CN107065550A - 基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法，其技术特点：以燃油消耗优化为目标函数，确定功率跟随阈值；当整车需求功率大于等于功率跟随阈值时，采用局部定转速功率跟随控制策略；在局部定转速功率跟随控制的基础上，采用局部切换转速功率跟随解耦控制策略。本发明通过最低燃油消耗确定功率跟随阈值，寻找在增程器发动机运行于最优工作点时引起电池充放的效率损耗与发动机运行于非最优工作点时的效率损失之间的平衡点，在公共高效区内的局部功率跟随控制策略，控制保证发动机以及发电机同时运行在高效区，减小增程器频繁开启的损耗以及电池被频繁充放，能够保持电池SOC的稳定变化，延长电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，尤其是一种基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法。
背景技术
由于燃油燃烧效率较低且车辆排放要求越来越严格，汽车行业正在积极发展环境友好型新能源汽车。电动汽车(Electric Vehicle，EV)被认为是一种绿色环保的解决方案。电力驱动使其具有零排放的优点，但对于纯电动汽车，由于电池技术的限制，一次充电的续驶里程始终不能达到理想的水平是纯电动汽车的主要缺点。为了克服纯电动汽车续航里程的问题，增程式电动汽车(Extended Range-Electric Vehicle,ER-EV)应运而生，是一种可行的低成本解决方案。
目前发动机与发电机组合是增程式电动汽车应用最为广泛的结构，其动力系统结构示意图如图1所示，图中ICE表示内燃发动机，G表示增程器发电机，M表示整车驱动电机，Peng与ωe表示发动机的输出效率及转速；ηeng发动机效率；ηgen发电机效率；ηcon增程器PWM变换器效率；ηbat1与ηbat2电池充放电效率；ηinv驱动电机变换器效率；ηmot驱动电机效率。增程器(Range Extender,RE)的输出与整车的驱动系统没有机械连接，RE的输出转速和转矩与整车的速度以及牵引性能无关，只需要满足整车驱动功率的需求。因此，RE的控制可以独立于整车动力性需求，通过控制选择发动机-发电机组的工作点，提高RE输出的效率，改善驾驶时的噪声。这种类型的ER-EV与传统的混合电动汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)相比，在燃油经济性、发动机效率以及排放等方面都具有优势，非常适合城市内频繁多次的启停需求。
根据需求功率控制增程器功率输出及分配是实现ER-EV燃油经济性关键，增程器与整车配合主要采用的是电荷耗尽-维持(Charge-Depleting and Charge-Sustaining，CD-CS)的工作模式，如图2所示。增程器在CS阶段被开启，电池荷电状态(State of Charge,SOC)被限制在设定的波动范围内。目前对CS模式下RE的控制策略主要有2种：一种是控制增程器输出恒定功率，增程器保持在额定最大功率输出，发动机运行在最优燃油消耗工作点。在这种控制方式下增程器输出功率一部分用于满足整车驱动功率需求，将多余的功率给电池充电，通过电池的缓冲作用优化发动机的燃油消耗。虽然通过电池的缓冲优化了发动机的工作点，但电池的充放电带来的损耗将降低增程器的效率，以及增程器被频繁开启和关断也带来额外能量消耗，电池被频繁充放降低电池的使用寿命。另一种是控制增程器的输出功率跟随整车需求功率不断变化。这种控制方式能够保持电池SOC稳定变化提高电池使用寿命，但发动机无法稳定在高效区域运行，尤其当整车需求功率较小时，效率比较低。
