CN112373457B - 面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型 - Google Patents

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Abstract

一种面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型，属于混合动力汽车建模技术领域。本发明的目的是以发动机、电动机等动力驱动装置至车轮的动力链中各动力传输结点模块的面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型。本发明步骤是：确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态，建立电池模型，建立发动机能耗及温度模型，建立空调热传递模型，接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型。本发明建立了高寒气候条件下驾驶舱供热需求、驾驶员动力需求和车辆能耗之间的耦合关系，实现部分重要热力学变量的软测量，为驾驶员舒适度评估提供了支撑。

Description

面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型
技术领域
本发明属于混合动力汽车建模技术领域。
背景技术
混合动力汽车是实现能量流动、热量传递的复杂“机-电-热”一体化系统。其中，“能量”是指车辆动力链(发动机、电动机等)为驱动车辆行驶提供的机械能，而“热量”是指车辆热力链(发动机冷却系统、空调系统等)中传递的热能。在混合动力车辆中，动力驱动装置(如发动机)既是为车辆行驶提供机械能的动力链源头，也是传递热能的热力链源头。在寒冷天气下车辆的非稳态运行是常态，车辆能耗既和暂态行驶状态下驾驶员的动力需求直接相关，又和车厢空调系统供暖需求耦合严重。混合动力汽车的能量与热量的一体化优化控制技术是在高寒气候条件下进一步挖掘混合动力车辆节能潜力的重要技术和未来发展趋势。在这一技术发展趋势下，如何建立精确反映混合动力车辆的能量与热量的一体化模型，既是开发与设计混合动力汽车能量与热量实时优化控制系统的基础，也是目前混合动力汽车节能控制研究领域的空白。
目前已公开的混合动力汽车模型，通常关注整车动力链中能量流动的单一维度，只考虑名义温度条件下各个结点能量流对油耗增量计算、电池荷电状态(SOC)估计及整车动力学模型方面的影响，并未考虑车辆热力链中涉及的热量传递动态及其与燃油经济性的耦合关系，导致在模型在高寒环境下精度的一致性难以保证。
专利CN 108388746 A公开了一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其中涉及了混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分、系统各结点能量流计算、系统平均综合传动效率计算和油耗理论计算等部分，同时也包含了汽车油耗影响因素细节量化分析。该发明完善了动力链能量单一维度下整车油耗理论计算与分析方法，但在实际模型中却没有考虑整车热量传递效应对燃油经济性的影响。
专利CN 102798422A公开了一种测量混合动力汽车油耗的方法，其中包括动力电池组的净能量变化、据电池组的净能量变化及实测值计算油耗量真实值等计算模块。该发明提出的修正混合动力电动汽车油耗的当量里程法可以简化测试过程,对计算电池的能量转换效率更为简单有效。但是，单纯的“机—电”耦合模型的转化效率同样没有考虑车辆热力链的耦合影响。
专利CN110287526 A公开了一种混合动力汽车模型构建方法。所述方法除构建发动机动力学模型来确定发动机的工作范围和实时燃油消耗率外，也确定电机的工作范围和实时工作效率，动力电池组的电动势、内阻范围，确定动力电池组、电机与车载用电设备用电功率之间的关系及构建整车动力学模型方程等内容。该本发明搭建的仿真平台能够适应控制策略开发的各种实际场景，模型真实、灵活，能根据指令及时变换混合动力车辆动态。但该发明对于全气候条件下的供热需求和燃油经济性的综合考虑仍然具有局限性。
混合动力系统中的热传递机理复杂，为表征准确的传热动态过程，已公开的模型通常具有高阶、分布式(偏微分方程)的特点，其复杂程度并不适用于混合动力汽车的节能控制算法的设计及开发。
例如，专利CN 109815584 A公开了一种单相受热管动态传热量建模方法。该发明根据管内工质的热力学状态方程，分别导出管内工质焓值随管长和时间的偏微分方程；将所得偏微分方程带入管内工质的能量守恒方程；利用单相受热管焓-温通道动态过程特性将时空两维分离，采用解析和集总参数相结合的方法，通过积分获得管壁对管内工质放热量的动态方程。该发明有效提高了集总参数动态数学模型的单段精度，但考虑传热的复杂偏微分方程很难适用于控制系统的设计。并且对于混合动力汽车而言，发动机瞬时油耗和驾驶员热力需求等与温度高度相关的优化控制指标也很难用机理知识精准刻画。
