数，Pe为发动机功率，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力，Fw为空气阻力，Ff为滚动阻力，V为车速，Pb为电池功率，HL为燃油低热值，β动态因子，Δt为采样时间,PMG1为电机MG1的功率,PMG2为电机MG2的功率。
所述步骤5求解评价函数得出发动机和电机运行的最佳工作点，包括如下步骤：
A：根据发动机的转矩、转速，结合整车动力学方程，求出相应工作模式下电机相应的转矩、转速,其动力学方程如下：
Ten+TMG1+TMG2-Treq＝0
TMG2(1+k2)-TMG1·k1-Treq＝0
k1·wout+wMG1-(1+k1)·wen＝0
k2·wen+wMG2-(1+k1)·wout＝0
wR1＝wC2
wC1＝wR2
上述中，Ten为发动机转矩，TMG1为电机MG1转矩，TMG2为电机MG2转矩，Treq为整车需求转矩，wen为发动机转速，wMG1为电机MG1转速，wMG2为电机MG2转速，wR1为第一排外齿圈转速，wR2为第二排外齿圈转速，wC1为第一排行星架转速，wC2为第二排行星架转速，wout为输出转速，k1为前排行星机构特征参数，k2为后排行星机构特征参数；
动态因子β为关于电池SOC值的函数：β＝f(soc)，根据蓄电池SOC的变化相应的自动调节β值，当电池SOC值大于设定值socτ时，增加电机的工作时间或增加输出功率，当电池SOC值小于设定值socτ时，减少电机工作时间；
B：采用瞬时优化算法对相应的工作模式进行实时优化，以发动机和电机的转速、转矩为输入参数，在发动机功率约束区间内，选取相应的试探点PLi,i∈(1,2,3...n),PRi,i∈(1,2,3...n),其中PLi为功率区间左试探点，PRi为功率区间右试探点,结合Fibonacci方法和动态因子β进行筛选确定发动机、电机主从工作关系,优化选取发动机在相应工作模式下的最佳工作点，得出发动机的转速、转矩X11＝[wen,Ten]T,其中wen为发动机转速，Ten为发动机转矩,再根据整车转矩、转速动力学方程得出电机的工作点X12＝[wm,Tm]T,其中wm为电机转速，Tm为电机转矩；
C：针对制动能量有效回收，根据汽车制动系统的实际工况，实际速度v输入参数，通过反馈目标速度vtarget,得到实际速度v及目标速度vtarget差值Δv,动态调整PID控制器参数调整比例增益因子Kp，积分因子KI，微分因子KD，其关系表达式为：
式中，e(t)为系统偏差，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，该方法针对整车能量利用率的考虑，以燃油经济性为主，引入多目标评价函数，在整车不同的工作模式下综合考虑两者，提高整车燃油经济性的同时改善整车效率。
2.本发明提供的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，该方法对整车控制策略进行仿真分析，针对仿真结果进行控制参数的调整，以取得最优的控制效果。
3.本发明提供的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，该方法是在基于规则的逻辑控制方法基础上建立的双行星排式混合动力能量管理模型，采用瞬时优化算法对发动机、电机进行优化控制，并通过制动能量反馈方式进行实时修正。使发动机和电机运行在最佳工作点，从而实现双行星排式混合动力汽车能量的高效管理，提高其燃油经济性及整车效率。
附图说明
图1为本发明一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法总流程图。
图2为本发明双行星排式混合动力汽车动力耦合结构示意图。
图3为本发明双行星排式混合动力汽车工作模式示意图。
图4为模糊PID参数推理动态调整Kp、KI、KD示意图。
其中，E为发动机，MG1为电机A，MG2为电机B，CR1为离合器A，CR2为离合器B，CB1为制动器A，CB2为制动器B，R1为前排齿圈,R2为后排齿圈，C1前排行星架,C2为后排行星架,S1为前太阳轮,S2为后排太阳轮，Δv为实际速度v及目标速度vtarget差值，Kp为比例增益因子，KI为积分因子，KD为微分因子。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，来实现双行星排式混合动力汽车的能量高效管理。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
如图1所示，一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法总流程图，包括如下步骤:
步骤1:对双行星排式混合动力汽车的工作过程进行分析，确定双行星排式结构特征参数，选取双行星排式混合动力汽车的工作模式；步骤2:基于工作模式建立相应的动力学方程；步骤3:以双行星排式混合动力汽车燃油经济性为主，参考整车的能量利用率，引入多目标评价函数；步骤4:基于规则的逻辑控制方法在软件中搭建双行星排式混合动力汽车能量管理模型,软件选取MATLAB软件；步骤5:对双行星排式混合动力汽车能量管理模型，采用瞬时优化算法及电机制动反馈,通过求解评价函数得出发动机和电机的最佳工作点，提高燃油经济性及整车效率，并进行仿真验证。
如图2所示，双行星排式混合动力汽车动力耦合结构，主要由发动机E、电机A MG1、电机B MG2和两个行星排结构组成,通过两个离合器与两个制动器的开合进行相应模式的切换。发动机E依次通过离合器A CR1和制动器A CB1连接前排行星架C1，电机A MG1通过制动器B CB2连接前太阳轮S1，电机B MG2通过离合器B CR2与后排太阳轮S2连接，对制动器ACB1进行开合操作，可以对前行星架C1进行释放与锁止，对制动器B CB2进行开合操作，可以对前太阳轮S1进行释放与锁止，前排齿圈R1与后排行星架C2及输出轴连接，前排行星架C1与后排齿圈R2连接；通过对制动器A CB1、制动器B CB2，离合器A CR1、离合器B CR2的开合控制，实现纯电动，发动机驱动，联合驱动，再生制动，停车充电等工作模式，达到功率分流效果。