针对以上两种主要控制方式存在的问题，一种改进方案是基于规则的优化控制方法，如改进了恒功率控制，设定三个恒定工作点，其根据整车需求功率的大小，确定工作点，这种方法避免了当需求功率较小时增程器输出过多的能量给电池充电，既减少了电池充放电的损耗，也减少增程器频繁启动的损耗，但由于所设置的三个工作点中低功率点的效率较低，系统的效率仍然没有得到充分的提高。另一种改进方案是基于优化算法的功率分配策略，以最小燃油消耗为目标函数，例如，根据车辆行驶中实时的功率需求、电池组的SOC状态、以及对未来行驶工况的预测分配功率，采用动态规划(Dynamic programming，DP)的方法，应用庞特里亚金最小值原理(Pontryagin’s minimization principle，PMP)的优化算法，即维持SOC在设定的下限阈值的同时实时优化使系统燃油消耗最低。公式(1)为PMP控制策略的目标函数。
Pbat,k＝argmin[COST+α(SOCk+1-SOC)2] (1)
其中，Pbat,k为电池输出功率，α为电池等效油耗变换因子，COST表示燃油消耗。
上述基于优化算法的能量分配策略能够满足实时控制，且从节能的结果看是最佳选择，但是基于DP和PMP的优化算法计算复杂，且是基于多个驾驶周期的计算，需要工况预测以及大量的数据处理，不适合实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、增程器效率稿且排放低的基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法，包括以下步骤：
步骤1、以燃油消耗优化为目标函数，确定功率跟随阈值；
步骤2、当整车需求功率大于等于功率跟随阈值时，采用局部定转速功率跟随控制策略，解除发动机与发电机之间的耦合，使发动机及发电机同时运行在高效区；
步骤3、在局部定转速功率跟随控制的基础上，采用局部切换转速功率跟随解耦控制策略，使发动机在高效工作区内分段变转速运行，在每段区域内通过调节发电机电流实现输出跟踪目标功率控制。
所述步骤1确定功率跟随阈值方法为：增程器控制器根据整车需求功率大小判断采取恒功率输出控制或功率跟随控制，整车需求功率Preq表示为：
其中，Pthreshold功率跟随阈值，Peng(t)表示t时刻发动机的瞬时功率，λ表示驱动功率占增程器输出功率的比率；ξ表示充电功率占输出功率的比率，且λ+ξ＝1；
上式中的定义效率等效因子表示如下：
其中，ηeng发动机效率；ηgen发电机效率；ηcon增程器PWM变换器效率；ηbat1与ηbat2电池充放电效率；ηinv驱动电机变换器效率；ηmot驱动电机效率。
所述步骤2局部定转速功率跟随控制策略的实现方法为：当需求功率大于阈值功率时，发动机固定转速no，采用比例谐振控制器调节发电机的输出电流实现发电机在限定功率区间内的快速功率输出调节
所述步骤3局部切换转速功率跟随解耦控制策略的实现方法为：在效率跟随区域[Pthreshold，Pmax]内，划分为多个子区域，每一个功率调节子区间对应一个固定转速，采用多比例谐振控制器达到多点功率跟随控制。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过最低燃油消耗确定功率跟随阈值，寻找在增程器发动机运行于最优工作点时引起电池充放的效率损耗与发动机运行于非最优工作点时的效率损失之间的平衡点。当需求功率大于等于阈值点时，采用两种局部功率跟随控制策略，围绕最佳燃油消耗曲线设计了一点及多点控制策略，并针对不同路况讨论提出的控制策略对比恒功率控制以及功率跟随控制的燃油经济性。本发明采用发动机与发电机在公共高效区内的局部功率跟随控制策略，控制保证发动机以及发电机同时运行在高效区，减小增程器频繁开启的损耗以及电池被频繁充放，能够保持电池SOC的稳定变化，延长电池的使用寿命。
附图说明
图1为增程式电动汽车结构框图；
图2为ER-EV CD-CS控制状态图；
图3为发动机效率图；
图4为NEDC工况下局部功率跟随控制图；
图5为发动机在不同转速下的燃油消耗曲线图；
图6为发动机最低燃油消耗曲线及功率跟随工作区间示意图；