综上所述，一方面，已公开的模型只关注动力链上涉及能量流动的“机-电”耦合动态，模型的精度随温度变化的一致性难以保证；另一方面，车辆热量传递过程数学模型计算复杂，不适用于实时控制算法的设计及开发。因此，建立精度高且易于实时计算的混合动力汽车能量-热量一体化模型，是设计高寒环境下混合动力系统节能控制算法及优化系统的基础，也是充分挖掘车辆节能潜力的必要条件。
发明内容
本发明的目的是以发动机、电动机等动力驱动装置至车轮的动力链中各动力传输结点模块的面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型。
本发明步骤是：
S1.确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态
S101.获取驾驶员动力需求
根据实际工况下的需求车速信息可以得到驾驶员动力需求，参考整车动力学模型如下：
Figure BDA0002492835300000021
上式中，g是重力加速度，θ是路面坡度；
结合式(1)得到动力需求功率Preq与实际路况下的需求车速vveh之间的关系，引入传动效率可以得到输出轴需求转速ωreq和车速之间的关系：
Figure BDA0002492835300000022
动力需求功率和需求转速、需求转矩Trreq的关系如下：
Figure BDA0002492835300000023
S102.确定动力链输入中的发动机转速和发动机转矩
动力需求功率由发动机功率Peng和电池提供的牵引功率Pbat,trac组成：
Preq＝Peng+Pbat,trac (4)
S103.确定动力链输入中的电动机/发电机功率
行星齿轮间的转速及转矩关系为：
Figure BDA0002492835300000031
式中，ωMG1、ωeng和ωMG2分别对应发电机、发动机和电动机的转速，Trreq和ωreq分别是需求的动力传动轴上的转矩和转速，TrMG1、Treng和TrMG2分别对应发电机、发动机和电动机的转矩，R和S分别是行星轮和太阳轮半径，F代表行星齿轮间的内部应力，Is、Ic和Ir分别对应太阳齿轮、行星架和行星齿轮的转动惯量；
若忽略行星齿轮各部件的转动惯量，则得到发电机和电动机的下列关系：
Figure BDA0002492835300000032
电池输出牵引力功率与发电机和电动机之间的关系为：
Pbat,trac＝[(η1·η1)k·TrMG1·TrMG1+(η2·η3)k·TrMG2·TrMG2]/9550 (7)
式中，η1,η2,η3分别为发电机效率、电动机效率及功率转换器效率，k表示电流方向；
S2.建立电池模型
将电池输出的能量分配为牵引动力和为辅助设备的供能，则存在下列关系：
Pbat＝Pbat,trac+Pbat,aux (8)
式中，Pbat是电池总功率，Pbat,trac和Pbat,aux分别是为牵引动力和辅助设备提供的功率；
另外，电池SOC的动态方程为：
Figure BDA0002492835300000033
式中，Cbat是电池容量，开路电压Ubat及内阻Rint为电池SOC的函数；
S3.建立发动机能耗及温度模型
在名义温度条件下定义的油耗模型基础上考虑发动机热效应，将实际油耗mfuel表示为：
mfuel＝ffuel,map(ωeng,Treng)·fcool,map(Tcool) (10)
式中，ffuel,map(ωeng,Treng)是关于发动机转速ωeng和转矩Treng为输入而进行标定的名义燃油消耗map；fcool,map(Tcool)是考虑发动机热效应的燃油消耗率标定函数项，即冷却剂温度Tcool对油耗标定影响的修正因子；
S4.建立空调热传递模型
包含能量流动及热量传递的复杂动力链和热力链耦合关系，在发动机的热状态里得到了很好的体现，混合动力车辆中反应发动机热状态的冷却液温度的动态方程表示为：
Figure BDA0002492835300000041
式中,meng和ceng分别为发动机冷却系统的等效热质量和热容，
Figure BDA0002492835300000042
是燃料燃烧放热率、
Figure BDA0002492835300000043
是排气放热率、
Figure BDA0002492835300000044
是发动机与空气对流的放热率、
Figure BDA0002492835300000045
是散热器风扇的热交换率、Qheating是换热器排出的热交换率、Peng是发动机的机械输出功率；
S401.热力链发动机热循环路径建模
1)发动机燃料放热率
Figure BDA0002492835300000046
表示为
Figure BDA0002492835300000047
式中，LHV是汽油的低热值，mfuel是上述燃油消耗量，ffuel,Tcool(Tcool)是按发动机冷却液温度计算的燃料放热率修正系数；
2)排气放热率
Figure BDA0002492835300000048
表示为：
Figure BDA0002492835300000049
