CN112693365B - 一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统及其控制方法，包括四个冷却液回路，依次为发动机加热回路、发动机散热回路、动力电池加热回路、动力电池散热回路，发动机加热回路包括依次串联的发动机、第一电子节温器、第一电动水泵和第一温度传感器；发动机散热回路包括依次串联的发动机、第一电子节温器、换热器、第一散热器、第一电动水泵和第一温度传感器；动力电池加热回路包括依次串联的动力电池、第二电子节温器、换热器和第二电动水泵；动力电池散热回路包括动力电池、第二电子节温器、第二散热器、第二电动水泵和第二温度传感器。本发明，实现了动力电池和发动机的快速预热以及较为精确的温度控制，有效提高了整车的能量利用率。

Description

一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力汽车的整车热管理控制技术领域，具体涉及一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，气候环境形势日益严峻、化石能源日益短缺、排放法规日益严苛，发展新能源汽车成为主流趋势。纯电动汽车因其零排放的特点在新能源汽车发展中占据优势。由于电池技术的发展瓶颈，导致纯电动汽车出现里程焦虑和低环境适应性等问题，该问题在低温环境下更为严重。增程式电动汽车成为一种未来短期内比较有前景的解决方案。从汽车动力结构上分析，增程式电动汽车相当于在纯电动汽车的基础上，增加了由经过优化的点工况发动机和发电机组成的增程器。在动力电池电量不足时，增程器可以给动力电池提供能量，从而达到增加续驶里程的目的。
发动机和动力电池作为增程式电动汽车的两大动力源，其性能受温度的影响很大。发动机在低温状态下，内部摩擦较大，导致油耗上升，有害气体排放也会增加。发动机温度过高时，则会导致发动机的内部部件受到损害。动力电池组件的耐热能力有限，化学成分相对不稳定，过高、过低温度都会影响电池的性能、寿命、安全，甚至永久性损伤。尤其在低温工况下，动力电池充放电功率受限，导致电池容量严重缩水、充电时间增加甚至低温下无法充电。因此，将发动机和动力电池的温度控制在期望温度范围尤其重要。
发动机正常工作时通过冷却系统排出的废热将近气缸内部燃料燃烧热量的1/3，此时，可将其作为热源，将发动机的余热传递动力电池，对电池进行快速预热。与传统电动汽车以PTC或者热泵作为热源相比，可以大量节省动力电池的电量，同时重复利用了发动机的废热，提升了整车的能量利用率，有效缓解了电动汽车的里程焦虑问题和低环境适应性问题。然而，目前涉及增程式电动汽车动力系统耦合热管理方法的研究并不完善，存在以下问题：
1、结构复杂导致车内空间布置难度大、控制稳定性差。
多数研究中的混合动力汽车动力系统的耦合热管理系统中，不仅利用发动机的废热，还利用电动机、电机控制器、DCDC转换器等部件的废热对动力电池进行预热。实际上，电动机、电机控制器、DCDC转换器由于自身能效较高，产生的热功率较小，与发动机相比是微不足道的，对动力电池进行预热更是“杯水车薪”。另外，这样的系统设计还会导致多个部件的冷却系统进行耦合，涉及的零部件较多、结构复杂，导致冷却系统在车内空间布置难度上升、控制稳定性差。另外，系统成本也会上升。例如，中国实用新型专利CN 209683492 U公开了“一种插电式混合动力汽车热管理系统”，其将发动机、电机、动力电池的冷却系统进行耦合，使用了多个分流器、单向阀、节温器(三通阀)，导致系统结构复杂，车内空间布置难度上升。又如，中国发明专利申请CN 109795312 A公开了一种“一种插电式混合动力汽车的整车热管理系统”，其将电机控制器、充电机、驱动电机和动力电池的冷却系统进行耦合，导致系统结构复杂，另外，没有将发动机的冷却系统与动力电池进行耦合，导致发动机的废热通过其冷却系统排除，不能用以预热电池。
2、系统结构依然使用PTC或其他电加热部件预热动力电池，由于PTC等加热部件能效低，需要大量消耗动力电池的能量，减小续驶里程。例如：中国实用新型专利CN210760147 U和CN 209683492U在发动机与动力电池耦合热管理系统中，使用了PTC对动力电池进行预热。又如中国发明专利申请CN108995552A使用电子加热部件对动力电池进行预热。
3、控制策略简单、粗略，没有考虑寄生能耗，且不能实现对动力电池和发动机温度的精确控制。例如：中国发明专利申请CN 109795313 A公开了“一种插电式混合动力汽车热管理系统”，使用集成散热器将单独的冷却系统整合成一个整体，并给出了不同工况下系统中冷却液的期望流动状态，但是并没有给出明确、具体的控制方法；中国发明专利申请CN111231603 A公开了一种“基于混合动力汽车的整车热管理系统与方法”，设计了相关系统结构，并给出了不同工况下系统的的期望运行模式，但是并没有给出各执行器具体的控制策略；中国发明专利申请CN 109774443 A公开了“一种增程式电动汽车热管理系统及其控制方法”，但是控制方法不涉及具体的执行器控制策略，更没有考虑优化热管理系统的能耗问题。