图7为定转速局部跟随控制状态图；
图8为发电机电流内环控制结构框图；
图9为发动机最低燃油消耗曲线及多段功率跟随工作区间示意图；
图10为切换转速局部跟随控制状态图；
图11为采用MFPR发电机电流内环控制结构框图；
图12(a)为改进的NEDC仿真工况速度特性图；
图12(b)为改进的FTP72仿真工况速度特性图；
图13(a)为局部功率跟随控制下的NEDC工况下的仿真结果图；
图13(b)为全局功率跟随控制下的NEDC工况下的仿真结果图；
图13(c)为恒定功率输出控制下的NEDC工况下的仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
本实施例以城市紧凑型应用的增程式电动汽车为例进行说明。该增程式电动汽车依据GB/T28382电动车的技术要求，整车的设计参数见表1
表1增程式电动汽车整车参数
一种基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法包括以下步骤：
步骤1、以燃油消耗优化为目标函数，确定功率跟随阈值。
在这里，首先需要确定系统的高效率工作区，实现发动机与发电机在高效区的匹配。永磁同步发电机的高效工作区宽广，一般永磁同步发电机70％的工作区域内效率达90％以上。相对于永磁同步发电机，发动机的高效工作区狭窄，因此发动机的工作区域决定增程器整体效率的高低。图3为选用发动机的特性曲线图。当发动机转速在2000rpm到4000rpm之间，转矩在25N·m到45N·m范围内为低燃油消耗区域，即增程器的目标功率跟随区域。
如图4所示，Pthreshold是控制器是否采用功率跟随控制的阈值。当整车需求功率Preq<Pthreshold时采用恒功率控制，增程器输出功率一部分用于满足整车需求功率，多余部分给电池充电。当Pthreshold<Preq<Pmax时采用功率跟随控制，增程器输出功率将跟随需求功率变化。
功率阈值的合理设计可以减少系统燃油消耗，提高整车效率。功率阈值通过等效估算获得，目标函数是燃油消耗最小。发动机瞬时燃油消耗率可以表示为功率与转速的函数，其函数关系如下：
me(t)＝f[Peng(t),ωe(t)] (2)
其中，me(t)表示t时刻的燃油消耗量；Peng(t)表示t时刻发动机的瞬时功率；ωe(t)表示t时刻发动机瞬时转速。图5表示当转速一定时，燃油消耗me(t)与发动机瞬时功率Peng(t)之间的关系曲线。转速范围2000rpm<ωe<4000rpm，转速满足发动机的高效率工作区域限制。
如图5所示，考虑燃油消耗以及系统所需最大功率，选择发动机的转速为3000rmp，通过控制调整发电机转矩实现增程器输出跟随整车需求功率控制。整车的需求功率可以表示为：
Preq(t)＝υ(t)·Fd(t) (3)
整车的驱动力Fd(t)可以表示为：
Fd(t)＝Ff(t)+Fw(t)+Fi(t)+Fj(t) (4)
其中，υ(t)表示车速；Ff(t)表示滚动阻力；Fw(t)表示空气阻力；Fi(t)表示爬坡阻力；Fj(t)表示加速阻力。根据目标车速以及路面坡度，整车驱动力可以表示如下：
其中，MV表示整车质量；g表示重力加速度；fr表示滚动阻力系数；α表示路面倾斜角度；ρα表示空气密(1.2kg/m3)；CD表示空气阻力系数；Af表示汽车正面迎风面积；δ表示矫正因数(考虑到旋转部件的影响，如车轮，轴承，飞轮等)。依据公式(3)-(5)可以计算整车的需求功率。增程器控制器根据整车需求功率大小判断采取恒功率输出控制或功率跟随控制。根据图1中的能量流，需求功率可以表示为：
其中，λ表示驱动功率占增程器输出功率的比率；ξ表示充电功率占输出功率的比率，且λ+ξ＝1。定义效率等效因子表示如下：
公式(7)中各个效率的定义参考图1。电池的充放电效率可以通过以下公式计算：
