CN112498332A - 一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，属于并联式混合动力汽车控制技术领域。该方法以并联式混合动力汽车电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，以等效因子s的值为输出，建立模糊控制器和ECMS瞬时优化控制算法，通过模糊控制器对ECMS瞬时优化控制算法中的等效因子进行动态调节。本发明解决了并联式混合动力汽车不能外接电网充电的情况下，难以对电量SOC进行自我管理的问题。同时，相比传统基于规则的控制算法，能使并联式混合动力汽车获得更好的燃油经济性，实现了对并联式混合动力汽车的模糊自适应能量管理控制。

Description

一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法

技术领域

本发明属于并联式混合动力汽车控制技术领域，涉及一种基于等效消耗最小策略(Equivalent Consumption Minimization Strategy,ECMS)的模糊自适应瞬时优化能量管理控制方法。

背景技术

在新能源汽车中，并联式混合动力汽车由于其独特的结构与动力输出方式，被认为是最有效可行的一种解决方案。并联式混合动力汽车有两个动力源，分别为发动机和电动机。通过能量管理策略(Energy Management Strategy,EMS)对两个动力源之间的功率分配进行有效控制，并联式混合动力汽车能够在排放更低的同时获得更高的燃油经济性。

目前，EMS可分为两大类，分别为基于规则的EMS和基于优化的EMS。基于规则的EMS可分为基于确定规则的EMS和基于模糊规则的EMS。基于规则的EMS实现起来比较简单，可基于现有的车辆工作方式进行设计，应用较为广泛。然而，这些基于规则的EMS都是基于工程师的经验和特定的行驶工况所设计的，难以得到最优的燃油经济性。

基于优化的EMS旨在使发动机和电动机之间的功率分配达到最优，进而得到最优的燃油经济性，其主要分为两大类，分别为基于全局优化的EMS和基于在线优化的EMS。基于在线优化的EMS主要以ECMS为代表，旨在将全局优化问题转换为多个局部优化的问题，以减少计算时间，并能够在实车中进行应用。然而，ECMS的等效因子默认为常数，难以满足现实环境中复杂多变的行驶工况。此外，由于并联式混合动力汽车无法连接电网进行电量的补给，需要保证标准工况下的起始电量SOC和末端电量SOC尽可能相等，等效因子为常数的ECMS无法满足并联式混合动力汽车的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，将模糊控制器和ECMS相结合，以电量SOC及其变化率作为模糊控制器的输入，以等效因子作为模糊控制器的输出，通过对ECMS中等效因子的动态调节，不仅满足并联式混合动力汽车的需求，还能适应各种复杂工况，提高汽车的燃油经济性与性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，以并联式混合动力汽车电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，以等效因子s的值为输出，建立模糊控制器和等效消耗最小策略(Equivalent Consumption Minimization Strategy,ECMS)瞬时优化控制算法，通过模糊控制器对ECMS瞬时优化控制算法中的等效因子进行动态调节。

进一步，建立ECMS瞬时优化控制算法，具体包括以下步骤：

S101：根据最优控制理论，可以得到并联式混合动力汽车在一定行驶工况下的最小油耗：

其中，

为发动机燃油消耗率，

为电机等效燃油消耗率，T_e为发动机工作转矩，T_em为电机工作转矩，n_e为发动机转速，n_em为电机转速，T_{e_min}为发动机最小工作转矩，T_{e_max}为发动机最大工作转矩，T_{em_max}为电机最大工作转矩，N为工况总时间，Δt为单位时间；

S102：当电机在电动机模式下工作时，混合动力系统的燃油消耗量由两部分组成，一是发动机直接消耗的燃油量，二是电动机消耗电能所对应的等效油耗，可以得到并联式混合动力汽车的瞬时等效油耗：

其中，η_dis为电池放电效率，η_m为电机工作效率，s_chg为充电等效因子；

当电机在发电机模式下工作时，除制动能量回收外，发动机消耗燃油带动发电机对电池进行充电，可以得到并联式混合动力汽车的瞬时等效油耗：

其中，η_cha为电池充电效率，s_dis为放电等效因子；

S103：当瞬时等效油耗最小时，可以得到最佳的发动机工作转矩T_{e_out_opt}和电机工作转矩T_{em_out_opt}。

进一步，以电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，等效因子s的值为输出，建立模糊控制器，具体包括以下步骤：

