CN109747625B - 一种混合动力车辆复合式能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力车辆复合式能量管理方法，该方法包括：通过油门踏板、制动踏板开度和驱动电机实际转速等信号以及校核的储能系统最大充放电功率，获取高压总线需求功率以及驱动电机及制动系统制动转矩需求；基于校核的储能系统最大充放电功率和总线功率对储能系统SOC进行修正；开发基于SOC上下限的基本开关策略、大功率需求时开起触发和大制动关闭触发的发动机开关控制策略；使用改进的等效燃油消耗最小策略，并通过自学习方法对重要参数进行优化，实现最佳功率分配；最终通过发动机开关策略和能量管理策略相结合。与现有技术相比，本发明使发动机和驱动电机的控制更加精确高效，提高单储能系统下的节油潜力和锂电池组循环寿命。

Description

一种混合动力车辆复合式能量管理方法

技术领域

本发明涉及一种混合动力车辆能量管理方法，尤其是涉及一种混合动力车辆复合式能量管理方法。

背景技术

现阶段，纯电动汽车存在成本高、电池寿命衰减快、续驶里程短等劣势，尚未实现大范围推广。而配备高效柴油机发电机组的串联式电动汽车成本较低，且具有较高的节油潜力，是一种向纯电动系统过渡的理想动力系统结构形式。串联式混合动力汽车分为纯电动续驶里程段、储能装置能量调整阶段和电能量平衡运行阶段三个阶段，其中电能量平衡运行阶段占比较高，对串联式电动汽车燃油经济性、循环充放电特性影响较明显。

当前的串联式电动汽车，在电量维持阶段多采用单点开关式能量管理策略，发动机开关控制策略只与SOC状态相关，在动力电池组SOC低于某一设定值SOCmin时才开起，而在SOC高于某一设定值SOCmax时则关闭，发动机工作在效率较高的单个点上，存在能量从发动机到驱动电机多级传递效率有所下降，其电池组充放电也增加，导致节油率降低和电动组循环寿命衰减加快。

而限制单储能系统下节油降低的主要原因有两个：制动系统消耗和储能系统消耗较大。制动系统消耗较大的原因是制动回收能力较低，表现在储能系统最大充电功率较低和制动过程发动机发电占用回收功率两个方面，储能系统消耗较大的原因一方面是锂电池组充放电效率相对较低，另一方面是因为锂电池组在单储能系统下充放电深度也较高，同时这也将导致锂电池组充电系数较大，寿命衰减较快，而复合储能系统下只是充放电效率较高的超级电容组充放电

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混合动力车辆复合式能量管理方法，从提高其制动回收能力和限制锂电池组充放电两个方面着手，旨在提高单储能系统下的节油潜力和锂电池组循环寿命：针对制动回收潜力限制，采用大制动停机策略等来进行发动机开关判断策略优化；而为了限制锂电池组充放电功率损耗，采用自学习的改进等效燃油消耗等效燃油消耗最小策略进行优化。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种混合动力车辆复合式能量管理方法，包括以下步骤：

S01，通过油门踏板开度、制动踏板开度、驱动电机实际转速和储能系统最大充放电功率，获取高压总线需求电功率、驱动电机转矩需求和制动系统转矩需求；

S02，根据储能系统最大充放电功率和高压总线功率对储能系统SOC进行修正；

S03，使用基于SOC上下限的基本开关策略、大功率需求时开起触发和大制动时关闭触发的发动机开关控制策略对发动机进行开关控制；

S04，使用等效燃油消耗最小策略，并通过自学习方法对重要参数进行优化，实现储能系统和发动机的最佳功率分配；

S05，将发动机开关控制策略和等效燃油消耗最小策略相结合，实现发动机与电机的转速和转矩协调控制。

所述的步骤S01中，驱动工况下，进行需求转矩计算、需求电功率计算和实际转矩输出计算。在计算实际转矩输出时，需要考虑总线最大电功率限制，即判断储能系统最大放电功率和发动机输出功率之和是否小于需求电功率，若小于需求电功率，则实际输出转矩无法跟踪需求，需要计算对应电功率下最大输出转矩。