式中，γexh是排放气体在常温下的排气放热率系数，fexh,Tcool(Tcool)是按发动机冷却液温度计算的排气放热率修正系数；
S402.环境热传递路径建模
1)发动机与空气对流的放热率
Figure BDA00024928353000000410
表示为：
Figure BDA00024928353000000411
其中，αeng是和车速vveh相关的比热传递系数的map，Aeng为等效传热面积，空气对流温度近似地处理为与环境温度Tamd和发动机冷却剂温度Tcool相关的静态方程，即Tair＝fair(Tamd,Tcool)；
2)散热器风扇中热交换率
Figure BDA00024928353000000412
表示为：
Figure BDA00024928353000000413
式中，fmap,fan是根据仿真和测试数据进行校准的映射，风扇中的热交换率可以处理为冷却液温度的函数；
S5.接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型
驾驶舱平均温度模型考虑为
Figure BDA0002492835300000051
式中，mcabin和ccabin分别为舱内的等效空气质量和热容，
Figure BDA0002492835300000052
为来自太阳的辐射热，
Figure BDA0002492835300000053
为通过热对流传递的热负荷，
Figure BDA0002492835300000054
是换热器排出的热交换率；
连接驾驶舱热循环路径和发动机热循环路径的换热器排出的热交换率
Figure BDA0002492835300000055
表示为：
Figure BDA0002492835300000056
式中，finlet(Tcool,Tcab,set)是相关冷却液温度和驾驶舱温度设定值Tcab,set的发动机进气温度的标定map，Troom为发动机壁面温度，Wblo为通过驾驶舱鼓风机的气流，ffan(Tamb,)是相关环境温度Tamb和电子水泵转速ωpump的空调指令修正函数。
本发明提出了一种精度高且易于实时计算的混合动力汽车能量-热量一体化模型。模型中包含了“机—电”耦合下以发动机、电动机等动力驱动装置至车轮的动力链中各动力传输结点模块，也包含了以发动机为源头经空调传热系统至驾驶舱的热力链中各热量传递模块。该模型以发动机为源头建立了动力链和热力链之间的复杂“机—电—热”耦合系统，不仅对混合动力汽车能量流动状态做了描述，也显式描述了燃油经济性与热力链热量传递动态之间的耦合关系，提高了模型在寒冷气候条件下的精度一致性；此外，通过驾驶舱平均温度的动态建模，也为驾驶员冷暖舒适度的评估提供了一种接口。本发明所建立的混合动力汽车能量与热量一体化模型具有阶次低、常微分方程形式的特点，所需标定参数有限且易于实现实时计算，为实时控制系统设计提供了模型基础。
本发明有益效果是：
1.本发明建立了面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型，该模型通过构建电池SOC、冷却液温度和驾驶舱温度的三阶常微分方程，不仅描述了动力链和热力链之间复杂“机—电—热”耦合动态，也易于实时计算；并通过与实车实验数据对比，模型在高寒环境下的精度一致性得到了验证，为混合动力汽车实时优化控制系统的开发与设计提供了基础。
2.本发明揭示了混合动力汽车燃油经济性和热力链的高度耦合特性，并通过实验数据标定的手段将燃油消耗与发动机温度的热耦合关系进行显式建模，提高了车辆的燃油消耗预测精度，进而为设计高效的混合动力汽车的节能控制系统提供了保证。
3.本发明建立了高寒气候条件下驾驶舱供热需求、驾驶员动力需求和车辆能耗之间的耦合关系，实现部分重要热力学变量的软测量，为驾驶员舒适度评估提供了支撑。
附图说明
图1为混合动力车辆热力链-热力链耦合示意图；
图2为面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型结构图；
图3为面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型构建流程图；
图4为混联式混合动力系统动力回路结构图；
图5为发动机最佳运行线map图；
图6为动力链回路中主要动力源的转矩结果；
图7为发电机及电动机效率map图；
图8为电池内阻及开路电压随电池SOC的变化关系；
图9为燃油消耗对冷却液温度的敏感程度；
图10为热力链回路中燃料放热率的仿真结果；
图11为热力链回路中排气放热率的仿真结果；
图12为热力链回路中发动机与空气对流放热率的仿真结果；
图13为发动机进气温度的标定map图；
图14为热力链回路中换热器处排出的热交换率的仿真结果；
图15为面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型Simulink模块图；
其中图15a为动力链回路模块结构图；
图15b为燃油消耗率和热力链的耦合关系图；
图15c为热力链回路模块结构图；
图16为在某城市路况下实车实验数据和本发明提出模型的仿真结果对比结果；