其中k＝1时，ηbat＝ηbat1表示电池的充电效率；当k＝-1时，ηbat＝ηbat2表示电池的放电效率。增程器工作的过程中电池SOC的设置范围[0.22,0.3]，此运行区域内电池的内阻和开路电压变化不大，计算区间内效率的均值作为增程模式下电池充放电效率。用瞬时燃油消耗me(t)评估发动机整个工作状态的燃油经济性显然是不适合。当输出功率的大小等于阈值功率值。输出功率多余部分给电池充电且最终将通过电池给驱动电机提供能量。考虑到电池充放电能量损耗，等效的燃油消耗可以表示为：
其中，表示在一个工况循环下测试的等效的用于驱动功率与增程器输出功率比率。测试一个NEDC循环，功率跟随控制的阈值功率Pthreshold的取值范围[4，13]。的值随设定的阈值功率而变化，经过一个NEDC工况循环测试后取值在[0.9，0.6]之间。通过公式(9)估算平均燃油消耗，当Pthreshold取值为8kW时燃油消耗最小。因此当功率跟随区域在[8kW,Pmax]时，可以实现最小燃油消耗。
为了验证Pthreshold针对不同工况具有通用性，对增程模式时发动机的功率分配进行解析分析。
电池可以看作增程系统的缓冲器，通过调整电池的功率输出调节发动机的工作区域，使发动机运行在高效工作区。假设整车在Δt1时间内的需求功率为Preq，如果增程器的输出功率满足需求功率，则在Δt1时间内发动机工作点M有：
Peng_M＝Preq/a0a2 (13)
此工作点M没有在高效率区域内。如果调整发动机的输出，使其运行在高效工作区内的一点N，则发动机在Δt2时间的输出功率为Peng_N，将多余的功率给电池充电，电池中的这部分电量最终会被消耗用于整车的驱动。通过电池的缓冲作用优化发动机的燃油消耗可以理解为发动机M点的能量损耗小于N点的能量损耗，根据能量守恒可得：
以上说明的前提是Preq<Pthreshold，只有当Preq<Pthreshold时才会通过电池缓冲优化发动机的工作点。因此由公式(11)、(14)与(15)可得：
经整理后得：
其中ηeng_threshold表示发动机阈值功率输出时的效率，发动机的效率可以表示为输出功率及转速的函数ηeng＝f(Peng|ωe)。则公式(17)可以简化为：
求取当变量Preq(t)∈[0,Pthreshold]时，满足公式(18)的Pthreshold值，进而验证阈值功率的选择计算。
在确定功率跟随阈值后，当需求功率大于等于阈值点时，采用局部功率跟随控制策略。控制保证发动机以及发电机同时运行在高效区，减小增程器频繁开启的损耗以及电池被频繁充放，能够保持电池SOC的稳定变化，延长电池的使用寿命。由于增程器中的发动机和发电机存在机械耦合，发动机的转速和发电机转矩共同决定增程器输出功率的大小，因此发动机转速与发电机转矩之间的解耦是获得一个稳定的功率跟随控制的关键。本发明以增程器效率优化为目的，基于解耦的思想，采用比例谐振(Proportional Resonant,PR)控制器设计了适合城市增程式电动汽车运行的局部功率跟随控制策略。解除发动机与发电机之间的耦合，发动机选择高效工作区内分段恒转速运行，发电机通过调节电流实现输出跟踪目标功率控制。
步骤2、当需求功率大于等于阈值点时采用局部定转速功率跟随控制，解除了发动机与发电机之间的耦合，保证发动机以及发电机同时运行在高效区，减小增程器频繁开启的损耗以及电池被频繁充放，保持电池SOC的稳定变化。
由选用的发动机的效率图可以获得一条最小燃油消耗曲线，如图6中红色曲线，曲线上的每一个点代表相应功率下转矩和转速的优化匹配。发动机的工作区域是围绕最佳燃油消耗曲线的区域。在功率跟随区域，发动机转转速控制在no。由于发电机与发动机同轴连接因此发电机转速是恒定的，发电机输出功率的调节是通过调节发电机转矩实现的，转矩的调节范围在[TO1,TO2]。发动机的转速控制与发电机的转矩控制之间没有耦合关系，从而实现了发动机与发电机的解耦控制。