所述的步骤S01中，制动工况下，进行总制动转矩需求计算、驱动电机制动转矩和功率计算以及制动系统制动转矩分配计算。在进行制动系统制动转矩分配计算时，增加与驱动电机转速相关的修正因子，使驱动电机转速接近0时，驱动电机提供的制动力逐渐减小到0。

步骤S03过程中，在发动机开关控制策略中增加在大制动过程储能系统最大充电功率绝对值小于发动机输出功率和驱动电机最大制动回收功率之和时发动机关闭的策略；为限制保证电能量平衡运行阶段锂电池组SOC波动范围，在电能量平衡运行阶段增加预测起动功能，即只有在一段时间内的平均需求扭矩大于最小输出功率的1.2倍时，起动发动机)为防止发动机起停太过频繁，用增加了前面所述的所有修正策略后的最终的发动机开关状态对发动机基本开关策略进行反馈，而不是基本开关策略后判断的发动机状态。

所述的步骤S04中，建立当前时刻储能系统消耗的电能与发动机未来时刻补偿这些能量而消耗的燃油之间的等效关系，对每一时刻发动机实际消耗燃油与储能系统等效燃油的总和进行优化，使其最小，并保证储能系统SOC维持在目标值附近。

所述的步骤S04中，每一时刻发动机实际消耗燃油与储能系统等效燃油的总和优化方法如下：

建立目标函数

使目标函数值最小，其中，

为t时刻发动机瞬时燃油消耗，

为t时刻储能系统的瞬时等效燃油消耗，f_SOC(t)为维持SOC的惩罚函数。

储能系统未来补偿工况下，当前时刻，发动机和储能系统共同输出能量驱动车辆行驶，未来时刻，发动机将消耗燃油对储能系统进行充电以弥补当前时刻消耗的电能，当前时刻的储能系统的瞬时等效燃油消耗

其中，P_ess和η_dis分别为该时刻储能系统的瞬时放电功率和放电效率，

和

分别为未来补偿过程中发动机平均燃油消耗率和储能系统的平均充电效率。

所述的储能系统未来消耗工况下，当前时刻，发动机与电动机工作发出电能驱动车辆行驶，同时给储能系统充电，未来时刻，储能系统将消耗电能以补偿当前时刻额外消耗的燃油，当前时刻的储能系统瞬时等效燃油消耗

其中，P_ess'和η_chg分别为储能系统的瞬时充电功率和充电效率，

和

分别为未来消耗过程增程器平均燃油消耗率和储能系统的平均放电效率。

所述的维持SOC的惩罚函数f_SOC(t)计算式如下：

其中，soc(t)为当前时刻的荷电状态，soc_min和soc_max分别为电量维持阶段的SOC的下限值和上限值，soc_correct为当前惩罚函数中的修正参数。

所述的步骤S05中，使用自学习方法，对储能系统平均充放电效率和发动机的平均效率进行优化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过发动机开关控制策略和等效燃油消耗最小策略相结合，使发动机和驱动电机的控制更加精确高效，提高单储能系统下的节油潜力和锂电池组循环寿命。

(2)执行步骤S01过程中，考虑驱动电机在转速接近0时性能下降，增加了与车速相关的修正因子，使驱动电机转速接近0时，驱动电机提供的制动力逐渐减小到0，防止出现车辆倒开。

(3)执行步骤S03过程中，在电能量平衡运行阶段增加预测起动功能，限制电能量平衡运行阶段锂电池组SOC波动范围；将发动机开关主模块中的上一时刻开关状态输入定义为最终的上次开关状态输出而不是自身的开关状态输出，防止发动机起停太过频繁。

(4)执行步骤S04过程中，建立当前时刻储能系统消耗的电能与发动机未来时刻补偿这些能量而消耗的燃油之间的等效关系，对每一时刻发动机实际消耗燃油与储能系统等效燃油的总和进行优化，使其最小，能够保证储能系统SOC维持在目标值附近。

(5)增加平衡补偿函数，可保证SOC稳定。

附图说明

图1为本实施例的一种混合动力车辆复合式能量管理方法的流程图；

图2为本实施例S04步骤下等效燃油消耗最小策略的核心参数自学习流程图。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种混合动力车辆复合式能量管理方法，所述方法包括以下步骤：