4、控制策略在发动机冷启动时，不涉及对发动机效率工作点的调整以加速发动机的预热速度。例如：中国发明专利申请CN 108995552 A公开了“一种用于增程式车辆的热管理系统及增程式车辆”，但是其控制策略在发动机冷启动时，并没有对发动机效率工作点进行调整以增加发动机与冷却液热交换功率进而加快发动机的预热速度的考虑。
综上所述，目前需要设计一种新式的增程式电动汽车动力系统的耦合热控制系统方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有增程式电动汽车动力系统耦合热管理系统的性能及应用不完善的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统，包括四个冷却液回路，依次为发动机加热回路、发动机散热回路、动力电池加热回路、动力电池散热回路，所述发动机加热回路包括依次串联的发动机、第一电子节温器、第一电动水泵和第一温度传感器；所述发动机散热回路包括依次串联的所述发动机、所述第一电子节温器、换热器、第一散热器、所述第一电动水泵和所述第一温度传感器；所述动力电池加热回路包括依次串联的动力电池、第二电子节温器、所述换热器和第二电动水泵；所述动力电池散热回路包括所述动力电池、所述第二电子节温器、第二散热器、所述第二电动水泵和第二温度传感器。
在上述方案中，所述发动机的内部水套两端分别与所述第一电子节温器和所述第一温度温度传感器相接，所述第一电动水泵的入口和出口分别与所述第一电子节温器和所述第一温度传感器相接，所述换热器分别与所述第一电子节温器与所述第一散热器相接，所述第一散热器与所述第一电动水泵相接，所述动力电池的内部与所述第二温度传感器相接，所述动力电池的内部水套两端分别与所述第二电子节温器和所述第二电动水泵相接，所述换热器分别与所述第二电子节温器与所述第二电动水泵相接，所述第二电子节温器与所述第二散热器相接，所述第二散热器与所述第二电动水泵相接。
在上述方案中，还包括控制器，所述控制器的输入端口分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器相连，所述控制器的输出端口分别与所述发动机、所述第一电子节温器、所述第二电子节温器、所述第一电动水泵、所述第二电动水泵、所述第一散热器、所述第二散热器的子控制器相连，所述控制器12直接发送控制指令给相关执行器的所述子控制器，具体控制由所述子控制器完成。
在上述方案中，所述第一电动水泵控制所述发动机内部冷却液的流量，所述第一电子节温器的冷却液进行分流，直接控制所述发动机加热回路和所述发动机散热回路的冷却液流量，通过调节所述第一电动水泵的转速和所述第一电子节温器阀门开度对所述发动机内部冷却液流量、所述发动机加热回路的冷却液流量、所述发动机散热回路的冷却液流量进行控制，所述第一散热器对所述发动机的冷却液进行散热。
在上述方案中，所述第二电动水泵控制所述动力电池的冷却液流量，所述第二电子节温器对冷却液进行分流，直接控制所述动力电池加热回路和所述动力电池散热回路的冷却液流量，通过调节所述第一电动水泵的转速和所述第二电子节温器的阀门开度对所述发动机的内部冷却液流量、所述发动机加热回路的冷却液流量、所述发动机散热回路的冷却液流量进行控制。
在上述方案中，所述发动机散热回路与所述动力电池加热回路通过所述换热器进行连接，通过控制所述发动机散热回路的冷却液流量和所述动力电池加热回路的冷却液流量控制所述换热器的换热功率，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别对所述发动机的冷却液和所述动力电池的温度进行监测，所述控制器采集所述第一温度传感器和所述第二电子节温器的数据，经处理后得到合理的控制量，并分别发送给所述第一电子节温器、所述第一电动水泵、所述第一散热器、所述第二电子节温器、所述第二电动水泵、所述第二散热器的自控制器。
本发明还提供了一种增程式电动汽车动力耦合热控制方法，包括以下步骤：
步骤一、选取模糊控制输入变量和输出变量，并设计模糊器，
定义发动机冷却液和动力电池的温度作为控制器的状态反馈量，选取发动机冷却液和动力电池的温度期望温度之间的温度误差作为模糊输入变量，选取电子节温器的开度、电动水泵的转速、散热器集成风扇的转速作为模糊输出变量，挑选合适的隶属度函数对输出、输出变量进行模糊化，构成模糊器；
步骤二、基于模型分析与人为操作经验制定模糊规则库，
基于数学模型分析不同工况下耦合热管理系统的特点和控制需求，制定控制规则，结合输入、输出变量的模糊集合形成模糊规则库；
步骤三、设置推理机，
通过模糊化的输出变量和模糊规则库推理出模糊输出变量，推理机设置选择Mamdani推理；
步骤四、设置解模糊器，
对推理机输出的模糊输出变量进行处理，得到输出到执行器的实际控制量。