控制流程如图7所示，当电池SOC达到设定临界值下限时发出增程器启动命令。当需求功率小于阈值功率时，增程器恒定输出Pthreshold；当需求功率大于阈值功率时，发动机固定转速no，采用比例谐振控制器调节发电机的输出电流实现发电机在限定功率区间内的快速功率输出调节，以下简称1P-PR。
图8为系统采用PR控制器发电机输出电流控制的电流环模型框图，iα *和iα分别表示发电机输出电流在αβ坐标下的给定值与实际值；GPR(S)为设计的PR控制器的传递函数；GP(S)为信号采样以及PWM开关延时的传递函数；GLR(S)表示被控对象的传递函数。实现对增程式发电系统输出电流/功率的直接调节，具有良好的动态响应和强鲁棒性的调制。
步骤3、在局部定转速功率跟随控制的基础上进一步优化燃油消耗量，采用局部切换转速功率跟随解耦控制策略，使发动机的工作点更贴合高效区内的最低燃油消耗曲线，发动机在高效工作区内分段变转速运行，在每段区域内通过调节发电机电流实现输出跟踪目标功率控制。
如图9所示，发动机的工作点越接近最低燃油消耗曲线，系统效率越高。因此，为了进一步优化功率跟随区的燃油消耗，在效率跟随区域[Pthreshold，Pmax]内，划分为多个子区域。由于本发明设计的增程器是用于城市应用的ER-EV,额定功率较小，因此在功率跟随区域仅划分三个子区域(区域A,区域B以及区域C)，以减少转速切换引起的波动及提高输出功率的快速响应。每一个功率调节子区间对应一个固定转速，转速点的选择需要结合图5的燃油消耗曲线。采用多比例谐振控制器(Multi-Frequency Proportional Resonant,MFPR)达到多点功率跟随控制，以下简称nP-PR。如图9当需求功率Preq*范围是[PA1,PA2]时，发动机转速设定为nA。在对应的子区域内调节发电机转矩,转矩调节范围为[TA1,TA2],实现增程器输出功率跟随需求功率控制。
控制流程如图10所示，当电池SOC达到设定的临界值下限时发出增程器启动命令。增程器根据控制器发送的需求功率判断是否进入功率跟随区域，当需求功率大于阈值功率时，发动机将根据需求功率在三个速度等级上切换，同时MFPR控制器实现发电机在三个功率区间的快速功率输出控制。
图11为电流环控制模型框图,由于发动机将在三个转速点上切换，因此发电机的输出频率也将根据转速的变化稳定工作在三个频率点ω1、ω2与ω3。其中模块1为MFPR控制结构，模块2为三相VSC所构成的发电机控制的数学模型。
为了验证本发明的性能及燃油经济性，搭建ER-EV在规定的行驶工况下进行仿真测试。由于城市内工况存在较长的怠速时间、频繁多次的停车以及较低的平均车速，因此为了获得与实际相近的仿真结果，ER-EV模型选择在欧洲经济委员会ECE(EconomicCommission for Europe)为代表的模态工况NEDC(New European Drive Cycle)以及美国联邦认证程序FTP(Federal Test Program)为代表的瞬态工况FTP72下进行仿真测试。如图12(a)和图12(b)所示，12(a)为改进的NEDC工况。考虑到ER-EV城市应用的路况特性，因此最高时速限制在80km/h以内，12(b)为FTP72工况。
对比本发明设计的局部功率跟随效率优化控制策略与恒功率控制以及功率跟随控制在燃油消耗方面的性能。仿真设置SOC的初始值为22％，同时作为增程器开启的下限阈值SOCth_REon，增程器关闭的上限阈值SOCth_REoff设置为30％。图13(a)、图13(b)、图13(c)分别表示不同控制策略在NEDC工况下增程器的输出功率以及SOC状态。图13(a)为采用本发明设计的局部功率跟随控制策略的仿真结果。当需求功率小于阈值功率时，增程器输出功率恒定，当需求功率继续增加且大于阈值功率时，增程器输出功率将跟随需求功率变化。采用1P-PR功率跟随控制以及改进nP-PR功率跟随控制的输出功率和SOC变化没有差别，差别仅体现在燃油消耗。经过一个工况循环的测试后，对比不同控制方法下燃油消耗量以及SOC的状态及变化。