S201：选择城市、郊区或高速等多种复杂工况，以等效油耗为目标函数，对等效因子进行离线遍历，计算出多种复杂工况下等效因子的公共有效区间；

S202：根据步骤S201的等效因子有效区间，建立模糊控制的隶属度函数，为了获得更好的控制精度，选取高斯型隶属度函数作为输入函数：

y＝gaussmf(x,[sig c]) (5)

其中，x指定变量论域范围，c决定了函数的中心点，sig决定了函数曲线的宽度σ；

选取三角型隶属度函数作为输出函数：

y＝trimf(x,[a b c]) (6)

其中，a、b和c指定三角形函数的形状；

输入ΔSOC的模糊子集为{SNB,SNS,SZO,SPS,SPB}，ΔSOC'的模糊子集为{dSNB,dSNS,dSZO,dSPS,dSPB}，输出等效因子s的模糊子集为{sNB,sNS,sZO,sPS,sPB}；其中，xNB、xNS、xZO、xPS、xPB分别表示语言变量{负大、负小、零、正小、正大}；

S203：根据步骤S202的隶属度函数，设计模糊规则，具体包括以下内容：

如果ΔSOC＝SPB，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SPS，那么s＝sNS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSPB，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSPS，那么s＝sNS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSZO，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSNS，那么s＝sPS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSNB，那么s＝sPB；

如果ΔSOC＝SNS，那么s＝sPS；

如果ΔSOC＝SNB，那么s＝sPB。

进一步，设计并联式混合动力汽车的工作模式，分别为混合驱动模式、发动机单独驱动模式、电机发电模式、电机单独驱动模式和再生制动模式；对这五种工作模式的判断如下：

1)当总需求转矩T_req大于发动机最优工作转矩T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于混合驱动模式；

2)当T_req＝T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于发动机单独驱动模式；

3)当T_{e_min}≤T_req＜T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于电机发电模式；

4)当0＜T_req＜T_{e_min}时，并联式混合动力汽车处于电机单独驱动模式；

5)当T_req≤0时，并联式混合动力汽车处于再生制动模式。

本发明的有益效果在于：

1)本发明将ECMS瞬时优化控制算法应用于并联式混合动力汽车，相比传统基于规则的控制算法，能使汽车获得更好的燃油经济性；

2)本发明的模糊自适应能量管理控制方法将ECMS瞬时优化控制算法和模糊控制器的优点相结合，解决了并联式混合动力汽车不能外接电网充电的情况下，难以对电量SOC进行自我管理的问题；

3)本发明选择的多种复杂工况，基本包含了汽车在行驶过程中能遇到的所有工况，能够使并联式混合动力汽车在不同行驶工况下都能获得较好的燃油经济性。

4)本发明能够根据电量SOC的变化实时分配最佳转矩，在保证车辆燃油经济性的同时满足了车辆对电量SOC进行自我管理的需求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为并联式混合动力汽车系统结构图；

图2为本发明的模糊自适应能量管理控制方法原理图；

图3为模糊控制器原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图3，本发明以并联式混合动力汽车电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，以等效因子的值s为输出，建立模糊控制器，通过模糊控制器对ECMS瞬时优化控制算法中的等效因子进行动态调节。本发明能够根据电量SOC的变化实时分配最佳转矩，在保证车辆燃油经济性的同时满足了车辆对电量SOC进行自我管理的需求。

本发明优选了一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过ECMS瞬时优化控制算法建立瞬时等效油耗模型，根据最优控制理论，可以得到并联式混合动力汽车在一定行驶工况下的最小油耗：

其中，

为发动机燃油消耗率，

为电机等效燃油消耗率，T_e为发动机工作转矩，T_em为电机工作转矩，n_e为发动机转速，n_em为电机转速，T_{e_min}为发动机最小工作转矩，T_{e_max}为发动机最大工作转矩，T_{em_max}为电机最大工作转矩，N为工况总时间，Δt为单位时间；

