CN114228696B - 一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，属于混动力汽车能量管理技术领域，包括以下步骤：S1、根据智能网联系统获取车辆行驶里程信息，规划电池的SOC参考曲线；S2、将等效因子作为控制变量，利用PI控制器对等效因子进行控制，保证电池SOC能够跟随S2中规划的SOC参考曲线；S3、建立综合考虑制冷系统耗能的车辆能量消耗动态模型，建立目标函数和约束条件，采用等效燃油消耗最小化控制方法依据SOC参考曲线进行在线实时优化。本发明通过目标函数优化控制，实现电池能耗与整车油耗的综合控制，采用等效燃油消耗最小化控制方法求解瞬时最佳工作点，实现车辆运行过程中的实时控制。

Description

一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法

技术领域

本发明涉及混动力汽车能量管理技术领域，尤其是一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法。

背景技术

冷链物流混动车是一种由电池、电机和内燃机组合提供动力的车辆，是将食品通过冷藏或冷冻的方式从原产地运输到用户的关键交通工具，如何通过合理的能量管理控制方法，对多动力源的工作进行协调以实现整车性能最优是当前混动物流车控制的重点和难点。目前混动物流车的能量管理策略主要包括基于规则的控制策略、基于全局优化的控制策略和基于瞬时优化的控制策略。基于全局优化的控制策略是可以最优地求解混合动力物流车的动力分配问题，但该优化控制方法计算量较大，且需要已知行驶工况，实时性差。基于规则的控制策略实时性较好但依赖于经验，导致该控制方法自适应性差。而基于瞬时优化的等效燃油消耗最小化控制策略可实现实时求解，并且可通过对其参数的调整达到接近全局最优解的目标。

同时制冷系统的能量消耗对运输成本影响巨大，良好的能量管理策略设计是使制冷机和发动机保持高性能运转，减少能耗，节约成本的关键。因此，设计考虑冷链物流车制冷系统耗能的能量管理控制方法具有重要意义，符合当前冷链物流领域的迫切需求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，建立制冷系统耗电模型，通过目标函数优化控制，实现电池能耗与整车油耗的综合控制，采用等效燃油消耗最小化控制方法求解瞬时最佳工作点，实现车辆运行过程中的实时控制。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，包括以下步骤：

S1、根据智能网联系统获取车辆行驶里程信息，规划电池的SOC参考曲线；

S2、将等效因子作为控制变量，利用PI控制器对等效因子进行控制，保证电池SOC能够跟随S2中规划的SOC参考曲线；

S3、建立综合考虑制冷系统耗能的车辆能量消耗动态模型，建立目标函数和约束条件，采用等效燃油消耗最小化控制方法依据SOC参考曲线进行在线实时优化。

本发明技术方案的进一步改进在于：S1中，SOC数值随着行程的推进呈线性下降，SOC参考曲线如下：

式中，SOC_ref为车辆当前时刻的参考SOC；SOC₀是电池SOC的初始值；L为行驶路线的总里程；L_t为当前行驶的里程；SOC_f为设置的SOC终值。

本发明技术方案的进一步改进在于：S2中，等效因子λ为：

式中，KP和KI是PI控制器的参数，SOC(t)为当前时刻SOC值。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中，目标函数J为：

式中，为发动机燃油消耗率，/>为电机消耗的等效燃油消耗率,/>为冷链物流车在保持车内温度时所消耗的等效燃油消耗率；x(t)为状态变量，u(t)为控制变量，此处为电池功率；T为当前时刻车内温度；ε为制冷系统运行状态，若处于关闭状态则为0，运行状态则为1。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述等效燃油消耗最小化控制方法中，电机消耗的等效燃油消耗率为：

冷链物流车在保持车内温度时所消耗的等效燃油消耗率为：

上述各式中，P_m和P_air分别为电机功率和冷风机功率，Q_l为燃油的平均低热值，s为电能和燃油之间转换的等效因子为价格比例系数。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中，所述车辆能量消耗动态模型包括燃油消耗能量模型、电池消耗能量模型和制冷系统损失能量模型。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述燃油消耗能量模型中，发送机功率P_e为：

P_e＝P_d-P_m+P_air

式中，P_d为车辆驱动所需功率，P_m为电机功率，P_air为冷风机功率。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电池消耗能量模型中，电池动态方程为：