在上述方案中，所述模糊输入变量的选择中，直接将动力电池和发动机冷却液的温度直接作为模糊输入变量，对应的改变隶属度函数的定义域。
在上述方案中，所述模糊输入变量和模糊输出变量的模糊子集可选择多个，每个模糊子集的对应的隶属度函数形式选择单点形、三角形、梯形、Z形或高斯型。
在上述方案中，解模糊器设计可以选择总和中心解模糊方法。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、所设计的增程式电动汽车动力系统的耦合热管理结构，用到的零部件较少、结构简单、成本低，在车内空间布置更加灵活，控制稳定性强。
2、所述系统结构不依赖于PTC或其他电加热部件预热动力电池，通过控制策略的设计，可以在满足整车动力需求、动力电池保护需求的前提下，只使用发动机的废热对动力电池进行预热。
3、控制策略充分考虑热管理系统的寄生能耗问题，可以实现根据系统散热需求或者供热需求提供次优的电动水泵转速控制、散热器风扇风速控制、电子节温器控制，尽量降低系统的寄生能耗。
4、采用基于模糊的控制策略可以输出较为平滑的控制量，使得执行器控制更为平顺，延长部件的使用寿命。
5、所述控制策略可实现发动机和动力电池的快速预热以及较为精确的温度控制，通过选择合适的控制器参数可将温度稳态误差小于2℃。
6、控制策略在发动机冷启动时，通过对发动机效率工作点的调整可以加速发动机的预热速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制框图；
图3为本发明的输入变量e1隶属度函数；
图4为本发明的输入变量e2隶属度函数；
图5为本发明的输出变量Vp,en隶属度函数；
图6为本发明的输出变量Vp,bat隶属度函数；
图7为本发明的输出变量Hen隶属度函数；
图8为本发明的输出变量Hen隶属度函数；
图9为本发明的输出变量Vair,E隶属度函数；
图10为本发明的输出变量Vair,B隶属度函数；
图11为本发明的AMEsim耦合热管理模型仿真示意图；
图12为本发明的车速曲线图；
图13为本发明的发动机转速曲线图；
图14为本发明的电子节温器控制曲线图；
图15为本发明的电动水泵控制曲线图；
图16为本发明的散热器风扇风速的曲线图；
图17为本发明的发动机冷却液温度变化曲线图；
图18为本发明的电池温度变化曲线图；
图19为本发明的换热器功率变化曲线；
图20为本发明的热交换量变化曲线。
其中，图1中：1、发动机，2、第一电动水泵，3、第一散热器(集成风扇)，4、第一电子节温器，5、换热器，6、动力电池，7、第二电动水泵，8、第二电子节温器，9、第二散热器(集成风扇)，10、第一温度传感器，11、第二温度传感器，12、控制器，13、发动机加热回路，14、发动机散热回路，15、电池加热回路，16、电池散热回路，17、管路机械联接，18、控制器输入连接，19、控制器输出连接。
图2中：1、发动机状态，2、参考输入，3、模糊器1，4、规则库1(发动机开启)，5、推理机1，6、解模糊器2，7、模糊器2，8、规则库2(发动机开启)，9、推理机2，10、解模糊器2，11、耦合热管理系统，12、模糊控制器1，13、模糊控制器2。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做出详细的说明。
本发明公开了一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统及其控制方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。需要特别指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明，并且相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围的基础上对本文所述内容进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
在发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
如图1至图20所示，为进一步说明本发明的技术内容、构造特点，下面给出一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统及其控制方法的一个实施例，结合附图进行详细阐述。另外，为凸显本发明的有效性，进行了AMEsim与MATLAB\Simulink联合仿真试验，实验结果充分显示了所述控制策略的高性能。本发明保护范围不局限于以下所述。
在本实施例中，增程式电动汽车动力系统耦合热管理结构如图1所示，增程式电动汽车耦合热管理系统包括四个冷却液回路：发动机加热回路、发动机散热回路、动力电池加热回路、动力电池散热回路。其中，发动机加热回路包括发动机1、第一电子节温器4、第一电动水泵2、第一温度传感器10；发动机散热回路由发动机1、第一电子节温器4、换热器5、第一散热器3、第一电动水泵2、第一温度传感器10。动力电池加热回路包括动力电池6、第二电子节温器8、换热器5、第二电动水泵7；动力电池散热回路包括动力电池6、第二电子节温器8、第二散热器9、第二电动水泵7、第二温度传感器11。