步骤2：当电机在电动机模式下工作时，混合动力系统的燃油消耗量由两部分组成，一是发动机直接消耗的燃油量，二是电动机消耗电能所对应的等效油耗，可以得到并联式混合动力汽车的瞬时等效油耗：

其中，η_dis为电池放电效率，η_m为电机工作效率，s_chg为充电等效因子；

步骤3：当电机在发电机模式下工作时，除制动能量回收外，发动机消耗燃油带动发电机对电池进行充电，可以得到并联式混合动力汽车的瞬时等效油耗：

其中，η_cha为电池充电效率，s_dis为放电等效因子；

当瞬时等效油耗最小时，可以得到最佳的发动机工作转矩T_{e_out_opt}和电机工作转矩T_{em_out_opt}。

为了对ECMS瞬时优化控制算法中的等效因子进行动态调节，以电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，等效因子s的值为输出，建立模糊控制器，包括以下步骤：

步骤4：选择城市、郊区和高速等多种复杂工况，以等效油耗为目标函数，对等效因子进行离线遍历，计算出多种复杂工况下等效因子的公共有效区间；

步骤5：根据步骤4的等效因子有效区间，建立模糊控制的隶属度函数，为了获得更好的控制精度，选取高斯型隶属度函数作为输入函数：

y＝gaussmf(x,[sig c]) (5)

其中，x指定变量论域范围，c决定了函数的中心点，sig决定了函数曲线的宽度σ；

选取三角型隶属度函数作为输出函数：

y＝trimf(x,[a b c]) (6)

其中，a、b和c指定三角形函数的形状；

输入ΔSOC的模糊子集为{SNB,SNS,SZO,SPS,SPB}，ΔSOC'的模糊子集为{dSNB,dSNS,dSZO,dSPS,dSPB}，输出等效因子s的模糊子集为{sNB,sNS,sZO,sPS,sPB}；其中，xNB、xNS、xZO、xPS、xPB分别表示语言变量{负大、负小、零、正小、正大}；

步骤6：根据步骤5的隶属度函数，设计模糊规则，具体包括以下内容：

如果ΔSOC＝SPB，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SPS，那么s＝sNS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSPB，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSPS，那么s＝sNS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSZO，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSNS，那么s＝sPS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSNB，那么s＝sPB；

如果ΔSOC＝SNS，那么s＝sPS；

如果ΔSOC＝SNB，那么s＝sPB。

本发明中，并联式混合动力汽车有五种工作模式，分别为混合驱动模式、发动机单独驱动模式、电机发电模式、电机单独驱动模式和再生制动模式。对这五种工作模式的判断如下：

1)当总需求转矩T_req大于发动机最优工作转矩T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于混合驱动模式；

2)当T_req＝T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于发动机单独驱动模式；

3)当T_{e_min}≤T_req＜T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于电机发电模式；

4)当0＜T_req＜T_{e_min}时，并联式混合动力汽车处于电机单独驱动模式；

5)当T_req≤0时，并联式混合动力汽车处于再生制动模式。

本发明首先考虑到并联式混合动力汽车中，基于规则的控制算法难以获得较好的燃油经济性，针对并联式混合动力汽车设计ECMS瞬时优化控制算法；由于ECMS瞬时优化控制算法中的等效因子为常数，不能有效解决并联式混合动力汽车不能外接电网充电的情况下，难以对电量SOC进行自我管理的问题，针对等效因子设计模糊控制器，可在不同工况下根据电量SOC的变化对等效因子进行动态调节，实现了对并联式混合动力汽车的模糊自适应能量管理控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，其特征在于，该方法以并联式混合动力汽车电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，以等效因子s的值为输出，建立模糊控制器和等效消耗最小策略(Equivalent Consumption MinimizationStrategy,ECMS)瞬时优化控制算法，通过模糊控制器对ECMS瞬时优化控制算法中的等效因子进行动态调节。

