CN107351840A - 一种基于v2i的汽车节能路径及经济车速动态规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，包括以下步骤：1)设置行程的起点与终点，并对每条路径进行分段，获取每条路径各个分段的实时工况信息；2)以每个路径各个分段的累积等效油耗最小为优化目标，以每条路径各个分段的限速、交通流速和动力电池工作电量的限值作为约束条件建立基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化策略；3)获取各条路径对应的最小累积等效油耗、经济车速以及行驶时间。与现有技术相比，本发明具有根据实时的路网和工况信息，结合插电式混合动力汽车的能耗特性，优化决策节能路径和经济车速，丰富导航功能，发挥插电式混合动力汽车构型优势，实现能耗最优的优点。
Description
技术领域
本发明涉及插电式混合动力汽车实时能量优化管理领域，尤其是涉及一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法。
背景技术
插电式混合动力汽车已成为应对日益严格的汽车能耗和排放法规要求的新能源汽车解决方案。插电式混合动力汽车的能量管理策略，对于发挥插电式混合动力汽车构型优势，提升其能量经济性具有重要的作用。
行驶工况对于插电式混合动力汽车的能耗有着重要的影响。目前，已经产业化应用的基于规则的插电式混合动力汽车能量管理策略无法体现工况对其的影响，因而控制效果不佳。基于等效燃油消耗最小的能量管理策略使得各个时刻的等效燃油消耗最优，但并不能保证整个行驶工况全局能耗最优。而基于动态规划算法的能量管理策略可实现插电式混合动力汽车固定工况下的全局能耗最优，但没有考虑路网及实时工况信息对其能耗的影响。而仍处于研究阶段的工况自适应能量管理策略也未从路网及实时工况信息的角度出发规划插电式混合动力汽车的节能路径。
不同的行驶路径具体不同的工况特征，因而行驶路径对插电式混合动力汽车的能耗也具有重要的影响。但目前的插电式混合动力汽车能量管理策略都没有从路网及实时工况信息的角度出发规划插电式混合动力汽车的节能路径，进而制定与实时工况相适应的控制策略。
随着智能交通，尤其是电子地图、导航技术的不断发展，为插电式混合动力汽车提供实时的路网和工况信息提供了可能，也为插电式混合动力汽车节能路径与经济车速的动态规划，以及制定与实时工况相适应的最优管理策略提供了新的思路。
中国专利CN 105759753 A中公开了本发明公开了一种基于V2X的混合动力汽车的分层能量管理优化控制方法，基于车联网，进行车与车通信以及车与交通设施通信；通过交通信号灯正时和上层控制器集成的模型预测算法，获取给定时间窗口的最优目标车速序列，并将最优目标车速序列通过无线传输形式反馈给每辆车的驾驶员，驾驶员根据最优目标车速序列进行加速或者制动。但是该专利所述方案只是基于交通信号灯信号来规划插电式混合动力汽车的经济车速并使车辆跟踪经济车速，获得较好的能量经济性，并没有从路网及完善的实时工况信息(限速、交通流速、坡度等)的角度出发进行节能路径和经济车速的规划。
中国专利CN 104309605 A中公开了本发明公开了一种基于GPS地理信息的混合动力汽车节能控制方法，在混合动力汽车的行驶过程中，借助车载导航系统实时获取当前的地理信息，识别车辆前面的路况，获知未来一段道路上的汽车运行状态信息，再结合当前动力电池的信息，若动力电池的soc值大于前方下坡路段所能回收的最大制动能量E、对应的下限值soc1，则无论当前路况是上坡还是平路，均控制动力电池进行放电，为制动能量的回收提供合理的空间，避免因动力电池储存空间不足导致的制动能量回收不足，进一步提高汽车再生制动能量回收效率，提升整车的节油性能。但是该专利所述方案只涉及工况的坡度信息，基于未来的工况信息制定相适应的充放电规则，考虑的工况信息单一，并且基于规则的控制优化效果有限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，包括以下步骤：
1)设置行程的起点与终点，并且根据电子地图获得所有从起点到终点的路径，并对每条路径进行分段，获取每条路径各个分段的实时工况信息；
2)以每个路径各个分段的累积等效油耗最小为优化目标，以每条路径各个分段的限速、交通流速和动力电池工作电量的限值作为约束条件建立基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化策略；
3)采用动态规划算法对插电式混合动力汽车能耗优化策略进行求解，获取各条路径对应的最小累积等效油耗、经济车速以及行驶时间。
所述的步骤2)中，基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化策略的优化目标为：
J＝minΣBePe+sPbatt/Hfuel
其中，Be为燃油消耗率，Pe为发动机功率，s为油电转换系数，Pbatt为电池电功率，Hfuel为汽油的低热值。
所述的步骤2)中，获取等效燃油消耗具体包括以下步骤：
21)根据纵向动力学模型，计算插电式混合动力汽车的需求转矩Tt；
22)根据插电式混合动力汽车动力系统结构，将需求转矩在发动机与电机间进行分配，得到发动机与电机的转矩与转速；