其中图16a为城市路况下电池SOC曲线图；
图16b为城市路况下燃油消耗率曲线图；
图16c为城市路况下冷却液温度曲线图；
图16d为城市路况下车速曲线图；
图17为在某高速路况下实车实验数据和本发明提出模型的仿真结果对比结果；
其中图17a为高速路况下电池SOC曲线图；
图17b为高速路况下燃油消耗率曲线图；
图17c为高速路况下冷却液温度曲线图；
图17d为高速路况下车速曲线图。
具体实施方式
面向高寒条件下的汽车实时节能控制，本发明提出了一种精度高且易于实时计算的混合动力汽车能量-热量一体化模型。模型中包含了“机—电”耦合下以发动机、电动机等动力驱动装置至车轮的动力链中各动力传输结点模块，也包含了以发动机为源头经空调传热系统至驾驶舱的热力链中各热量传递模块。该模型以发动机为源头建立了动力链和热力链之间的复杂“机—电—热”耦合系统，不仅对混合动力汽车能量流动状态做了描述，也显式描述了燃油经济性与热力链热量传递动态之间的耦合关系，提高了模型在寒冷气候条件下的精度一致性；此外，通过驾驶舱平均温度的动态建模，也为驾驶员冷暖舒适度的评估提供了一种接口。本发明所建立的混合动力汽车能量与热量一体化模型具有阶次低、常微分方程形式的特点，所需标定参数有限且易于实现实时计算，为实时控制系统设计提供了模型基础。
本发明通过以下步骤实现：
步骤一：确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态。参考整车动力学模型，获取实际驾驶工况下的驾驶员动力需求。并确定动力链输入中的发动机转矩和发动机转速，以及电动机/发电机的需求功率，明确动力链中能量流动状态。
步骤二：建立电池模型。将电池功率细分为车辆动力牵引功率和对暖风/空调辅助设备的供能，以满足高寒条件下电池功率分配的实际情况。并建立电池SOC的动态方程。
步骤三：建立发动机能耗及温度模型。在名义温度条件下定义的油耗模型的基础上加入对发动机热效应的考虑，通过实验数据标定燃油消耗率对冷却液温度的敏感程度，以表征燃油经济性和热力链之间的耦合关系。
步骤四：建立空调热传递模型。构建混合动力汽车中反映发动机热状态的冷却液温度动态方程，以发动机为共同的源头，在冷却液温度的动态方程中挖掘动力链和热力链的耦合关系，并详细构建发动机热循环路径及环境热传递路径的相关模型。
步骤五：接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型。接收驾驶舱的温度设定信息及空调风扇指令，建立驾驶舱温度模型来评估客舱温度变化和驾驶员舒适度，建立连接驾驶舱热循环路径和发动机热循环路径的换热器排出的热交换率模型，揭示供热需求下发动机至驾驶舱的热力链中热量传递动态。
步骤六：完成面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型精度一致性验证。利用Matlab/Simulink模块搭建混合动力汽车模型，并对比在-10℃环境温度下，所提出的仿真模型与真实的混合动力汽车测试车辆在驾驶循环中的重要变量输出结果，验证电池SOC、冷却液温度和燃油消耗率在高寒气候条件下的精度一致性。
本发明以混联式混合动力汽车为研究对象，从动力传输机理和其与热力温度的非线性耦合特性出发，提出了一种面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型。本发明以发动机为动力链和热力链的共同起点建立了完整的“机-电-热”非线性耦合关系，混合动力汽车动力链和热力链耦合示意图如图1所示。其中，动力链以发动机为起点，表示了动力传输装置至车轮的能量流动状态；热力链反映了起点(发动机)到终点(驾驶舱)的热力链回路热量传递动态。
在动力链回路中，功率汇流装置(行星齿轮)将发动机牵引功率和电动机牵引功率进行汇合而提供车辆需求的总机械能；电池除提供车辆牵引动力以外，也为辅助设备(电子水泵、冷却风扇、鼓风机等)供能。在热力链回路中，包含驾驶舱热循环路径、发动机热循环路径和环境热传递路径。当驾驶舱有供热需求时，发动机作为唯一热源而利用换热器及通风装置激活驾驶舱热循环路径向驾驶舱提供热功率，这部分热功率可视作发动机的热负载。热负载一方面调节车厢温度影响驾驶员舒适程度，一方面导致发动机水温变化影响发动机油耗。当发动机冷却液温度过高时，包含散热器及风扇的另一个循环回路也会被激活以利用从发动机中去除部分热量；空气对流也通过环境热传递路径而与发动机热量进行交换，在车辆行驶过程中空气对流带走的热量会大幅降低发动机温度。
本发明面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型结构图，如图2所示。
具体实施方式为：
