CN110758121B - 一种基于递阶控制的能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于递阶控制的能量管理系统，包括GPS模块、工况预测模块、能量管理单元、执行控制单元和蓄电池状态估计单元，所述GPS模块将路况信息发送给工况预测模块，且工况预测模块包括行驶工况识别单元和车辆行驶状态转移概率矩阵。本发明引入分层递阶控制原理建立纯电动汽车能力管理系统，且该系统包含两个层级的控制策略，顶层策略为能量管理策略，采用马尔科夫决策理论建立能量优化管理模型，负责监控整个纯电动汽车动力系统的能量流动，根据系统当前的状态来确定电机的目标功率，底层决策为执行控制单元，根据系统当前状态来进行功率分配和电机控制，满足纯电动汽车动力性要求。

Description

一种基于递阶控制的能量管理系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，具体为一种基于递阶控制的能量管理系统。
背景技术
新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源，称为常规能源，随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视，新能源汽车是新能源应用的一种形式，又称电动汽车，是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆，由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，电动汽车的种类包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车，但是现阶段动力电池性能仍然存在技术瓶颈，随着动力电池性能的衰退，纯电动汽车续航里程发生明显缩短，尤其是在频繁起步、加速、制动等城市行驶工况下，电动汽车的能耗增加、续航里程明显缩短，严重限制了纯电动汽车的使用，为此，我们提出一种基于递阶控制的能量管理系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于递阶控制的能量管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于递阶控制的能量管理系统，所述能量管理系统应用于蓄电池和超级电容共同供电的纯电动汽车，其中，包括工况预测单元、能量管理单元、执行控制单元；
所述工况预测单元与所述能量管理单元连接，所述能量管理单元与所述执行控制单元电连接；
所述工况预测单元用于获取当前路况信息、车辆状态信息，并根据当前路况信息和车辆状态信息识别当前行驶工况，构建当前时刻的车辆行驶状态转移概率矩阵；
所述能量管理单元用于根据当前时刻的车辆行驶状态转移概率矩阵计算最佳功率分配比；
所述执行控制单元用获取车辆加速信号、制动信号、扭矩信号和所述最佳功率分配比，计算所述蓄电池目标输出功率和所述超级电容目标输出功率，并按所述蓄电池目标输出功率控制所述蓄电池供电、按所述超级电容目标输出功率控制所述超级电容供电。
如上所述的基于递阶控制的能量管理系统，其中，可选的是，所述能量管理单元包括基于马尔可夫决策的优化管理模型，所述基于马尔可夫决策的优化管理模型用于根据车辆行驶状态转移概率矩阵计算最佳功率分配比。
如上所述的基于递阶控制的能量管理系统，其中，可选的是，所述执行控制单元包括功率分配及电机控制模块、DC/DC转换器、主继电器和电机；
所述功率分配及电机控制模块、所述DC/DC转换器、所述主继电器和所述电机顺次连接，所述超级电容与所述DC/DC转换器电连接，所述动力电池与所述主继电器电连接；
所述功率分配及电机控制模块用于获取车辆加速信号、制动信号、扭矩信号和最佳功率分配比，并以PWM波的形式输出控制信号到DC/DC转换器，以实现所述超级电容与所述蓄电池按所述最佳功率分配比给所述电机供电。
如上所述的基于递阶控制的能量管理系统，其中，可选的是，还包括，所述蓄电池状态估计单元分别与所述能量管理单元和所述执行控制单元电连接；
所述蓄电池状态估计单元用于获取蓄电池的电压和电流，并根据蓄电池的压电和电流分别估算蓄电池SOC和蓄电池SOH；并确定蓄电池SOC校正量，将蓄电池SOC校正量输入能量管理单元。
如上所述的基于递阶控制的能量管理系统，其中，可选的是，还包括GPS模块，所述GPS模块与所述工况预测单元电连接，所述工况预测单元用于通过所述GPS模块获取路况信息。