进一步优选的，发动机内部水套一端与第一电子节温器4的A口相接，另一端与第一温度传感器10的出口相接；第一电子节温器4的B口与第一电动水泵2的入口相接；第一电动水泵2的出口与第一温度传感器10的入口相接；第一电子节温器4的C口与换热器5的A口相接；换热器5的B口与第一散热器3的入口相接，第一散热器3的出口与第一电动水泵2的入口相接；动力电池6的内部直接与第二温度传感器11相接；动力电池6的内部水套一端与第二电子节温器8的A口相接，一端与第二电动水泵7的出口相接；第二电子节温器11的B口与换热器5的D口相接；换热器5的C口与第二电动水泵7的入口相接；第二电子节温器8的C口与第二散热器9的入口相接；第二散热器9的出口与第二电动水泵7的入口相接。
第一电动水泵2直接控制发动机内部冷却液的流量；第一电子节温器4冷却液进行分流，直接控制发动机1加热回路和散热回路的冷却液流量。通过调节第一电动水泵2的转速和第一电子节温器4阀门开度可直接对发动机内部冷却液流量、发动机加热回路冷却液流量、发动机散热回路冷却液流量进行控制。第一散热器3对发动机冷却液进行散热，可通过调节其集成的散热风扇的风速和散热器内部冷却液流量调节散热功率。
第二电动水泵7控制动力电池冷却液的流量；第二电子节温器8对冷却液进行分流，直接控制动力电池6加热回路和散热回路的冷却液流量。通过调节第一电动水泵7的转速和第二电子节温器8阀门开度可直接对发动机内部冷却液流量、发动机加热回路冷却液流量、发动机散热回路冷却液流量进行控制。第二散热器9对动力电池冷却液进行散热，可通过调节其集成的散热风扇的风速和散热器内部冷却液流量调节散热功率。
发动机散热回路与动力电池加热回路通过换热器5进行连接，通过控制发动机散热回路冷却液流量和动力电池加热回路冷却液流量可以控制换热器的换热功率。第一温度传感器10和第二温度传感器11分别对发动机冷却液和动力电池的温度进行监测。控制器12采集温度传感器的数据，经内部控制策略处理后得到合理的控制量，分别发送给第一电子节温器4、第一电动水泵2、第一散热器3、第二电子节温器8、第二电动水泵7、第二散热器9的自控制器。
本发明，控制方法的设计包括以下7条控制规律：
(1)增程式电动汽车冷启动时，在动力电池未达到期望温度前，先使用增程器作为主要动力源，动力电池不输出电量。调整发动机的效率工作点至较低的效率工作点，使发动机产生更多的热量，减小发动机冷启动时间，当发动机温度接近期望温度时，调整发动机的效率工作点至较高的效率工作点，满足整车的动力需求。
(2)优先对主要动力源进行预热，当增程器开启且发动机冷却液期望温度未达到期望温度时，优先预热发动机。此时，控制第一电子节温器和第二电子节温器使发动机加热回路和动力电池加热回路为全开状态，发动机散热回路、动力电池散热回路为全关状态；考虑到冷却系统寄生能耗，第一电动水泵和第二电动水泵处于较低转速状态，维持冷却液的基本循环；第一散热器和第二散热器的风扇均处于关闭状态。另外，调整发动机的效率工作点至较低效率工作点，加速发动机升温。
(3)当增程器开启，发动机冷却液温度接近期望温度且动力电池温度未达到期望温度时，控制第一电子节温器和第二电子节温器使发动机散热回路和动力电池加热回路为全开状态，发动机加热回路和动力电池散热回路为全关状态。随着发动机冷却液温度的升高逐步增加第一电动水泵和第二电动水泵的转速，加大换热器的换热功率，直至发动机温度以较小的误差稳定于期望温度。当第一电动水泵和第二电动水泵转速最大，发动机温度高于期望温度且温度依然处于上升趋势时，逐步升高第一散热器的风扇转速，直至发动机温度以较小的误差稳定于期望温度。第二散热器风扇处于关闭状态。
(4)当增程器开启，发动机冷却液和动力电池均达到期望温度时，控制第一电子节温器和第二电子节温器使发动机散热回路和动力电池散热回路为全开状态，发动机加热回路和动力电池加热回路为全关状态。随着动力电池温度变化调整第二散热器的风速转速和第二电动水泵的转速，使动力电池温度以较小的误差稳定于期望温度。随着发动机冷却液温度变化调整第一散热器的风速转速和第一电动水泵的转速，使发动机冷却液以较小的误差稳定于期望温度。
(5)当增程器关闭，动力电池温度未达到期望温度时，控制第一电子节温器和第二电子节温器使发动机散热回路和动力电池加热回路为全开状态，发动机加热回路和动力电池散热回路为全关状态。控制第一电动水泵和第二电动水泵的转速为最高，即以换热器最大的换热功率为动力电池预热。随着换热过程的进行，换热器两侧冷却液温差较小时，逐步降低第一电动水泵和第二电动水泵的转速。当换热器两侧冷却液温差比较接近，关闭第一电动水泵。