23)根据发动机与电机的转矩与转速发动机查表获取发动机的燃油消耗率以及发动机和电池的效率，进而获取燃油与电量消耗，通过油电转换，得到插电式混合动力汽车的等效燃油消耗。
所述的步骤21)中，纵向动力学模型为：
其中，m为整车质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为坡度角，A为汽车迎风面积，CD为空气阻力系数，u为车速，δ为汽车旋转质量换算系数，为加速度，r为车轮滚动半径。
所述的步骤3)中，根据车辆横向稳定性、转向半径和路面附着系数，对经济车速进行修正，则有：
设车辆匀速转向，转向半径即为道路的曲率半径，根据横向稳定性，计算车辆转向时的最大车速vmax为：
其中，ρ为转向半径，g为重力加速度，μ为路面附着系数，若车辆转向时的经济车速veco≤vmax，则车辆以经济车速veco转向，若veco＞vmax，则将经济车速修正为vmax。
所述的步骤1)中，每条路径各个分段的实时工况信息包括道路的坡度、曲率半径、交通流速、限速和交叉路口。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明融合云端服务器，利用车联网技术获取实时的路网及工况信息，采用全局最优的动态规划优化算法规划插电式混合动力汽车的节能路径和经济车速，从路径和车速规划的角度降低插电式混合动力汽车的能耗，充分发挥插电式混合动力汽车构型优势，达到能耗最低的目的；
二、从插电式混合动力汽车能量经济性的角度规划节能路径与经济车速丰富了导航功能。
附图说明
图1为基于V2I的插电式混合动力汽车节能路径和经济车速动态规划方法的示意图。
图2为单轴并联插电式混合动力汽车能耗预测模型示意图。
图3为基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应理解，本具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示：该基于V2I的插电式混合动力汽车节能路径和经济车速动态规划系统包括：路网及工况信息的融合模块、插电式混合动力汽车能耗预测模块、基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化模块以及与驾驶员交互的导航模块。规划方法具体包含以下步骤：
(1)驾驶员通过导航模块设置行程的起点与终点，导航模块通过V2I通讯传输给云端服务器，与电子地图进行交互，规划出从起点到终点所有的路径，并得到各路径的实时工况信息，包括道路的坡度、曲率半径、交通流速、限速、交叉路口等工况信息。设插电式混合动力汽车从起点到终点具有两条路径记S1和S2可供选择。S1和S2沿途的工况信息如表1和2所示。
表1 路径1工况信息
表2 路径2工况信息
(2)针对具体的插电式混合动力汽车车型建立相应的能耗预测模型。首先在云端服务器中建立各个构型的插电式混合动力汽车的动力系统架构，具体包括：发动机模型、电机模型、动力蓄电池模型、离合器模型、变速器模型和整车纵向动力学模型。本发明只关注插电式混合动力汽车的稳态能耗特性，因而基于试验数据获取发动机、电机、动力蓄电池、离合器与自动变速器的特性数据，在能耗预测模型中采用查表的方法。针对各个插电式混合动力汽车车型，选择相应构型的动力系统架构，导入各自的整车及动力部件参数，即可建立具体的插电式混合动力汽车能耗预测模型。针对一定的目标工况(包含车速和坡度)，根据整车纵向动力学模型可计算得到插电式混合动力汽车需求的驱动力，进而可得到需求转矩，通过基于动态规划的全局最优能量管理策略，将需求转矩在发动机与电机间进行分配。该全局最优能量管理策略以累积等效油耗最小为优化目标：
J＝min∑BePe+sPbatt/Hfuel (2)
其中，Be为燃油消耗率，Pe为发动机功率，s为油电转换系数，Pbatt为电池电功率，Hfuel为汽油的低热值。
根据发动机与电机的转矩与转速发动机查表获取发动机的燃油消耗率和电机、电池的效率，进而计算得到燃油与电量消耗，通过油电转换，进而得到插电式混合动力汽车的等效燃油消耗。以单轴并联插电式混合动力汽车为例，其能耗预测模型如图2所示。
(3)参见图3所示，建立基于动态规划全局最优的插电式混合动力汽车能耗优化策略。该全局最优能量管理策略以累积等效油耗最小为优化目标，如公式(2)所示。以各路径的限速、交通流速和动力电池工作电量的上下限作为约束条件，结合插电式混合动力汽车能耗预测模型，采用动态规划的算法，得到各路径最小的累积油耗、经济车速以及行驶时间。以步骤(1)所示的路径S1和S2的工况信息和步骤2所示的单轴并联插电式混合动力汽车能耗预测模型为例，采用图3所示的基于动态规划方法的全局最优能耗优化策略，对S1和S2的经济车速进行规划，如表3和4所示，对应的S1的行驶时间为13.3分钟，对应S2的行驶时间为14.2分钟。并且得到S1的累积等效油耗为0.65L，S2的累积等效油耗为0.68L。
表3 路径1经济车速规划
表4 路径2经济车速规划
(4)修正转向过程对插电式混合动力汽车经济车速的影响。研究具体的转弯半径和路面附着系数条件下，对应各个经济车速的车辆横向稳定性，根据横向稳定性对经济车速进行修正，根据车辆横向稳定性、转向半径和路面附着系数，对经济车速进行修正。，设车辆匀速转向，转向半径即为道路的曲率半径，根据横向稳定性，可得车辆转向时最大的车速为：