如上所述的基于递阶控制的能量管理系统，其中，可选的是，所述执行控制单元用于在获取到制动信号时，控制所述蓄电池断开连接，控制所述超级电容与所述电机连接，以实现电机在车辆惯性作用带动下发电，并将所产生的电能DC/DC转换器存储到所述超级电容中。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明引入分层递阶控制原理建立纯电动汽车能力管理系统，且该系统包含两个层级的控制策略，顶层策略为能量管理策略，采用马尔科夫决策理论建立能量优化管理模型，负责监控整个纯电动汽车动力系统的能量流动，根据系统当前的状态来确定电机的目标功率，底层决策为执行控制单元，根据系统当前状态来进行功率分配和电机控制，满足纯电动汽车动力性要求。
附图说明
图1为本发明系统原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明提出了一种基于递阶控制的能量管理系统，所述能量管理系统应用于蓄电池和超级电容共同供电的纯电动汽车，其中，包括工况预测单元、能量管理单元和执行控制单元。本发明引入分层递阶控制原理建议纯电动汽车能量管理系统，该控制系统包括两个层级的控制策略，顶层策略为能量管理策略，由能量管理单元来实现，采用马尔可夫决策理论建议能量优化管理模型，负责监控整个纯电动汽车动力系统的能量流动，根据系统当前的状态来确定电机的目标功率；底层策略为执行控制层，根据系统当前状态来进行功率分配和电机控制，满足纯电动汽车动力性要求。
所述工况预测单元与所述能量管理单元连接，所述能量管理单元与所述执行控制单元电连接。所述工况预测单元用于获取当前路况信息、车辆状态信息，并根据当前路况信息和车辆状态信息识别当前行驶工况，构建当前时刻的车辆行驶状态转移概率矩阵；所述能量管理单元用于根据当前时刻的车辆行驶状态转移概率矩阵计算最佳功率分配比；所述执行控制单元用获取车辆加速信号、制动信号、扭矩信号和所述最佳功率分配比，计算所述蓄电池目标输出功率和所述超级电容目标输出功率，并按所述蓄电池目标输出功率控制所述蓄电池供电、按所述超级电容目标输出功率控制所述超级电容供电。
具体实施时，综合工况下以整个综合工况区间纯电动汽车能耗最优为目标，准稳态工况下以纯电动汽车的动力性和经济性综合最优为目标，以电动汽车当前状态为约束条件，建立基于马尔科夫决策理论的随机动态规划优化命题并求解。基于行驶状态转移概率矩阵，将优化命题整合为有限域的马尔科夫决策过程。该优化命题是有限域的马尔科夫决策过程，可以用自底向上递归的方法求解。优化过程根据离散的粒度的不同，求解的时间有差异，通常连续在线求解无法满足电动汽车实时控制的要求，可采用离散求解在线查表的处理方式。在离线求解时，遍历所有可能的初值，将结果储存在一张表格中。在线运行时，直接以查表的方式获取当前的最优控制向量值。然后再根据最佳功率分配比来计算并控制所述超级电容和所述蓄电池以对应的功率输出电能，能够时刻保证蓄电池和超级电容均以最佳的输出功率进行输出。
作为一种较佳的实施方式，所述能量管理单元包括基于马尔可夫决策的优化管理模型，所述基于马尔可夫决策的优化管理模型用于根据车辆行驶状态转移概率矩阵计算最佳功率分配比。如此，能够提高能量控制的准确性。
作为一种较佳的实施方式，所述执行控制单元包括功率分配及电机控制模块、DC/DC转换器、主继电器和电机；所述功率分配及电机控制模块、所述DC/DC转换器、所述主继电器和所述电机顺次连接，所述超级电容与所述DC/DC转换器电连接，所述动力电池与所述主继电器电连接；所述功率分配及电机控制模块用于获取车辆加速信号、制动信号、扭矩信号和最佳功率分配比，并以PWM波的形式输出控制信号到DC/DC转换器，以实现所述超级电容与所述蓄电池按所述最佳功率分配比给所述电机供电。如此，能够便于根据需要来控制所述超级电容和所述蓄电池按最佳比例来输出能量。
由于蓄电池SOC值和蓄电池SOH状态时刻发生变化，且随着蓄电池充放电次数的变化，蓄电池的蓄电能力也在变化，为了消除这种变化对于控制策略的影响，作为一种较佳的实施方式，还包括，所述蓄电池状态估计单元分别与所述能量管理单元和所述执行控制单元电连接；所述蓄电池状态估计单元用于获取蓄电池的电压和电流，并根据蓄电池的压电和电流分别估算蓄电池SOC和蓄电池SOH；并确定蓄电池SOC校正量，将蓄电池SOC校正量输入能量管理单元。
作为一种较佳的实施方式，还包括GPS模块，所述GPS模块与所述工况预测单元电连接，所述工况预测单元用于通过所述GPS模块获取路况信息。具体实施时，也可以通过其他部件来实现获取路况信息。
作为一种较佳的实施方式，所述执行控制单元用于在获取到制动信号时，控制所述蓄电池断开连接，控制所述超级电容与所述电机连接，以实现电机在车辆惯性作用带动下发电，并将所产生的电能DC/DC转换器存储到所述超级电容中。如此，能够利用所述超级电容来回收制动时所的能量，从而有利于提车辆的续航能力。
实施例2