(6)当增程器关闭，动力电池温度达到期望温度且发动机冷却液温度接近动力电池期望温度时，控制第一电子节温器和第二电子节温器使发动机散热回路和动力电池散热回路为全开状态，发动机加热回路和动力电池加热回路为全关状态。控制第一电动水泵和第一散热器风扇为关闭状态。另外，随着动力电池温度变化调整第二散热器的风速转速和第二电动水泵的转速，使动力电池温度以较小的误差稳定于期望温度。
(7)当增程器关闭，动力电池温度达到期望温度且发动机冷却液温度较低于动力电池期望温度时，控制第一电子节温器和第二电子节温器使发动机散热回路和动力电池加热回路为全开状态，发动机加热回路和动力电池散热回路为全关状态。调节第一电动水泵和第二电动水泵的转速，使动力电池温度以较小的误差稳定于期望温度。
基于上述控制原则，设计基于模糊控制的控制器步骤如下：
步骤一、选取模糊控制输入变量和输出变量，并设计模糊器。
定义发动机冷却液和动力电池的温度作为控制器的状态反馈量，选取发动机冷却液和动力电池的温度期望温度之间的温度误差作为模糊输入变量，选取电子节温器的开度、电动水泵的转速、散热器集成风扇的转速作为模糊输出变量。挑选合适的隶属度函数对输出、输出变量进行模糊化，构成模糊器。
所述模糊输入变量的选择中，也可直接将动力电池和发动机冷却液的温度直接作为模糊输入变量，对应的改变隶属度函数的定义域即可。
所述模糊输入变量和模糊输出变量的模糊子集可选择多个(2个以上)，每个模糊子集的对应的隶属度函数形式可选择单点形、三角形、梯形、Z形、高斯型，但不局限与这几种形式。
步骤二、基于模型分析与人为操作经验制定模糊规则库。
基于数学模型分析不同工况下耦合热管理系统的特点和控制需求，制定控制规则。结合输入、输出变量的模糊集合形成模糊规则库。其中，控制规则的设计为上述的7条控制规律。
步骤三、设置推理机。
设置推理机，通过模糊化的输出变量和模糊规则库推理出模糊输出变量。推理机设置可以选择Mamdani推理，但不局限与这一种。
步骤四、设置解模糊器。
设置解模糊器，对推理机输出的模糊输出变量进行处理，得到输出到执行器的实际控制量。解模糊器设计可以选择总和中心解模糊方法，但不局限于这一种。
基于本发明实施例的耦合热管理系统结构，设计相应的模糊控制器，控制框图如图2所示。本控制策略包括两个模糊控制器分别对应发动机开启状态和关闭状态的工况。两个模糊控制器具有相同的模糊器、推理机和解模糊器，只有模糊规则库的设计不同。控制器的具体控制方法如下：
步骤一、选取模糊控制输入变量和输出变量，并设计模糊器。
选取动力电池温度Tbat与期望温度
Figure BDA0002882161190000101
的误差e1发动机冷却液温度Ten,c与期望温度
Figure BDA0002882161190000102
的误差e2作为模糊输入变量。选取第一电子节温器的阀门开度H1、第一电动水泵的转速Vp,en、第一散热器的风扇风速VairE、第二电子节温器的阀门开度H2、第二电动水泵的转速Vp,bat、第二散热器的风扇风速VairB作为模糊输出变量。模糊输入变量和模糊输入变量的模糊子集设置、基本论域设置分别如图3～10所示。其中，输出变量U的基本论域均需归一化到区间[0,1]，如下所示
Figure BDA0002882161190000111
其中，
Figure BDA0002882161190000112
为控制对象实际所需的控制量，
Figure BDA0002882161190000113
分别表示
Figure BDA0002882161190000114
的最小值和最大值。
图3～10中，μ(X)表示变量X的隶属度函数；函数f1(x)、f2(x)、f3(x)的设置如下所示：
Figure BDA0002882161190000115
Figure BDA0002882161190000116
Figure BDA0002882161190000117
参数a、b、c、d、e、f、g的取值需要根据控制效果进行调整。
步骤二、基于模型分析与人为操作经验制定模糊规则库。
根据控制规则(1)-(7)，可制定模糊规则库，如表1-2所示。
表1模糊规则库-发动机开启
Figure BDA0002882161190000118
注：模糊规则库中，每一个表格有六个控制量，对应关系如下
Figure BDA0002882161190000119
表2模糊规则库-发动机关闭
Figure BDA0002882161190000121
注：模糊规则库中，每一个表格有六个控制量，对应关系与表1相同。
步骤三、设置推理机。
本实例采用Mamdani推理求取输出模糊变量的模糊关系。对于输出量U＝[u1,u2,u3,u4,u5,u6]，ui的总模糊关系求取如公式(7)所示。
Figure BDA0002882161190000122
其中，U算子为求和整合算子。
步骤四、设置解模糊器。
本实例采用总和重心解模糊方法。控制量ui,i∈[1,6]的解模糊表达式如下所示
Figure BDA0002882161190000123
其中，k为控制量ui论域中元素的个数，
Figure BDA0002882161190000124