2.根据权利要求1所述的并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，其特征在于，建立ECMS瞬时优化控制算法，具体包括以下步骤：

S101：根据最优控制理论，得到并联式混合动力汽车在一定行驶工况下的最小油耗：

subject to:T_{e_min}≤T_e≤T_{e_max} or T_e＝0

0≤T_em≤T_{em_max} (2)

n_e＝n_em

其中，

为发动机燃油消耗率，

为电机等效燃油消耗率，T_e为发动机工作转矩，T_em为电机工作转矩，n_e为发动机转速，n_em为电机转速，T_{e_min}为发动机最小工作转矩，T_{e_max}为发动机最大工作转矩，T_{em_max}为电机最大工作转矩，N为工况总时间，Δt为单位时间；

S102：当电机在电动机模式下工作时，混合动力系统的燃油消耗量由两部分组成，一是发动机直接消耗的燃油量，二是电动机消耗电能所对应的等效油耗，得到并联式混合动力汽车的瞬时等效油耗：

其中，η_dis为电池放电效率，η_m为电机工作效率，s_chg为充电等效因子；

当电机在发电机模式下工作时，除制动能量回收外，发动机消耗燃油带动发电机对电池进行充电，得到并联式混合动力汽车的瞬时等效油耗：

其中，η_cha为电池充电效率，s_dis为放电等效因子；

S103：当瞬时等效油耗最小时，得到最佳的发动机工作转矩T_{e_out_opt}和电机工作转矩T_{em_out_opt}。

3.根据权利要求2所述的并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，其特征在于，以电量SOC的偏差ΔSOC及其变化率ΔSOC'为输入，等效因子s的值为输出，建立模糊控制器，具体包括以下步骤：

S201：选择多种复杂工况，以等效油耗为目标函数，对等效因子进行离线遍历，计算出多种复杂工况下等效因子的公共有效区间；

S202：根据步骤S201的等效因子有效区间，建立模糊控制的隶属度函数，选取高斯型隶属度函数作为输入函数：

y＝gaussmf(x,[sig c]) (5)

其中，x指定变量论域范围，c决定了函数的中心点，sig决定了函数曲线的宽度σ；

选取三角型隶属度函数作为输出函数：

y＝trimf(x,[a b c]) (6)

其中，a、b和c指定三角形函数的形状；

输入ΔSOC的模糊子集为{SNB,SNS,SZO,SPS,SPB}，ΔSOC'的模糊子集为{dSNB,dSNS,dSZO,dSPS,dSPB}，输出等效因子s的模糊子集为{sNB,sNS,sZO,sPS,sPB}；其中，xNB、xNS、xZO、xPS、xPB分别表示语言变量{负大、负小、零、正小、正大}；

S203：根据步骤S202的隶属度函数，设计模糊规则，具体包括以下内容：

如果ΔSOC＝SPB，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SPS，那么s＝sNS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSPB，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSPS，那么s＝sNS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSZO，那么s＝sNB；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSNS，那么s＝sPS；

如果ΔSOC＝SZO，ΔSOC'＝dSNB，那么s＝sPB；

如果ΔSOC＝SNS，那么s＝sPS；

如果ΔSOC＝SNB，那么s＝sPB。

4.根据权利要求3所述的并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，其特征在于，步骤S201中，多种复杂工况包括：城市、郊区或高速。

5.根据权利要求2所述的并联式混合动力汽车模糊自适应能量管理控制方法，其特征在于，设计并联式混合动力汽车的工作模式，分别为混合驱动模式、发动机单独驱动模式、电机发电模式、电机单独驱动模式和再生制动模式；对这五种工作模式的判断如下：

1)当总需求转矩T_req大于发动机最优工作转矩T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于混合驱动模式；

2)当T_req＝T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于发动机单独驱动模式；

3)当T_{e_min}≤T_req＜T_{e_opt}时，并联式混合动力汽车处于电机发电模式；

4)当0＜T_req＜T_{e_min}时，并联式混合动力汽车处于电机单独驱动模式；

5)当T_req≤0时，并联式混合动力汽车处于再生制动模式。

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