CN113247002B - 一种基于时间最优的车速控制方法及系统 - Google Patents

一种基于时间最优的车速控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于时间最优的车速控制方法及系统，方法包括如下步骤：设定初始车速，计算需求电流；根据需求电流最终实现SOC的更新；对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离；根据SOC和温度查表得到允许的最大电流，根据允许的最大电流和需求电流的大小关系的判断结果，确定是否重新解算需求电流；当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时，重新执行上述步骤，以初始车速减少一固定步长后进行迭代循环，直至满足预设条件，得到初始车速和最优规划时间。本发明针对出行距离和出行工况，通过调节初始车速规划最优时间的方法，能够达到最短时间到达目的地的效果，避免因动力电池限功引起的出行时间过长，甚至无法行车问题的发生。

Description

一种基于时间最优的车速控制方法及系统
技术领域
本发明涉及纯电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种基于时间最优的车速控制方法及系统。
背景技术
锂离子动力电池以其优异的性能，已成为电动汽车的主要能量来源。但锂离子电池对工作温度要求较高，为了延长锂离子电池的寿命和确保其安全可靠工作，针对电池的当前温度和电量，需要电池管理系统对其充放电电流进行管理，以确保电池运行安全。
锂离子电池内部生产的热量包括反应热、焦耳热、极化热和副反应热四种。当电池正常工作时，温度范围为20～60℃，此时，锂离子电池的产生的热量主要有焦耳热和极化热，是由电池的欧姆内阻和极化内阻造成的。
目前，市场上经济型电动车动力电池大多采用自然冷却方式，以降低整车成本。在夏季高速运行时，往往因为车速快，放电功率大，导致车辆限速，甚至无法行车，对客户出行造成较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过规划初始车型寻找时间最优到达目的地的方法及系统，可有效减少到达目的地的时间，并规避了因电池温度过高导致的限速甚至停车。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种基于时间最优的车速控制方法，包括如下步骤：
S1.设定初始车速u，根据初始车速u和高压附电解算需求电流；
S2.根据需求电流、电池发热量以及电池包的散热量求取电池温升，进而根据求取的温升更新电池温度，采用安时积分法更新电池电量SOC；
S3.对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离；
S4.根据SOC和温度查表得到允许的最大电流，若允许的最大电流小于需求电流，则车速减少一固定步长△u，并重新解算需求电流，进一步执行步骤S5；
否则直接跳转步骤S5；
S5.当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时ti，若ti-1>ti，则跳转步骤S1，以减少一固定步长△u后的车速作为初始车速u迭代循环，直至ti-1<ti，迭代结束，得到初始车速u＝u-(i-2)△u和最优规划时间ti-1。
根据一种优选实施方式，步骤S1之前还包括：输入已知参数，所述已知参数包括电池参数、整车参数以及预设行车距离。
根据一种优选实施方式，所述电池参数包括：初始温度、初始电量、额定容量、电池的比热容、单体电池的质量、电池包的串并数、电池包的长度、空气的运动粘度系数、空气密度、空气流速、焦耳内阻表、极化内阻表以及SOP表；
所述整车参数包括：整车质量、风阻系数、迎风面积以及机械传递效率。
根据一种优选实施方式，步骤S1中根据初始车速u和高压附电解算需求电流具体包括：
S11.根据初始车速u求取滚动阻力系数F，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000031
S12.根据初始车速u和汽车动力学方程解算需求的功率P，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000032
上式中，ηg为机械传递效率，m为整车质量，Cd为风阻系数，A为迎风面积，α为坡度；
S13.根据功率P解算初始车速的需求电流I，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000033
上式中，V为电池额定电压，ηi为电机系统效率，Pf为附电功率。
根据一种优选实施方式，步骤S2中的电池发热量采用如下方式算得：根据当前时刻的SOC和温度查表，获得当前时刻的焦耳内阻和极化内阻；根据焦耳内阻、极化内阻和需求电流I求取电池发热量Q，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000041