如图3所示，步骤1中的工作模式分为：纯电动驱动、发动机单独驱动、发动机与电机联合驱动、再生制动、停车充电。
所述步骤2中的动力学方程如下：
①.纯电动驱动，此时制动器A CB1、离合器B CR2工作，电机A MG1空转，发动机E锁死，电机B MG2单独驱动车辆。
电池等效燃油消耗率：式中，为电池的等效燃油消耗率，ηdis为动力电池放电效率，pb为电池功率，HL为燃油低热值，HL＝42700kJ/kg；
②.发动机单独驱动，此时制动器B CB2、离合器A CR1工作，电机A MG1锁死，电机BMG2空转，发动机E单独驱动。
发动机的燃油消耗率：式中，为发动机燃油消耗率，b为燃油消耗率,we为发动机转速，Te为发动机转矩；
③.发动机与电机联合驱动，此时离合器A CR1、离合器B CR2工作，发动机E、电机AMG1、电机B MG2联合驱动。
根据公式和结合该驱动模式下发动机与电机的转矩转速来确定发动机燃油消耗率和动力电池的等效燃油消耗率；
④.再生制动，此时制动器A CB1、制动器B CR2工作，发动机E锁死，电机A MG1空转，电机B MG2工作回收能量。
电池的等效燃油消耗率：式中，为电池的等效燃油消耗率，ηchg为动力电池充电效率，pb为电池功率，HL为燃油低热值，HL＝42700kJ/kg；
⑤停车充电，此时离合器A CR1工作，电机B MG2不工作，发动机E驱动电机A MG1为蓄电池发电。
发动机工作，电池处于充电状态，电机处于发电状态，根据公式和计算电池的等效燃油消耗率和发动机的燃油消耗率。
所述步骤3中的目标评价函数如下：
minH(X)＝λ1h1(X)+λ2h2(X)
上式中λ1、λ2分别为h1(X)、h2(X)的权系数，Pe为发动机功率，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力，Fw为空气阻力，Ff为滚动阻力，V为车速，Pb为电池功率，HL为汽油低热值，β动态因子，Δt为采样时间,PMG1为电机MG1的功率,PMG2为电机MG2的功率。
所述步骤5求解评价函数得出发动机和电机运行的最佳工作点，包括如下步骤：
A：根据发动机的转矩、转速，结合整车动力学方程，求出相应工作模式下电机相应的转矩、转速,其动力学方程如下：
Ten+TMG1+TMG2-Treq＝0
TMG2(1+k2)-TMG1·k1-Treq＝0
k1·wout+wMG1-(1+k1)·wen＝0
k2·wen+wMG2-(1+k1)·wout＝0
wR1＝wC2
wC1＝wR2
上述中，Ten为发动机转矩，TMG1为电机MG1转矩，TMG2为电机MG2转矩，Treq为整车需求转矩，wen为发动机转速，wMG1为电机MG1转速，wMG2为电机MG2转速，wR1为第一排外齿圈转速，wR2为第二排外齿圈转速，wC1为第一排行星架转速，wC2为第二排行星架转速，wout为输出转速，k1为前排行星机构特征参数，k2为后排行星机构特征参数；
动态因子β为关于电池SOC值的函数：β＝f(soc)，根据蓄电池SOC的变化相应的自动调节β值，当电池SOC值大于设定值socτ时，增加电机的工作时间或增加输出功率，当电池SOC值小于设定值socτ时，减少电机工作时间；
B：采用瞬时优化算法对相应的工作模式进行实时优化，以发动机和电机的转速、转矩为输入参数，在发动机功率约束区间内，选取相应的试探点PLi,i∈(1,2,3...n),PRi,i∈(1,2,3...n),其中PLi为功率区间左试探点，PRi为功率区间右试探点,结合Fibonacci方法和动态因子β进行筛选确定发动机、电机主从工作关系,优化选取发动机在相应工作模式下的最佳工作点，得出发动机的转速、转矩X11＝[wen,Ten]T,其中wen为发动机转速，Ten为发动机转矩,再根据整车转矩、转速动力学方程得出电机的工作点X12＝[wm,Tm]T,其中wm为电机转速，Tm为电机转矩；
C：针对制动能量有效回收，如图4所示，根据汽车制动系统的实际工况，实际速度v输入参数，通过反馈目标速度vtarget,得到实际速度v及目标速度vtarget差值Δv,动态调整PID控制器参数调整比例增益因子Kp，积分因子KI，微分因子KD，从而调节转矩输出使汽车具有更好的稳定性，回收更多的能量，提高电池SOC值，并在下一采样时间对电机、发动机反馈调整其工作点，其关系表达式为：
式中，e(t)为系统偏差，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:对双行星排式混合动力汽车的工作过程进行分析，确定双行星排式结构特征参数，选取双行星排式混合动力汽车的工作模式；
步骤2:基于工作模式建立相应的动力学方程；
步骤3:以双行星排式混合动力汽车燃油经济性为主，参考整车的能量利用率，引入多目标评价函数；
步骤4:基于规则的逻辑控制方法在软件中搭建双行星排式混合动力汽车能量管理模型；
步骤5:对双行星排式混合动力汽车能量管理模型，采用瞬时优化算法及电机制动反馈,通过求解评价函数得出发动机和电机的最佳工作点，并进行仿真验证。
2.根据权利要求1所述的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述步骤1中的工作模式分为：纯电动驱动、发动机单独驱动、发动机与电机联合驱动、再生制动、停车充电。
3.根据权利要求1所述的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述步骤2中的动力学方程如下：