请参阅图1，一种基于递阶控制的能量管理系统，包括GPS模块、工况预测模块、能量管理单元、执行控制单元和蓄电池状态估计单元，GPS模块将路况信息发送给工况预测模块，且工况预测模块包括行驶工况识别单元和车辆行驶状态转移概率矩阵，行驶工况识别单元包括包括准稳态工况和综合工况，同时，行驶工况识别单元的输出端与车辆行驶状态转移概率矩阵的输入端连接，车辆行驶状态转移概率矩阵的输出端与能量管理单元的输入端连接，且能量管理单元包括基于马尔可夫决策的优化管理模型和最优问题迭代求解，同时，基于马尔可夫决策的优化管理模型的输出端与最优问题迭代求解的输入端连接，最优问题迭代求解的输出端与执行控制单元的输入端连接，且执行控制单元包括功率分配及电机控制、超级电容和动力电池，同时，功率分配及电机控制和超级电容输出端均与DC/DC转换器的输入端连接，DC/DC转换器和动力电池的的输出端均与主继电器的输入端连接，主继电器还将自身的电流和电压信息分别传输到SOH估计和
Figure BDA0002271564800000061
估计上，且主继电器通过电机控制车辆，车辆还将车速信号反馈给工况预测模块，电机还将扭矩信号传递给功率分配及电机控制上，且功率分配及电机控制的另两个输入端还通过制动信号线以及加速信号线与驾驶员连接，蓄电池状态估计单元包括SOH估计和
Figure BDA0002271564800000062
估计，且SOH估计和
Figure BDA0002271564800000063
估计的输出端均与SOC校正的输入端连接，同时，SOC校正的输出端与基于马尔可夫决策的优化管理模型的输入端连接，引入分层递阶控制原理建立纯电动汽车能力管理系统，且该系统包含两个层级的控制策略，顶层策略为能量管理策略，采用马尔科夫决策理论建立能量优化管理模型，负责监控整个纯电动汽车动力系统的能量流动，根据系统当前的状态来确定电机的目标功率，底层决策为执行控制单元，根据系统当前状态来进行功率分配和电机控制，满足纯电动汽车动力性要求。
使用时，引入分层递阶控制原理建立纯电动汽车能力管理系统，且该系统包含两个层级的控制策略，顶层策略为能量管理策略，采用马尔科夫决策理论建立能量优化管理模型，负责监控整个纯电动汽车动力系统的能量流动，根据系统当前的状态来确定电机的目标功率，底层决策为执行控制单元，根据系统当前状态来进行功率分配和电机控制，满足纯电动汽车动力性要求。
本发明中涉及到的相关模块均为硬件发明模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本发明的改进之处；本发明的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对发明的整体的构造进行改进，以解决本发明所要解决的相应技术问题。
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 (1)

1.一种基于递阶控制的能量管理系统，所述能量管理系统应用于蓄电池和超级电容共同供电的纯电动汽车，其特征在于，包括工况预测单元、能量管理单元和执行控制单元；
所述工况预测单元与所述能量管理单元连接，所述能量管理单元与所述执行控制单元电连接；
所述工况预测单元用于获取当前路况信息、车辆状态信息，并根据当前路况信息和车辆状态信息识别当前行驶工况，构建当前时刻的车辆行驶状态转移概率矩阵；
所述能量管理单元用于根据当前时刻的车辆行驶状态转移概率矩阵计算最佳功率分配比；所述能量管理单元包括基于马尔可夫决策的优化管理模型和最优问题迭代求解，同时，基于马尔可夫决策的优化管理模型的输出端与最优问题迭代求解的输入端连接，最优问题迭代求解的输出端与执行控制单元的输入端连接；
所述执行控制单元用于获取车辆加速信号、制动信号、扭矩信号和所述最佳功率分配比，计算所述蓄电池目标输出功率和所述超级电容目标输出功率，并按所述蓄电池目标输出功率控制所述蓄电池供电、按所述超级电容目标输出功率控制所述超级电容供电；
所述执行控制单元用于在获取到制动信号时，控制所述蓄电池断开连接，控制所述超级电容与电机连接，以实现电机在车辆惯性作用带动下发电，并将所产生的电能经DC/DC转换器存储到所述超级电容中；
所述执行控制单元包括功率分配及电机控制模块、DC/DC转换器、主继电器和电机；
所述功率分配及电机控制模块、所述DC/DC转换器、所述主继电器和所述电机顺次连接，所述超级电容与所述DC/DC转换器电连接，所述蓄电池与所述主继电器电连接；
所述功率分配及电机控制模块用于获取车辆加速信号、制动信号、扭矩信号和最佳功率分配比，并以PWM波的形式输出控制信号到DC/DC转换器，以实现所述超级电容与所述蓄电池按所述最佳功率分配比给所述电机供电；
还包括蓄电池状态估计单元，所述蓄电池状态估计单元分别与所述能量管理单元和所述执行控制单元电连接；
所述蓄电池状态估计单元用于获取蓄电池的电压和电流，并根据蓄电池的电压和电流分别估算蓄电池SOC和蓄电池SOH；并确定蓄电池SOC校正量，将蓄电池SOC校正量输入能量管理单元；
还包括GPS模块，所述GPS模块与所述工况预测单元电连接，所述工况预测单元用于通过所述GPS模块获取路况信息。
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