上式中，p为电池的并数，s为电池的串数，RC为单体极化内阻，RO为单体焦耳内阻。
根据一种优选实施方式，步骤S2中采用二维线性插值的方式求取表格中间点，以此获得当前时刻的焦耳内阻和极化内阻。
根据一种优选实施方式，步骤S2中的电池的散热量根据雷诺系数、努塞尔系数以及导热系数算得，其中：雷诺系数Re根据如下公式算得：
Figure BDA0003131779270000042
上式中，ρ为空气密度，U为电池包表面空气流速，l为电池包长度，η为空气的运动粘度系数；
努塞尔系数Nu根据如下公式算得：
Figure BDA0003131779270000043
上式中，Pr为普朗特数；
导热系数h根据如下公式算得：
Figure BDA0003131779270000044
上式中，λ为电池包材质的导热系数；
电池的散热量φ根据如下公式算得：
φ＝A1hΔT
上式中，A1为电池与电池包的接触面积，△T为电池包的平均温差。
根据一种优选实施方式，△T为当前时刻和前一时刻电池包的平均温差。
根据一种优选实施方式，步骤S2中的温升采用如下方式算得：根据电池的发热量Q和散热量φ求取电池的吸热量，公式表示为：
φ‘＝Q-φ
根据工程热力学中比热容的定义可得电池的温升为：
Figure BDA0003131779270000051
上式中，dT/dt为单位时间的温升，M为单体电池质量，Cp为电池的比热容。
本发明还提供一种基于时间最优的车速控制系统，应用到如上述所述的方法，包括：
初始车速设置单元，用以设定初始车速u，根据初始车速u和高压附电解算需求电流；
SOC更新单元，用以根据需求电流、电池发热量以及电池包的散热量求取电池温升，进而根据求取的温升更新电池温度，采用安时积分法更新电池电量SOC；
行车距离更新单元，用以对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离；
电流大小判断单元，其包括判断模块和重计算模块，其中，所述判断模块用以判断允许的最大电流与需求电流的大小，所述允许的最大电流根据SOC和温度查表得到，所述重计算模块用以在允许的最大电流小于需求电流时，使车速减少一固定步长△u，并重新解算需求电流；
计时单元，用以当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时ti；
迭代循环单元，与初始车速设置单元以及计时单元连接，用于以减少一固定步长△u后的车速作为初始车速u迭代循环，直至ti-1<ti，迭代结束，得到初始车速u＝u-(i-2)△u和最优规划时间ti-1。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明基于汽车动力学方程和锂离子电池发热原理，针对出行距离和出行工况，通过调节初始车速规划最优时间的方法，能够达到最短时间到达目的地的效果，避免因动力电池限功引起的出行时间过长，甚至无法行车问题的发生。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于时间最优的车速控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1提供的基于时间最优的车速控制方法的整体流程图；
图3为本发明实施例1提供的基于时间最优的车速控制系统的结构框图；
图4为本发明实施例1提供的初始车速110km/h的放电曲线仿真图；
图5为本发明实施例1提供的初始车速100km/h的放电曲线仿真图；
图6为本发明实施例1提供的初始车速90km/h的放电曲线仿真图；
图7为本发明实施例1提供的初始车速80km/h的放电曲线仿真图；
图8为本发明实施例1提供的初始车速70km/h的放电曲线仿真图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
参阅图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的基于时间最优的车速控制方法的流程示意图。图2为本发明实施例提供的基于时间最优的车速控制方法的整体流程图。
经申请人研究发现，目前，市场上经济型电动车动力电池大多采用自然冷却方式，以降低整车成本。在夏季高速运行时，往往因为车速快，放电功率大，导致车辆限速，甚至无法行车，对客户出行造成较大影响。所以，实施例提供一种通过规划初始车型寻找时间最优到达目的地的方法及系统，其可有效减少到达目的地的时间，并规避了因电池温度过高导致的限速甚至停车的问题产生。其中，关于该方法的方案如下所述：一种基于时间最优的车速控制方法，包括如下步骤：
以某电动车为控制对象，输入参数如下：
电池的初始温度：35℃；
初始电量：90％；
动力电池额定容量：150Ah；
电池的比热容：4.5668J/kg.K；
单体电池的质量：270g；
电池包的串并数：3P36S；
电池包的长度：2335mm；
空气的运动粘度系数：18.488×10-6Pa.S；
空气密度：1.169kg/m3；
空气流速：2m/S；
整车质量：860kg；
风阻系数：0.33；
迎风面积：2.11m2；