为控制量ui论域中的第j个元素在输出模糊集合中的隶属度。此时，求取的控制量ui只是其论域中的精确值，需根据公式(2)求得模糊控制器的实际输出值U*。
以下通过实施例仿真试验验证本发明的有效性：
为了验证本发明所述增程式电动汽车动力系统耦合热管理策略的有效性，在AMEsim和MATLAB/Simulink联合仿真环境下设计了仿真试验，AMEsim中模型搭建如图11所示。仿真试验工况为-10℃下的NEDC工况。动力电池模块的相关参数设置如下：质量50Kg,容量9Kwh,比热容880J/(kg·℃)。控制器的参数设置如下表所示
表3控制器参数设置表
参数 值 参数 值
a 0.45 Max(V<sub>p,en</sub>) 2500
b 0.85 Max(V<sub>airE</sub>) 7.25
c 0.9 Max(H<sub>en</sub>) 1
d 0.7 Min(V<sub>p,bat</sub>) 0
e 0.9 Min(V<sub>airB</sub>) 0
f 0.5 Min(H<sub>bat</sub>) 0
g 5 Min(V<sub>p,en</sub>) 0
Max(V<sub>p,bat</sub>) 2500 Min(V<sub>airE</sub>) 0
Max(V<sub>airE</sub>) 4 Min(H<sub>en</sub>) 0
Max(H<sub>bat</sub>) 1
根据图12～18可知，在增程式电动汽车冷启动时，增程器最先启动为车辆提供主要动力，发动机和动力电池的加热回路均为全部开启状态，两个电动水泵的转速均很小以降低冷却系统的寄生能耗，发动机温度快速升高。64s时，发动机冷却液温度达到85℃，较接近期望温度90℃，此时，发动机散热回路随着发动机冷却液温度的上升渐渐打开，两个电动水泵的转速也逐渐升高，进而逐步加大换热器的换热功率，以快速为电池预热。230s时，电池温度达到22.5℃，比较接近期望温度25℃时，电池加热回路逐渐关闭，以减小换热器换热量，同时发动机散热器风扇渐渐开启，加大散热器散热功率，使发动机冷却液温度以较小的误差维持在期望温度附近。
270s，增程器关闭时，由于动力电池尚未达到期望温度，此时继续利用发动机的余热给动力电池加热，直至其达到期望温度。动力电池达到期望温度时，在增程器关闭状态，发动机电动水泵和散热器风扇均处于关闭状态，以为发动机进行保温。动力电池的风扇随着动力温度变化而调整转速，使动力电池温度以较小的误差维持在期望温度附近。另外，根据图19和图20可知，发动机作为热源给动力电池传递的热量高达0.7KW·h，大大节省了动力电池的电量，提高了整车的能量利用率。同时，动力电池可以在230秒内有-10℃快速预热到22.5℃，快速恢复性能。发动机冷却液和动力电池的温度控制比较精确，稳态温度误差最大不超过1.5℃。
综上所述，通过仿真实验的验证，本发明所述的增程式电动汽车动力系统的耦合热管理系统，结构简单、成本低且易于车内控制布局；控制方法可以使热管理系统在结构上摆脱传统电子加热部件的依赖，使动力电池的预热能量完全来自于发动机的废热，同时考虑了冷却系统的寄生能耗优化、发动机启动策略以及效率工作点调整优化，实现了动力电池和发动机的快速预热以及较为精确的温度控制，有效提高了整车的能量利用率，缓解了增程式电动汽车的里程焦虑问题和低环境适应性问题。
本发明，与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、所设计的增程式电动汽车动力系统的耦合热管理结构，用到的零部件较少、结构简单、成本低，在车内空间布置更加灵活，控制稳定性强。
2、所述系统结构不依赖于PTC或其他电加热部件预热动力电池，通过控制策略的设计，可以在满足整车动力需求、动力电池保护需求的前提下，只使用发动机的废热对动力电池进行预热。
3、控制策略充分考虑热管理系统的寄生能耗问题，可以实现根据系统散热需求或者供热需求提供次优的电动水泵转速控制、散热器风扇风速控制、电子节温器控制，尽量降低系统的寄生能耗。
4、采用基于模糊的控制策略可以输出较为平滑的控制量，使得执行器控制更为平顺，延长部件的使用寿命。
5、所述控制策略可实现发动机和动力电池的快速预热以及较为精确的温度控制，通过选择合适的控制器参数可将温度稳态误差小于2℃。
6、控制策略在发动机冷启动时，通过对发动机效率工作点的调整可以加速发动机的预热速度。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增程式电动汽车动力耦合热控制系统，其特征在于，包括四个冷却液回路，依次为发动机加热回路、发动机散热回路、动力电池加热回路、动力电池散热回路，所述发动机加热回路包括依次串联的发动机、第一电子节温器、第一电动水泵和第一温度传感器；所述发动机散热回路包括依次串联的所述发动机、所述第一电子节温器、换热器、第一散热器、所述第一电动水泵和所述第一温度传感器；所述动力电池加热回路包括依次串联的动力电池、第二电子节温器、所述换热器和第二电动水泵；所述动力电池散热回路包括所述动力电池、所述第二电子节温器、第二散热器、所述第二电动水泵和第二温度传感器，