所建立的混合动力车辆模型接收实际驾驶工况下驾驶员的动力需求，动力需求作为能量与热量一体化模型的动力链维度的输入，其包含发动机转速和转矩信息，以及发电机和电动机的功率需求信息。发动机作为动力链和热力链的源头，既接收动力驱动信息，同样作为空调热传递模型热量供给的唯一源头，使其燃油消耗与热力链回路表现出极强的耦合关系。本发明所提出的能量与热量一体化模型不仅接收驾驶员动力需求，也接收驾驶员供热需求下的驾驶舱设定温度信息和空调风扇指令信息作为模型热力链维度的输入，并兼顾外界环境温度对发动机能耗和温度模型、电池模型及空调热传递模型的影响。最终模型将不仅输出与热力学相关的冷却液温度和驾驶舱温度信息，也会输出面向节能控制的重要变量，即燃油消耗率和电池SOC状态变量。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明仅以混联式混合动力汽车为研究对象进行阐述所述建模方法。该技术框架扩展边界广，同样适用于串联式和并联式混合动力功率分配方案。除油电混合动力汽车外，可有效应用于插电式混合动力和燃料电池混合动力等一系列多能量源混合动力汽车。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。
面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型构建流程如图3所示，具体包括以下步骤：
S1.确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态
本发明的研究对象为混联式混合动力系统，其动力回路结构图如图4所示。发动机产生的动力一方面从行星架直接传递到行星齿轮，行星齿轮作为功率汇流装置将发动机、发电机和电动机的牵引功率进行汇合，并连接到车辆传动系进行车辆驱动；另外，发动机还可以通过太阳轮连接的发电机将能量转换成电的形式。然后，电力经由功率转换器注入电池或提供给电动机，发电机和电动机。首先结合整车动力学模型，在面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型中确定动力链中各结点能量流动状态，所述S1包含以下子步骤：
S101.获取驾驶员动力需求
根据实际工况下的需求车速信息可以得到驾驶员动力需求，参考整车动力学模型如下：
Figure BDA0002492835300000081
上式中，g是重力加速度，θ是路面坡度，本发明中模型所涉及的重要参数及其涵义见表1
表1混合动力车辆能量与热量一体化模型重要参数表
Figure BDA0002492835300000082
Figure BDA0002492835300000091
的关系如下：
Figure BDA0002492835300000092
S102.确定动力链输入中的发动机转速和发动机转矩
混合动力汽车通过单行星排齿轮机构将发动机、发电机(MG1)和电动机(MG2)相连。当给定需求扭矩Trreq和转速ωreq后，齿圈的转速则确定，电动机MG1和发动机通过转速耦合生成，同时产生扭矩至行星架，若扭矩不满足需求转速，则由电动机(MG2)进行补足。
动力需求功率由发动机功率Peng和电池提供的牵引功率Pbat,trac组成：
Preq＝Peng+Pbat,trac (4)
由上述工作原理可知，单行星排齿轮机构能够调节发动机的转速和扭矩，实现发动机工况与车辆工况完全解耦，在给定需求发动机功率下，通过发电机和电动机的调节能够使发动机工作在油耗最低的工况点
Figure BDA0002492835300000093
不同需求发动机功率下油耗最低工况点的连线称为发动机最佳运行线，本发明涉及到的最佳运行线map图，如图5所示。
S103.确定动力链输入中的电动机/发电机功率
单行星排齿轮机构中的太阳轮、行星架和行星齿轮，分别与发电机(MG1)、发动机和电动机(MG2)相连接，并且行星齿轮连接车辆传输所需的动力。行星齿轮间的转速及转矩关系为：
Figure BDA0002492835300000101
式中，ωMG1、ωeng和ωMG2分别对应发电机、发动机和电动机的转速，Trreq和ωreq分别是需求的动力传动轴上的转矩和转速，TrMG1、Treng和TrMG2分别对应发电机、发动机和电动机的转矩，R和S分别是行星轮和太阳轮半径，F代表行星齿轮间的内部应力，Is、Ic和Ir分别对应太阳齿轮、行星架和行星齿轮的转动惯量。
若忽略行星齿轮各部件的转动惯量，则可以得到发电机和电动机的下列关系：
Figure BDA0002492835300000102
于是，依据本发明所提出的混合动力汽车能量与热量一体化模型，得到的动力链回路中主要动力源的转矩结果如图6所示。
电池输出牵引力功率与发电机和电动机之间的关系为：
Pbat,trac＝[(η1·η1)k·TrMG1·TrMG1+(η2·η3)k·TrMG2·TrMG2]/9550 (7)
式中，η1,η2,η3分别为发电机效率、电动机效率及功率转换器效率，其中发电机/电动机的效率关于发电机/电动机的扭矩及转速的map图，如图7所示。k表示电流方向，电池充电时为k＝1，电池放电时为k＝-1。
S2.建立电池模型
在常规的混合动力汽车建模中，一般直接将电池功率视为完全转化为动力牵引能量，而本发明将其细化为车辆牵引动力源和暖风/空调设备的辅助设备动力源。这样的处理更加符合高寒气候条件下，存在驾驶舱供暖需求时电池功率分配的实际情况，对于电池SOC状态确定和暖风/空调系统的动力源分配都赋予了更加实际的意义。