机械传递效率：0.96；以及
电机系统平均效率：0.9；
还包括：电量-温度-焦耳内阻表：表1；
电量-温度-极化内阻表：表2；
电量-温度-放电电流表：表3；
SOC\T 55 25 0
0.9 2.490 4.053 11.953
0.8 2.329 4.539 11.948
0.7 2.541 4.122 12.064
0.6 2.280 4.594 12.204
0.5 2.528 4.053 12.347
0.4 2.324 4.746 12.489
0.3 2.535 3.857 12.625
0.2 2.284 4.886 12.678
0.1 2.568 5.610 12.685
表1.SOC-T-焦耳内阻表
T\SOC 55 25 0
0.9 0.85 1.623 2.862
0.8 0.989 1.745 2.835
0.7 1.07 1.828 2.970
0.6 0.78 1.589 3.098
0.5 0.971 1.786 3.170
0.4 1.208 1.963 3.276
0.3 1.183 2.115 3.476
0.2 1.295 2.027 3.870
0.1 2.994 4.709 8.677
表2.SOC-T-焦耳内阻表
T\3OC 0 10％ 20％ 30％ 40％ 50％ 60％ 70％ 80％ 90％ 100％
40 0 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
45 0 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
50 0 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75
55 0 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
60 0 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35
表3.SOC-T-放电电流表
进一步的，在输入已知参数后，执行步骤S1，步骤S1具体包括：设定初始车速u，根据初始车速u和高压附电解算需求电流。需要说明的是，本发明实施例描述的工况在车速改变前均为匀速，所以在匀工况初始车速＝当前车速。其中，在本实施例的一种实施方式中，步骤S1中根据初始车速u和高压附电解算需求电流具体包括：
S11.根据初始车速u求取滚动阻力系数F，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000101
S12.根据初始车速u和汽车动力学方程解算需求的功率P，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000111
上式中，ηg为机械传递效率，m为整车质量，Cd为风阻系数，A为迎风面积，α为坡度。
S13.根据功率P解算初始车速的需求电流I，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000112
上式中，V为电池额定电压，ηi为电机系统效率，Pf为附电功率，需要说明的是，此处的附电功率根据压缩机功率或PTC功率确定。
在获取到需求电流I之后，进一步执行步骤S2，在本发明实施例的一种实施方式中，步骤S2具体包括：根据需求电流、电池发热量以及电池包的散热量求取电池温升，进而根据求取的温升更新电池温度，采用安时积分法更新电池电量SOC。
其中，步骤S2中的电池发热量采用如下方式算得：根据当前时刻的SOC和温度查表，采用二维线性插值的方式求取表格中间点，以此获得当前时刻的焦耳内阻和极化内阻。进一步的，根据焦耳内阻、极化内阻和需求电流I求取电池发热量Q，公式表示为：
Figure BDA0003131779270000113
上式中，p为电池的并数，s为电池的串数，RC为单体极化内阻，RO为单体焦耳内阻。
在本发明实施例的一种实施方式中，步骤S2中的电池的散热量根据雷诺系数、努塞尔系数以及导热系数算得，其中：雷诺系数Re根据如下公式算得：
Figure BDA0003131779270000121
上式中，ρ为空气密度，U为电池包表面空气流速，l为电池包长度，η为空气的运动粘度系数。
由于整车静止在地面充电，因此努塞尔系数按层流方式计算，具体的，努塞尔系数Nu根据如下公式算得：
Figure BDA0003131779270000122
上式中，Pr为普朗特数，在一般空气条件下，其值取0.7。
导热系数h根据如下公式算得：
Figure BDA0003131779270000123
上式中，λ为电池包材质的导热系数，在本实施例的一种实施方式中，电池包为铝制，所以λ取237W/mK。
电池的散热量φ根据如下公式算得：
φ＝A1hΔT
上式中，A1为电池与电池包的接触面积，由于车辆静止充电，电池包表面的空气会被电池加热，因此在本实施例中，△T为当前时刻和前一时刻电池包的平均温差。
进一步的，根据电池的发热量Q和散热量φ求取电池的吸热量，公式表示为：
φ‘＝Q-φ