表2为不同控制方法在完成一个行驶工况循环后SOC的最终值，使用不同的控制方法电池SOC的波动以及最终值不同。
表2行程结束SOC对比
为了精确的对比不同控制策略下的燃油消耗，当行驶里程结束后SOC大于0.22的部分都将被换算为燃油消耗量。折算后重新对比燃油消耗量。
其中，Mb_equ表示电池剩余电量等效的燃油消耗，可以采用公式(20)进行换算：
其中，ΔSOC表示SOC的变化量，E0表示电池总能量，QLHV表示燃料燃烧的低热值，重新计算后的燃油消耗对比如下：
表3燃油消耗对比
综上所述：
(1)本发明设计了适合城市应用的增程式电动汽车的局部功率跟随控制策略。以整车的燃油消耗优化为目标函数，讨论了功率跟随阈值点的选择。
(2)当需求功率大于等于阈值点时采用局部定转速功率跟随控制，解除了发动机与发电机之间的耦合，保证发动机以及发电机同时运行在高效区，减小增程器频繁开启的损耗以及电池被频繁充放，保持电池SOC的稳定变化。
(3)在局部定转速功率跟随控制的基础上进一步优化燃油消耗量，提出局部分段功率跟随控制策略，使发动机的工作点更贴合高效区内的最低燃油消耗曲线，发动机在高效工作区内分段变转速运行，在每段区域内通过调节发电机电流实现输出跟踪目标功率控制。
(4)通过仿真对比模态工况与瞬态工况下不同控制策略的燃油消耗，局部分段功率跟随控制与目前广泛应用的恒功率控制相比减少7.1％,与改进前的1P-PR功率跟随控制相比减少2.3％，与理想的PMP优化控制相比燃油消耗仅高出2.6％，同时稳定了电池SOC的变化率，提高电池的寿命。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、以燃油消耗优化为目标函数，确定功率跟随阈值；
步骤2、当整车需求功率大于等于功率跟随阈值时，采用局部定转速功率跟随控制策略，解除发动机与发电机之间的耦合，使发动机及发电机同时运行在高效区；
步骤3、在局部定转速功率跟随控制的基础上，采用局部切换转速功率跟随解耦控制策略，使发动机在高效工作区内分段变转速运行，在每段区域内通过调节发电机电流实现输出跟踪目标功率控制。
2.根据权利要求1所述的基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤1确定功率跟随阈值方法为：增程器控制器根据整车需求功率大小判断采取恒功率输出控制或功率跟随控制，整车需求功率Preq表示为：
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其中，Pthreshold功率跟随阈值，Peng(t)表示t时刻发动机的瞬时功率，λ表示驱动功率占增程器输出功率的比率；ξ表示充电功率占输出功率的比率，且λ+ξ＝1；
上式中的定义效率等效因子表示如下：
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其中，ηeng发动机效率；ηgen发电机效率；ηcon增程器PWM变换器效率；ηbat1与ηbat2电池充放电效率；ηinv驱动电机变换器效率；ηmot驱动电机效率。
3.根据权利要求1所述的基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤2局部定转速功率跟随控制策略的实现方法为：当需求功率大于阈值功率时，发动机固定转速no，采用比例谐振控制器调节发电机的输出电流实现发电机在限定功率区间内的快速功率输出调节。
4.根据权利要求1所述的基于阈值功率计算的增程式电动汽车效率优化控制方法，其特征在于：所述步骤3局部切换转速功率跟随解耦控制策略的实现方法为：在效率跟随区域[Pthreshold，Pmax]内，划分为多个子区域，每一个功率调节子区间对应一个固定转速，采用多比例谐振控制器达到多点功率跟随控制。
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