S01：通过油门踏板、制动踏板开度和驱动电机实际转速等信号以及校核的储能系统最大充放电功率，获取高压总线需求功率以及驱动电机及制动系统制动转矩需求；

上述高压总线需求功率以及驱动电机及制动系统制动转矩需求的具体获得方式如下：

将油门踏板、制动踏板开度和驱动电机实际转速等信号以及动力锂电池组最大充放电功率作为输入参数，分为驱动工况和制动工况两种工况进行计算。

驱动工况总线电功率需求计算主要包括需求转矩计算、需求电功率计算和实际转矩输出计算。需求转矩计算、需求电功率计算直接根据输入参数进行计算。实际转矩输出计算需要考虑总线最大电功率限制，即判断储能系统最大放电功率和发动机输出功率之和是否小于需求电功率，若小于需求电功率，则实际输出转矩无法跟踪需求，需要计算对应电功率下最大输出转矩。

制动过程总线功率计算主要分为总制动转矩需求、驱动电机制动转矩和功率计算以及制动系统制动转矩分配。其中，总制动转矩需求直接根据输入参数进行计算。驱动电机制动转矩和功率计算对应制动踏板开度下整车需求的总制动转矩，为防止出现车辆倒开，以及考虑驱动电机在转速接近0时性能下降。增加与车速(或者驱动电机转速)相关的修正因子，使驱动电机转速接近0时，驱动电机提供的制动力逐渐减小到0。转矩分配采用并联型复合制动策略，根据需要才用电机制动系统或传统制动系统。

S02：基于校核的储能系统最大充放电功率和总线功率对储能系统SOC进行修正；

储能系统SOC修正模块通过增加SOC对总线功率需求的惩罚函数，来保证将SOC控制在目标范围内。

S03：开发基于SOC上下限的基本开关策略、大功率需求时开起触发和大制动关闭触发的发动机开关控制策略；

在基于储能系统SOC状态进行判断的恒温器式控制策略基础上，增加在大功率需求起动功能，即当储能系统最大放电功率无法满足驱动电机功率需求时，启动发动机；以及大制动过程储能系统最大充电功率绝对值小于发动机输出功率和驱动电机最大制动回收功率之和时发动机关闭的策略。在电量维持阶段增加较大功率需求时启动发动机的预测起动功能。同时，为防止发动机起停太过频繁，也将发动机开关主模块中的上次开关状态输入定义为最终的上次开关状态输出而不是自身的开关状态输出。

S04：使用改进的等效燃油消耗最小策略，并通过自学习方法对重要参数进行优化，实现最佳功率分配；

等效燃油消耗最小策略及自学习优化如下所述：

a)等效燃油消耗最小策略的目标函数如公式

式中，

为t时刻发动机瞬时燃油消耗(单位g/s)，

为t时刻储能系统的瞬时等效燃油消耗(单位g/s)，f_SOC(t)为维持SOC的惩罚函数。

b)储能系统未来补偿工况下，当前时刻，发动机和储能系统共同输出能量驱动车辆行驶，在未来的工况，发动机将消耗燃油对锂电池组进行充电以弥补当前时刻消耗的电能。则储能系统未来补偿工况的储能系统瞬时等效燃油消耗为：

设储能系统当前时刻以P_ess(kW)放电，

为储能系统充电的平均效率，

为发动机的系统平均燃油消耗率(单位为g/(kW·h))，η_dis为当前时刻放电效率。

c)储能系统未来消耗模式下，当前时刻，发动机与电动机工作发出电能驱动车辆行驶，同时给锂电池组充电，在未来的工况，储能系统将消耗电能以补偿当前时刻额外消耗的燃油。储能系统未来消耗工况的储能系统瞬时等效燃油消耗为：

为当前时刻发动机的系统等效燃油消耗率，η_chg为当前时刻储能系统充电效率，

为储能系统放电的平均效率。

d)为实现SOC稳定，因此需要增加平衡补偿函数f(SOC)

其中soc(t)为当前时刻的荷电状态，soc_min和soc_max为电量维持阶段的限值，电量维持阶段需要保证soc(t)大于soc_min，而小于soc_max。