其中，所属增程式电动汽车动力耦合热控制系统包括具有以下控制方法的控制单元：
步骤一、选取模糊控制输入变量和输出变量，并设计模糊器；
选取动力电池温度Tbat与期望温度
Figure FDA0003819815860000011
的误差e1发动机冷却液温度Ten,c与期望温度
Figure FDA0003819815860000012
的误差e2作为模糊输入变量，选取第一电子节温器的阀门开度H1、第一电动水泵的转速Vp,en、第一散热器的风扇风速VairE、第二电子节温器的阀门开度H2、第二电动水泵的转速Vp,bat、第二散热器的风扇风速VairB作为模糊输出变量，并设置对应的模糊输入变量和模糊输入变量的模糊子集设置、基本论域设置，其中，输出变量U的基本论域均需归一化到区间[0,1]，如下所示：
Figure FDA0003819815860000013
其中，
Figure FDA0003819815860000014
为控制对象实际所需的控制量，
Figure FDA0003819815860000015
分别表示
Figure FDA0003819815860000016
的最小值和最大值，
其中，对应的模糊输入变量和模糊输入变量的模糊子集设置、基本论域设置中，μ(X)表示变量X的隶属度函数；函数f1(x)、f2(x)、f3(x)的设置如下所示：
Figure FDA0003819815860000017
Figure FDA0003819815860000018
Figure FDA0003819815860000019
参数a、b、c、d、e、f、g的取值需要根据控制效果进行调整；
步骤二、基于模型分析与人为操作经验制定模糊规则库；
根据控制规则(1)-(7)，可制定模糊规则库，模糊规则库-发动机开启如下所示：
Figure FDA0003819815860000021
模糊规则库中，每一个表格有六个控制量，对应关系如下：
Figure FDA0003819815860000022
模糊规则库-发动机关闭如下：
Figure FDA0003819815860000023
模糊规则库中，每一个表格有六个控制量，对应关系与模糊规则库-发动机开启相同；
步骤三、设置推理机；
采用Mamdani推理求取输出模糊变量的模糊关系，对于输出量U＝[u1,u2,u3,u4,u5,u6]，ui的总模糊关系求取如下所示：
Figure FDA0003819815860000024
Figure FDA0003819815860000025
其中，U算子为求和整合算子；
步骤四、设置解模糊器；
采用总和重心解模糊方法，控制量ui,i∈[1,6]的解模糊表达式如下所示
Figure FDA0003819815860000031
其中，k为控制量ui论域中元素的个数，
Figure FDA0003819815860000032
为控制量ui论域中的第j个元素在输出模糊集合中的隶属度，此时，求取的控制量ui只是其论域中的精确值，需根据公式(2)求得模糊控制器的实际输出值U*。
2.如权利要求1所述的增程式电动汽车动力耦合热控制系统，其特征在于，所述发动机的内部水套两端分别与所述第一电子节温器和所述第一温度传感器相接，所述第一电动水泵的入口和出口分别与所述第一电子节温器和所述第一温度传感器相接，所述换热器分别与所述第一电子节温器与所述第一散热器相接，所述第一散热器与所述第一电动水泵相接，所述动力电池的内部与所述第二温度传感器相接，所述动力电池的内部水套两端分别与所述第二电子节温器和所述第二电动水泵相接，所述换热器分别与所述第二电子节温器与所述第二电动水泵相接，所述第二电子节温器与所述第二散热器相接，所述第二散热器与所述第二电动水泵相接。
3.如权利要求1所述的增程式电动汽车动力耦合热控制系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器的输入端口分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器相连，所述控制器的输出端口分别与所述发动机、所述第一电子节温器、所述第二电子节温器、所述第一电动水泵、所述第二电动水泵、所述第一散热器、所述第二散热器的子控制器相连，所述控制器（ 12） 直接发送控制指令给相关执行器的所述子控制器，具体控制由所述子控制器完成。
4.如权利要求1所述的增程式电动汽车动力耦合热控制系统，其特征在于，所述第一电动水泵控制所述发动机内部冷却液的流量，所述第一电子节温器的冷却液进行分流，直接控制所述发动机加热回路和所述发动机散热回路的冷却液流量，通过调节所述第一电动水泵的转速和所述第一电子节温器阀门开度对所述发动机内部冷却液流量、所述发动机加热回路的冷却液流量、所述发动机散热回路的冷却液流量进行控制，所述第一散热器对所述发动机的冷却液进行散热。