将电池输出的能量分配为牵引动力和为辅助设备(冷却风扇、鼓风机等)的供能，则存在下列关系：
Pbat＝Pbat,trac+Pbat,aux (8)
式中，Pbat是电池总功率，Pbat,trac和Pbat,aux分别是为牵引动力和辅助设备提供的功率。
另外，电池SOC的动态方程为：
Figure BDA0002492835300000111
式中，Cbat是电池容量，开路电压Ubat及内阻Rint为电池SOC的函数。根据实验数据进行校准，得到电池内阻及开路电压随电池SOC的变化关系如图8所示。
S3.建立发动机能耗及温度模型
在寒冷天气下混合动力车辆常处于非稳态运行状态是常态，车辆能耗和车厢空调系统供暖需求存在强烈的耦合关系。发动机作为热力链的源头，其热状态对发动机的燃油消耗率有极深的影响。本发明在名义温度条件下定义的油耗模型基础上考虑发动机热效应，将实际油耗mfuel表示为：
mfuel＝ffuel,map(ωeng,Treng)·fcool,map(Tcool) (10)
式中，ffuel,map(ωeng,Treng)是关于发动机转速ωeng和转矩Treng为输入而进行标定的名义燃油消耗map；fcool,map(Tcool)是考虑发动机热效应的燃油消耗率标定函数项，即冷却剂温度Tcool对油耗标定影响的修正因子。通过实验数据标定的燃油消耗对冷却液温度的敏感程度如图9所示。从图中可以看出，随着冷却液温度的下降，油耗修正因子不断上升。
S4.建立空调热传递模型由于发动机机体温度难以测量，冷却液温度常被作为反映机体温度的重要指标。发动机作为热力链的源头，通过空调热传递模型将热能传递至驾驶舱，同时，作为动力驱动装置的发动机又是动力链的源头，其机械输出功率经由单行星排齿轮机构汇流并分配至车轮。包含能量流动及热量传递的复杂动力链和热力链耦合关系，在发动机的热状态里得到了很好的体现，混合动力车辆中反应发动机热状态的冷却液温度的动态方程可以表示为：
Figure BDA0002492835300000112
式中,meng和ceng分别为发动机冷却系统的等效热质量和热容，
Figure BDA0002492835300000113
是燃料燃烧放热率、
Figure BDA0002492835300000114
是排气放热率、
Figure BDA0002492835300000115
是发动机与空气对流的放热率、
Figure BDA0002492835300000116
是散热器风扇的热交换率、Qheating是换热器排出的热交换率、Peng是发动机的机械输出功率。
通过冷却液温度的动态方程可知，发动机既是动力链的源头，也是热力链的源头。在空调热传递模型中，发动机作为热力链源头，在热力链发动机热循环路径和环境热传递路径中发挥着重要作用。
所述步骤S4包含以下子步骤：
S401.热力链发动机热循环路径建模
1)发动机燃料放热率
Figure BDA0002492835300000117
可以表示为
Figure BDA0002492835300000121
式中，LHV是汽油的低热值，mfuel是上述燃油消耗量，ffuel,Tcool(Tcool)是按发动机冷却液温度计算的燃料放热率修正系数，根据实车实验数据进行标定。依据本发明所提出的混合动力汽车能量与热量一体化模型，得到的热力链回路中燃料放热率的仿真结果如图10所示。
2)排气放热率
Figure BDA0002492835300000122
可以表示为：
Figure BDA0002492835300000123
式中，γexh是排放气体在常温下的排气放热率系数，fexh,Tcool(Tcool)是按发动机冷却液温度计算的排气放热率修正系数，根据实车实验数据进行标定。依据本发明所提出的混合动力汽车能量与热量一体化模型，得到的热力链回路中排气放热率的仿真结果如图11所示。
S402.环境热传递路径建模
1)发动机与空气对流的放热率
Figure BDA0002492835300000124
可以表示为：
Figure BDA0002492835300000125
其中，αeng是和车速vveh相关的比热传递系数的map，Aeng为等效传热面积，取Aeng＝1.55m2；作为一种简化，空气对流温度近似地处理为与环境温度Tamd和发动机冷却剂温度Tcool相关的静态方程，即Tair＝fair(Tamd,Tcool)。依据本发明所提出的混合动力汽车能量与热量一体化模型，得到的热力链回路中发动机与空气对流放热率的仿真结果如图12所示。
2)散热器风扇中热交换率
Figure BDA0002492835300000126
可以表示为：
Figure BDA0002492835300000127
式中，fmap,fan是根据仿真和测试数据进行校准的映射，风扇中的热交换率可以处理为冷却液温度的函数。一般当发动机冷却液温度过高时，包含散热器及风扇的循环回路才会被激活以保证发动机温度不至过高。