①.纯电动驱动：
电池等效燃油消耗率：式中，为电池的等效燃油消耗率，ηdis为动力电池放电效率，pb为电池功率，HL为燃油低热值，HL＝42700kJ/kg；
②.发动机单独驱动：
发动机的燃油消耗率：式中，为发动机燃油消耗率，b为燃油消耗率,we为发动机转速，Te为发动机转矩；
③.发动机与电机联合驱动：
根据公式和结合该驱动模式下发动机与电机的转矩转速来确定发动机燃油消耗率和动力电池的等效燃油消耗率；
④.再生制动：
电池的等效燃油消耗率：式中，为电池的等效燃油消耗率，ηchg为动力电池充电效率，pb为电池功率，HL为燃油低热值，HL＝42700kJ/kg；
⑤停车充电：
发动机工作，电池处于充电状态，电机处于发电状态，根据公式和计算电池的等效燃油消耗率和发动机的燃油消耗率。
4.根据权利要求1所述的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述步骤3中的目标评价函数如下：
minH(X)＝λ1h1(X)+λ2h2(X)
<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mi>min</mi> <mo>{</mo> <msub> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>e</mi> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <msub> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>G</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>G</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>c</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>}</mo> </mrow>
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上式中λ1、λ2分别为h1(X)、h2(X)的权系数，Pe为发动机功率，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力，Fw为空气阻力，Ff为滚动阻力，V为车速，Pb为电池功率，HL为燃油低热值，β为动态因子，Δt为采样时间,PMG1为电机MG1的功率,PMG2为电机MG2的功率。
5.根据权利要求1所述的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述步骤5求解评价函数得出发动机和电机运行的最佳工作点，包括如下步骤：
A：根据发动机的转矩、转速，结合整车动力学方程，求出相应工作模式下电机相应的转矩、转速,其动力学方程如下：
Ten+TMG1+TMG2-Treq＝0
TMG2(1+k2)-TMG1·k1-Treq＝0
k1·wout+wMG1-(1+k1)·wen＝0
k2·wen+wMG2-(1+k1)·wout＝0
wR1＝wC2
wC1＝wR2
上述中，Ten为发动机转矩，TMG1为电机MG1转矩，TMG2为电机MG2转矩，Treq为整车需求转矩，wen为发动机转速，wMG1为电机MG1转速，wMG2为电机MG2转速，wR1为第一排外齿圈转速，wR2为第二排外齿圈转速，wC1为第一排行星架转速，wC2为第二排行星架转速，wout为输出转速，k1为前排行星机构特征参数，k2为后排行星机构特征参数；
动态因子β为关于电池SOC值的函数：β＝f(soc)，根据蓄电池SOC的变化相应的自动调节β值，当电池SOC值大于设定值socτ时，增加电机的工作时间或增加输出功率，当电池SOC值小于设定值socτ时，减少电机工作时间；
B：采用瞬时优化算法对相应的工作模式进行实时优化，以发动机和电机的转速、转矩为输入参数，在发动机功率约束区间内，选取相应的试探点PLi,i∈(1,2,3...n),PRi,i∈(1,2,3...n),其中PLi为功率区间左试探点，PRi为功率区间右试探点,结合Fibonacci方法和动态因子β进行筛选确定发动机、电机主从工作关系,选取发动机在相应工作模式下的最佳工作点，得出发动机的转速、转矩X11＝[wen,Ten]T,其中wen为发动机转速，Ten为发动机转矩,再根据整车转矩、转速动力学方程得出电机的工作点X12＝[wm,Tm]T,其中wm为电机转速，Tm为电机转矩；
C：针对制动能量有效回收，根据汽车制动系统的实际工况，实际速度v输入参数，通过反馈目标速度vtarget,得到实际速度v及目标速度vtarget差值Δv，动态调整PID控制器参数调整比例增益因子Kp，积分因子KI，微分因子KD，其关系表达式为：
<mrow> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>t</mi> </msubsup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>d</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
式中，e(t)为系统偏差，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数。
6.根据权利要求1所述的一种双行星排式混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述步骤4中的软件，选取MATLAB软件。
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