5.如权利要求1所述的增程式电动汽车动力耦合热控制系统，其特征在于，所述第二电动水泵控制所述动力电池的冷却液流量，所述第二电子节温器对冷却液进行分流，直接控制所述动力电池加热回路和所述动力电池散热回路的冷却液流量，通过调节所述第二电动水泵的转速和所述第二电子节温器的阀门开度对所述动力电池的内部冷却液流量、所述动力电池加热回路的冷却液流量、所述动力电池散热回路的冷却液流量进行控制。
6.如权利要求3所述的增程式电动汽车动力耦合热控制系统，其特征在于，所述发动机散热回路与所述动力电池加热回路通过所述换热器进行连接，通过控制所述发动机散热回路的冷却液流量和所述动力电池加热回路的冷却液流量控制所述换热器的换热功率，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别对所述发动机的冷却液和所述动力电池的温度进行监测，所述控制器采集所述第一温度传感器和所述第二电子节温器的数据，经处理后得到合理的控制量，并分别发送给所述第一电子节温器、所述第一电动水泵、所述第一散热器、所述第二电子节温器、所述第二电动水泵、所述第二散热器的自控制器。
7.一种增程式电动汽车动力耦合热控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选取模糊控制输入变量和输出变量，并设计模糊器；
选取动力电池温度Tbat与期望温度
Figure FDA0003819815860000041
的误差e1发动机冷却液温度Ten,c与期望温度
Figure FDA0003819815860000042
的误差e2作为模糊输入变量，选取第一电子节温器的阀门开度H1、第一电动水泵的转速Vp,en、第一散热器的风扇风速VairE、第二电子节温器的阀门开度H2、第二电动水泵的转速Vp,bat、第二散热器的风扇风速VairB作为模糊输出变量，并设置对应的模糊输入变量和模糊输入变量的模糊子集设置、基本论域设置，其中，输出变量U的基本论域均需归一化到区间[0,1]，如下所示：
Figure FDA0003819815860000043
其中，
Figure FDA0003819815860000044
为控制对象实际所需的控制量，
Figure FDA0003819815860000045
分别表示
Figure FDA0003819815860000046
的最小值和最大值，
其中，对应的模糊输入变量和模糊输入变量的模糊子集设置、基本论域设置中，μ(X)表示变量X的隶属度函数；函数f1(x)、f2(x)、f3(x)的设置如下所示：
Figure FDA0003819815860000047
Figure FDA0003819815860000048
Figure FDA0003819815860000051
参数a、b、c、d、e、f、g的取值需要根据控制效果进行调整；
步骤二、基于模型分析与人为操作经验制定模糊规则库；
根据控制规则(1)-(7)，可制定模糊规则库，模糊规则库-发动机开启如下所示：
Figure FDA0003819815860000052
模糊规则库中，每一个表格有六个控制量，对应关系如下：
Figure FDA0003819815860000053
模糊规则库-发动机关闭如下：
Figure FDA0003819815860000054
模糊规则库中，每一个表格有六个控制量，对应关系与模糊规则库-发动机开启相同；
步骤三、设置推理机；
采用Mamdani推理求取输出模糊变量的模糊关系，对于输出量U＝[u1,u2,u3,u4,u5,u6]，ui的总模糊关系求取如下所示：
Figure FDA0003819815860000061
Figure FDA0003819815860000062
其中，U算子为求和整合算子；
步骤四、设置解模糊器；
采用总和重心解模糊方法，控制量ui,i∈[1,6]的解模糊表达式如下所示
Figure FDA0003819815860000063
其中，k为控制量ui论域中元素的个数，
Figure FDA0003819815860000064
为控制量ui论域中的第j个元素在输出模糊集合中的隶属度，此时，求取的控制量ui只是其论域中的精确值，需根据公式(2)求得模糊控制器的实际输出值U*。
8.如权利要求7所述的增程式电动汽车动力耦合热控制方法，其特征在于，所述模糊输入变量的选择中，直接将动力电池和发动机冷却液的温度直接作为模糊输入变量，对应的改变隶属度函数的定义域。
9.如权利要求7所述的增程式电动汽车动力耦合热控制方法，其特征在于，所述模糊输入变量和模糊输出变量的模糊子集可选择多个，每个模糊子集的对应的隶属度函数形式选择单点形、三角形、梯形、Z形或高斯型。
10.如权利要求7所述的增程式电动汽车动力耦合热控制方法，其特征在于，解模糊器设计可以选择总和中心解模糊方法。
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