其中，μ为路面附着系数，g为重力加速度，ρ为转向半径，若车辆转向时的经济车速veco≤vmax，则车辆以经济车速veco转向，若veco＞vmax，则将经济车速修正为vmax。
(5)由云端服务器计算得到的各路径的累积能耗、经济车速和行驶时间，通过电子地图、导航模块，与驾驶员进行交互，驾驶员在满足时间窗口的前提下选择节能路径和经济车速进行导航。
Claims (6)
1.一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设置行程的起点与终点，并且根据电子地图获得所有从起点到终点的路径，并对每条路径进行分段，获取每条路径各个分段的实时工况信息；
2)以每个路径各个分段的累积等效油耗最小为优化目标，以每条路径各个分段的限速、交通流速和动力电池工作电量的限值作为约束条件建立基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化策略；
3)采用动态规划算法对插电式混合动力汽车能耗优化策略进行求解，获取各条路径对应的最小累积等效油耗、经济车速以及行驶时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，其特征在于，所述的步骤2)中，基于动态规划的插电式混合动力汽车能耗优化策略的优化目标为：
J＝minΣBePe+sPbatt/Hfuel
其中，Be为燃油消耗率，Pe为发动机功率，s为油电转换系数，Pbatt为电池电功率，Hfuel为汽油的低热值。
3.根据权利要求1所述的一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，其特征在于，所述的步骤2)中，获取等效燃油消耗具体包括以下步骤：
21)根据纵向动力学模型，计算插电式混合动力汽车的需求转矩Tt；
22)根据插电式混合动力汽车动力系统结构，将需求转矩在发动机与电机间进行分配，得到发动机与电机的转矩与转速；
23)根据发动机与电机的转矩与转速发动机查表获取发动机的燃油消耗率以及发动机和电池的效率，进而获取燃油与电量消耗，通过油电转换，得到插电式混合动力汽车的等效燃油消耗。
4.根据权利要求3所述的一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，其特征在于，所述的步骤21)中，纵向动力学模型为：
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mi>g</mi>
<mi>f</mi>
<mi> </mi>
<mi>cos</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<mi>A</mi>
</mrow>
<mn>21.15</mn>
</mfrac>
<msup>
<mi>u</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<mi>m</mi>
<mi>g</mi>
<mi> </mi>
<mi>sin</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mi>&delta;</mi>
<mi>m</mi>
<mover>
<mi>u</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>*</mo>
<mi>r</mi>
</mrow>
其中，m为整车质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为坡度角，A为汽车迎风面积，CD为空气阻力系数，u为车速，δ为汽车旋转质量换算系数，为加速度，r为车轮滚动半径。
5.根据权利要求1所述的一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，其特征在于，所述的步骤3)中，根据车辆横向稳定性、转向半径和路面附着系数，对经济车速进行修正，则有：
设车辆匀速转向，转向半径即为道路的曲率半径，根据横向稳定性，计算车辆转向时的最大车速vmax为：
<mrow>
<msub>
<mi>v</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mi>&mu;</mi>
<mi>g</mi>
<mi>&rho;</mi>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其中，ρ为转向半径，g为重力加速度，μ为路面附着系数，若车辆转向时的经济车速veco≤vmax，则车辆以经济车速veco转向，若veco＞vmax，则将经济车速修正为vmax。
6.根据权利要求1所述的一种基于V2I的汽车节能路径及经济车速动态规划方法，其特征在于，所述的步骤1)中，每条路径各个分段的实时工况信息包括道路的坡度、曲率半径、交通流速、限速和交叉路口。
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