根据工程热力学中比热容的定义可得电池的温升为：
Figure BDA0003131779270000131
上式中，dT/dt为单位时间的温升，M为单体电池质量，Cp为电池的比热容。
在步骤S2采用安时积分法更新电池电量SOC后，进一步执行步骤S3，在本发明实施例的一种实施方式中，步骤S3具体包括：对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离。
进一步的，执行步骤S4，在本发明实施例的一种实施方式中，步骤S4具体包括：根据SOC和温度查取SOP表，确定允许的最大电流，若允许的最大电流小于需求电流，则车速减少一固定步长△u，即初始速度u-△u，并重新解算需求电流，重新解算的公式为：
Figure BDA0003131779270000132
进一步执行步骤S5；
否则直接跳转步骤S5。
具体的，在一种实施方式中，步骤S5具体包括：当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时t1，跳转步骤S1，以减少一固定步长△u后的车速作为初始车速u迭代循环，即初始速度u-△u；
当行车距离再次大于预设行车距离时，记录总耗时t2，若t2＜t1，则再次回到步骤S1，使初始速度u减少一固定步长△u，即初始速度u-2△u，以此类推，直至总耗时ti-1＜ti，迭代结束。得到初始车速u＝u-(i-2)△u和最优规划时间ti-1。
以下以110km/h作为初始车速，以10为固定步长等差递减；设定出行距离为100km，初始电量为90％，全程未开启空调系统进行仿真为例，对本发明实施例所提供的方法进行仿真模拟，仿真结果见图3至图5以及下表：
序号 结束SOC 初始车速 行车耗时
1 33.13％ 110km/h 1.5242h
2 31.73％ 100km/h 1.5144h
3 29.06％ 90km/h 1.5032h
4 21.9％ 80km/h 1.4859h
5 5.125％ 70km/h 1.5109h
表4.行车耗时表
图4为本发明实施例提供的初始车速110km/h的放电曲线仿真图；图5为本发明实施例提供的初始车速100km/h的放电曲线仿真图；图6为本发明实施例提供的初始车速90km/h的放电曲线仿真图；图7为本发明实施例提供的初始车速80km/h的放电曲线仿真图；图8为本发明实施例提供的初始车速70km/h的放电曲线仿真图。根据上述仿真结果可知，当初始车速为80km/h时，针对100km距离出行时间最优，较传统方法(初始车速110km/h)，缩短了0.0383h，随着出行距离的增加优势将更加明显。
参阅图3所示，图3为本发明实施例提供的基于时间最优的车速控制系统的结构框图。
在本发明实施例中，还提供一种基于时间最优的车速控制系统，应用到如上述所述的方法，包括：初始车速设置单元，用以设定初始车速u，根据初始车速u和高压附电解算需求电流；SOC更新单元，用以根据需求电流、电池发热量以及电池包的散热量求取电池温升，进而根据求取的温升更新电池温度，采用安时积分法更新电池电量SOC；行车距离更新单元，用以对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离；电流大小判断单元，其包括判断模块和重计算模块，其中，所述判断模块用以判断允许的最大电流与需求电流的大小，所述允许的最大电流根据SOC和温度查表得到，所述重计算模块用以在允许的最大电流小于需求电流时，使车速减少一固定步长△u，并重新解算需求电流；计时单元，用以当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时ti；迭代循环单元，与初始车速设置单元以及计时单元连接，用于以减少一固定步长△u后的车速作为初始车速u迭代循环，直至ti-1<ti，迭代结束，得到初始车速u＝u-(i-2)△u和最优规划时间ti-1。
需要说明的是，本发明实施例上述所提供的车速控制方法及系统基于汽车动力学方程和锂离子电池发热原理，针对出行距离和出行工况，通过调节初始车速规划最优时间，能够达到最短时间到达目的地的效果，避免因动力电池限功引起的出行时间过长，甚至无法行车问题的发生。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.设定初始车速u，根据初始车速u和高压附电解算需求电流；
S2.根据需求电流、电池发热量以及电池包的散热量求取电池温升，进而根据求取的温升更新电池温度，采用安时积分法更新电池电量SOC；
S3.对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离；
S4.根据SOC和温度查表得到允许的最大电流，若允许的最大电流小于需求电流，则车速减少一固定步长△u，并重新解算需求电流，进一步执行步骤S5；
否则直接跳转步骤S5；
S5.当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时ti，若ti-1>ti，则跳转步骤S1，以减少一固定步长△u后的车速作为初始车速u迭代循环，直至ti-1<ti，迭代结束，得到初始车速u＝u-(i-2)△u和最优规划时间ti-1。