S5.接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型
接收热力链输入需求，即驾驶舱的温度设定值及空调风扇指令；建立驾驶舱热循环路径模型来评估客舱温度变化和驾驶员舒适度，将简化的驾驶舱平均温度模型考虑为
Figure BDA0002492835300000128
式中，mcabin和ccabin分别为舱内的等效空气质量和热容，
Figure BDA0002492835300000129
为来自太阳的辐射热，
Figure BDA00024928353000001210
为通过热对流传递的热负荷，
Figure BDA00024928353000001211
是换热器排出的热交换率。
本发明设定环境温度为-10℃的高寒气候条件，当驾驶舱有供热需求时，换热器及通风装置接收指令而被激活，进而将发动机的热量通过热力链驾驶舱热循环路径提供至驾驶舱。连接驾驶舱热循环路径和发动机热循环路径的换热器排出的热交换率
Figure BDA0002492835300000131
可以表示为：
Figure BDA0002492835300000132
式中，finlet(Tcool,Tcab,set)是相关冷却液温度和驾驶舱温度设定值Tcab,set的发动机进气温度的标定map，该标定map如图13所示，Troom为发动机壁面温度，Wblo为通过驾驶舱鼓风机的气流，ffan(Tamb,)是相关环境温度Tamb和电子水泵转速ωpump的空调指令修正函数。依据本发明所提出的混合动力汽车能量与热量一体化模型，得到的热力链回路中换热器处排出的热交换率的仿真结果如图14所示。
S6.完成面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型精度一致性验证。
利用Matlab/Simulink模块搭建混合动力汽车模型，本发明所搭建的面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型Simulink模块图如图15所示。所建立的动力链回路模块接收实际驾驶工况下驾驶员的动力需求实现牵引动力的实时分配，并将有限阶次的温度因素考虑到车辆动力链的发动机模块中，构建了燃油消耗率和热力链之间的高度耦合关系。其中在热力链模块中，以发动机为源头构建包含热力链发动机热循环路径、环境热传递路径及驾驶舱热循环路径的完整热力链回路模块。
为了验证本发明面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型在高寒气候条件下的精度一致性，在-10℃环境温度下，利用在混合动力汽车测试车辆(车辆参数见表1)在真实驾驶循环中所收集了实车实验数据。在某城市路况和高速路况实车实验采集的数据和本发明提出模型的仿真结果对比结果分别如图16(图16a、图16b、图16c、图16d)、图17(图17a、图17b、图17c、图17d)所示。从图中可以看出，本发明所提出的能量与热量一体化模型能够应对不同道路工况，针对电池SOC、反映发动机热状态的冷却液温度和燃油消耗率这些关键变量，均能够在高寒气候条件下保持极高的准确性，为相关混合动力汽车的节能优化控制技术提供了更加全面和真实的模型基础。

Claims (1)

1.一种面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型，其特征在于：其步骤是：
S1.确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态
S101.获取驾驶员动力需求
根据实际工况下的需求车速信息可以得到驾驶员动力需求，参考整车动力学模型如下：
Figure FDA0003199266150000011
上式中，g是重力加速度，θ是路面坡度；
结合式(1)得到动力需求功率Preq与实际路况下的需求车速vveh之间的关系，ρ：空气密度；Cd：空气阻力系数；σ：旋转元件的质量系数；ηt：传动效率，引入传动效率可以得到输出轴需求转速ωreq和车速之间的关系：
Figure FDA0003199266150000012
rw：车轮半径；ig：变速箱传动比；ir：减速比；动力需求功率和需求转速、需求转矩Trreq的关系如下：
Figure FDA0003199266150000013
S102.确定动力链输入中的发动机转速和发动机转矩
动力需求功率由发动机功率Peng和电池提供的牵引功率Pbat，trac组成：
Preq＝Peng+Pbat，trac (4)
S103.确定动力链输入中的电动机/发电机功率
行星齿轮间的转速及转矩关系为：
Figure FDA0003199266150000014
式中，ωMG1、ωeng和ωMG2分别对应发电机、发动机和电动机的转速，Trreq和ωreq分别是需求的动力传动轴上的转矩和转速，TrMG1、Treng和TrMG2分别对应发电机、发动机和电动机的转矩，R和S分别是行星轮和太阳轮半径，F代表行星齿轮间的内部应力，Is、Ic和Ir分别对应太阳齿轮、行星架和行星齿轮的转动惯量；