最后选取对等效燃油消耗最小策略影响最高的储能系统的平均充电效率

储能系统平均放电效率

及发动机平均燃油消耗率

和增程器平均燃油消耗率

作为优化参数，进行自学习优化，自学习过程如图2所示。

S05：最终将发动机开关控制策略和等效燃油消耗最小策略相结合，使发动机和驱动电机的控制更加精确高效，提高单储能系统下的节油潜力和锂电池组循环寿命。

通过以上原理和实施步骤可以看到，所提出的一种混合动力车辆复合式能量管理方法，采用发动机开关控制策略与通过自学习优化的改进等效燃油消耗最小的能量管理相结合，从提高制动回收能力和限制锂电池组充放电两个方面着手，提高了单储能系统下的节油潜力和锂电池组循环寿命。所提出的方法易于在线实时实现，具有良好的工程应用前景。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种混合动力车辆复合式能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，通过油门踏板开度、制动踏板开度、驱动电机实际转速和储能系统最大充放电功率，获取高压总线需求电功率、驱动电机转矩需求和制动系统转矩需求，

S02，根据储能系统最大充放电功率和高压总线功率对储能系统SOC进行修正，

S03，使用基于SOC上下限的基本开关策略、大功率需求时开起触发和大制动时关闭触发的发动机开关控制策略对发动机进行开关控制，所述的大功率需求时开起触发具体为：当储能系统最大放电功率无法满足驱动电机功率需求时，启动发动机，所述的大制动时关闭触发具体为：大制动过程中，当储能系统最大充电功率绝对值小于发动机输出功率和驱动电机最大制动回收功率之和时，发动机关闭，

S04，使用等效燃油消耗最小策略，并通过自学习方法对重要参数进行优化，实现储能系统和发动机的最佳功率分配，所述的等效燃油消耗最小策略具体为：建立目标函数

使目标函数值最小，其中，

为t时刻发动机瞬时燃油消耗，

为t时刻储能系统的瞬时等效燃油消耗，f_SOC(t)为维持SOC的惩罚函数，所述重要参数为储能系统的平均充电效率

储能系统平均放电效率

及发动机平均燃油消耗率

和增程器平均燃油消耗率

S05，将发动机开关控制策略和等效燃油消耗最小策略相结合，实现发动机与电机的转速和转矩协调控制；

所述的步骤S04中，建立当前时刻储能系统消耗的电能与发动机未来时刻补偿这些能量而消耗的燃油之间的等效关系，对每一时刻发动机实际消耗燃油与储能系统等效燃油的总和进行优化，使其最小，并保证储能系统SOC维持在目标值附近；

所述的维持SOC的惩罚函数f_SOC(t)计算式如下：

其中，soc(t)为当前时刻的荷电状态，soc_min和soc_max分别为电量维持阶段的SOC的下限值和上限值，soc_correct为当前惩罚函数中的修正参数。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆复合式能量管理方法，其特征在于，所述的步骤S01中，若为驱动工况，储能系统最大放电功率和发动机输出功率之和小于高压总线需求电功率，则实际输出转矩无法跟踪高压总线需求电功率，计算高压总线需求电功率下的最大输出转矩。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆复合式能量管理方法，其特征在于，所述的步骤S01中，若为制动工况，驱动电机转速接近0时，使驱动电机的制动转矩逐渐减小到0。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆复合式能量管理方法，其特征在于，储能系统未来补偿工况下，当前时刻，发动机和储能系统共同输出能量驱动车辆行驶，未来时刻，发动机将消耗燃油对储能系统进行充电以弥补当前时刻消耗的电能，当前时刻的储能系统的瞬时等效燃油消耗

其中，P_ess和η_dis分别为该时刻储能系统的瞬时放电功率和放电效率，

和

分别为未来补偿过程中发动机平均燃油消耗率和储能系统的平均充电效率。

5.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆复合式能量管理方法，其特征在于，所述的储能系统未来消耗工况下，当前时刻，发动机与电动机工作发出电能驱动车辆行驶，同时给储能系统充电，未来时刻，储能系统将消耗电能以补偿当前时刻额外消耗的燃油，当前时刻的储能系统瞬时等效燃油消耗

其中，P_ess'和η_chg分别为储能系统的瞬时充电功率和充电效率，

和

分别为未来消耗过程增程器平均燃油消耗率和储能系统的平均放电效率。

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