2.如权利要求1所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：输入已知参数，所述已知参数包括电池参数、整车参数以及预设行车距离。
3.如权利要求2所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，所述电池参数包括：初始温度、初始电量、额定容量、电池的比热容、单体电池的质量、电池包的串并数、电池包的长度、空气的运动粘度系数、空气密度、空气流速、焦耳内阻表、极化内阻表以及SOP表，所述SOP表指电量-温度-充电电流表；
所述整车参数包括：整车质量、风阻系数、迎风面积以及机械传递效率。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，步骤S1中根据初始车速u和高压附电解算需求电流具体包括：
S11.根据初始车速u求取滚动阻力系数F，公式表示为：
Figure FDA0003501388760000021
S12.根据初始车速u和汽车动力学方程解算需求的功率P，公式表示为：
Figure FDA0003501388760000022
上式中，ηg为机械传递效率，m为整车质量，Cd为风阻系数，A为迎风面积，α为坡度；
S13.根据功率P解算初始车速的需求电流I，公式表示为：
Figure FDA0003501388760000023
上式中，V为电池额定电压，ηi为电机系统效率，Pf为附电功率。
5.如权利要求4所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，步骤S2中的电池发热量采用如下方式算得：根据当前时刻的SOC和温度查表，获得当前时刻的焦耳内阻和极化内阻；
根据焦耳内阻、极化内阻和需求电流I求取电池发热量Q，公式表示为：
Figure FDA0003501388760000031
上式中，p为电池的并数，s为电池的串数，RC为单体极化内阻，RO为单体焦耳内阻。
6.如权利要求5所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，步骤S2中采用二维线性插值的方式求取表格中间点，以此获得当前时刻的焦耳内阻和极化内阻。
7.如权利要求6所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，步骤S2中的电池的散热量根据雷诺系数、努塞尔系数以及导热系数算得，其中：雷诺系数Re根据如下公式算得：
Figure FDA0003501388760000032
上式中，ρ为空气密度，U为电池包表面空气流速，l为电池包长度，η为空气的运动粘度系数；
努塞尔系数Nu根据如下公式算得：
Figure FDA0003501388760000033
上式中，Pr为普朗特数；
导热系数h根据如下公式算得：
Figure FDA0003501388760000034
上式中，λ为电池包材质的导热系数；
电池的散热量φ根据如下公式算得：
φ＝A1hAT
上式中，A1为电池与电池包的接触面积，△T为电池包的平均温差。
8.如权利要求7所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，△T为当前时刻和前一时刻电池包的平均温差。
9.如权利要求8所述的基于时间最优的车速控制方法，其特征在于，步骤S2中的温升采用如下方式算得：根据电池的发热量Q和散热量φ求取电池的吸热量，公式表示为：
φ′＝Q-φ
根据工程热力学中比热容的定义可得电池的温升为：
Figure FDA0003501388760000041
上式中，dT/dt为单位时间的温升，M为单体电池质量，Cp为电池的比热容。
10.一种基于时间最优的车速控制系统，应用到如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，包括：
初始车速设置单元，用以设定初始车速u，根据初始车速u和高压附电解算需求电流；
SOC更新单元，用以根据需求电流、电池发热量以及电池包的散热量求取电池温升，进而根据求取的温升更新电池温度，采用安时积分法更新电池电量SOC；
行车距离更新单元，用以对车速积分，根据车速积分求取并更新行车距离；
电流大小判断单元，其包括判断模块和重计算模块，其中，所述判断模块用以判断允许的最大电流与需求电流的大小，所述允许的最大电流根据SOC和温度查表得到，所述重计算模块用以在允许的最大电流小于需求电流时，使车速减少一固定步长△u，并重新解算需求电流；
计时单元，用以当行车距离大于预设行车距离时，记录总耗时ti；
迭代循环单元，与初始车速设置单元以及计时单元连接，用于以减少一固定步长△u后的车速作为初始车速u迭代循环，直至ti-1<ti，迭代结束，得到初始车速u＝u-(i-2)△u和最优规划时间ti-1。
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