若忽略行星齿轮各部件的转动惯量，则得到发电机和电动机的下列关系：
Figure FDA0003199266150000015
电池输出牵引力功率与发电机和电动机之间的关系为：
Pbat，trac＝[(η1·η1)k·TrMG1·TrMG1+(η2·η3)k·TrMG2·TrMG2]/9550 (7)
式中，η1，η2，η3分别为发电机效率、电动机效率及功率转换器效率，k表示电流方向；
S2.建立电池模型
将电池输出的能量分配为牵引动力和为辅助设备的供能，则存在下列关系：
Pbat＝Pbat，trac+Pbat，aux (8)
式中，Pbat是电池总功率，Pbat，trac和Pbat，aux分别是为牵引动力和辅助设备提供的功率；
另外，电池SOC的动态方程为：
Figure FDA0003199266150000021
式中，Cbat是电池容量，开路电压Ubat及内阻Rint为电池SOC的函数；
S3.建立发动机能耗及温度模型
在名义温度条件下定义的油耗模型基础上考虑发动机热效应，将实际油耗mfuel表示为：
mfuel＝ffuel，map(ωeng，Treng)·fcool，map(Tcool) (10)
式中，ffuel，map(ωeng，Treng)是关于发动机转速ωeng和转矩Treng为输入而进行标定的名义燃油消耗map；fcool，map(Tcool)是考虑发动机热效应的燃油消耗率标定函数项，即冷却剂温度Tcool对油耗标定影响的修正因子；
S4.建立空调热传递模型
包含能量流动及热量传递的复杂动力链和热力链耦合关系，在发动机的热状态里得到了很好的体现，混合动力车辆中反应发动机热状态的冷却液温度的动态方程表示为：
Figure FDA0003199266150000022
式中，meng和ceng分别为发动机冷却系统的等效热质量和热容，
Figure FDA0003199266150000023
是燃料燃烧放热率、
Figure FDA0003199266150000024
是排气放热率、
Figure FDA0003199266150000025
是发动机与空气对流的放热率、
Figure FDA0003199266150000026
是散热器风扇的热交换率、Qheating是换热器排出的热交换率、Peng是发动机的机械输出功率；
S401.热力链发动机热循环路径建模
1)发动机燃料放热率
Figure FDA0003199266150000027
表示为
Figure FDA0003199266150000028
式中，LHV是汽油的低热值，mfuel是上述燃油消耗量，ffuel，Tcool(Tcool)是按发动机冷却液温度计算的燃料放热率修正系数；
2)排气放热率
Figure FDA0003199266150000029
表示为：
Figure FDA0003199266150000031
式中，γexh是排放气体在常温下的排气放热率系数，fexh，Tcool(Tcool)是按发动机冷却液温度计算的排气放热率修正系数；
S402.环境热传递路径建模
1)发动机与空气对流的放热率
Figure FDA0003199266150000032
表示为：
Figure FDA0003199266150000033
其中，αeng是和车速vveh相关的比热传递系数的map，Aeng为等效传热面积，空气对流温度近似地处理为与环境温度Tamd和发动机冷却剂温度Tcool相关的静态方程，即Tair＝fair(Tamd，Tcool)；
2)散热器风扇中热交换率
Figure FDA0003199266150000034
表示为：
Figure FDA0003199266150000035
式中，fmap，fan是根据仿真和测试数据进行校准的映射，风扇中的热交换率可以处理为冷却液温度的函数；
S5.接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型
驾驶舱平均温度模型考虑为
Figure FDA0003199266150000036
式中，mcabin和ccabin分别为舱内的等效空气质量和热容，
Figure FDA0003199266150000037
为来自太阳的辐射热，
Figure FDA0003199266150000038
为通过热对流传递的热负荷，
Figure FDA0003199266150000039
是换热器排出的热交换率；
连接驾驶舱热循环路径和发动机热循环路径的换热器排出的热交换率
Figure FDA00031992661500000310
表示为：
Figure FDA00031992661500000311
式中，finlet(Tcool，Tcab，set)是相关冷却液温度和驾驶舱温度设定值Tcab，set的发动机进气温度的标定map，Troom为发动机壁面温度，Wblo为通过驾驶舱鼓风机的气流，ffan(Tamb，)是相关环境温度Tamb和电子水泵转速ωpump的空调指令修正函数。
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