式中，V_OC为电池的开路电压，P_b为电池功率，R_b为电池的等效内阻，Q_b为电池额定容量。

本发明技术方案的进一步改进在于：

SOC参考曲线约束条件为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

P_bmin+ε*P_air≤P_b(t)≤P_bmax-ε*P_air

P_mmin≤P_m(t)≤P_mmax

式中，SOC(t)为当前时刻的SOC值，P_b(t)为当前时刻的电池功率，P_m(t)为当前时刻的电机功率。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述制冷系统损失能量模型中，冷藏车内温度动态方程为：

dQ＝K′F′*[(T+dT)-T_Z]*dt

式中，K′、F′分别为蒸发器传热系数和有效传热面积；T为冷藏车内温度；T_Z为蒸发器的蒸发温度；t为开机时间；

外接瞬间深入该车内的热量增量dQ₁为：

式中，T₀为环境温度；

冷藏车内温度上升一度的内能增量dU为：

式中，C_m为温度上升1℃的内能增量。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明综合考虑了车辆燃油消耗和制冷系统的能耗，通过等效因子建立等效燃油消耗的目标函数，在保证物流车制冷效果的情况下，降低物流运输总成本。

2、本发明构建冷藏车内温度动态方程和形式多变的目标函数，依据当前制冷系统运行状态对动力源进行控制，更贴合冷链物流车的实际状况。

3、本发明基于等效燃油消耗最小化方法对冷链物流混动车进行控制，通过等效因子将电能消耗等效为燃油消耗，实时求解各个动力源功率分配。

4、通过对等效因子的PI实时修正调节各个动力源之间功率权重使实时运行的电池SOC曲线接近规划的SOC曲线，更贴合预设状态。

附图说明

图1是本发明中实时优化控制方法流程图；

图2是本发明中等效燃油消耗最小化控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，具体包括以下步骤：

S1、根据智能网联系统获取车辆行驶里程信息，规划荷电状态(State of charge，简称SOC)参考曲线；

使得动力电池SOC在运行结束时达到电池SOC目标值，充分利用电能且使发动机始终工作在高效区；

SOC数值随着行程的推进呈线性下降，SOC参考曲线如下：

式中，SOC_ref为车辆当前时刻的参考SOC；SOC₀是电池SOC的初始值；L为行驶路线的总里程；L_t为当前行驶的里程；SOC_f为设置的SOC终值。

S2、将等效因子作为控制变量，利用PI控制器对等效因子进行控制，保证SOC能够跟随S2中规划的SOC参考曲线；

等效因子λ为：

式中，KP和KI是PI控制器的参数，SOC(t)为当前时刻SOC值。

S3、建立综合考虑制冷系统耗能的车辆能量消耗动态模型，建立目标函数和约束条件，采用等效燃油消耗最小化控制方法依据SOC参考曲线进行在线实时优化，等效燃油消耗最小化控制方法如图2所示。

所述车辆能量消耗动态模型包括燃油消耗能量模型、电池消耗能量模型和制冷系统损失能量模型。

目标函数J为：

式中，为发动机燃油消耗率，/>为电机消耗的等效燃油消耗率,/>为冷链物流车在保持车内温度时所消耗的等效燃油消耗率；x(t)为状态变量，u(t)为控制变量，此处为电池功率；T为当前时刻车内温度；ε为制冷系统运行状态，若处于关闭状态则为0，运行状态则为1。

等效燃油消耗最小化控制方法中，电机消耗的等效燃油消耗率为：

冷链物流车在保持车内温度时所消耗的等效燃油消耗率为：

上述各式中，P_m和P_air分别为电机功率和冷风机功率，Q_l为燃油的平均低热值，s为电能和燃油之间转换的等效因子为价格比例系数。

燃油消耗能量模型中，发动机单位时间内的燃油消耗量是根据发动机特性确定的，根据发动机最优工作曲线获得相应的发动机工作点，进而求得其燃油消耗量。

发送机功率P_e为：

P_e＝P_d-P_m+P_air

式中，P_d为车辆驱动所需功率，P_m为电机功率，P_air为冷风机功率。

电池消耗能量模型中，电池动态方程为：

式中，V_OC为电池的开路电压，P_b为电池功率，R_b为电池的等效内阻，Q_b为电池额定容量。

SOC参考曲线约束条件为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

P_bmin+ε*P_air≤P_b(t)≤P_bmax-ε*P_air

P_mmin≤P_m(t)≤P_mmax

式中，SOC(t)为当前时刻的SOC值，P_b(t)为当前时刻的电池功率，P_m(t)为当前时刻的电机功率。

制冷系统损失能量模型中，冷藏车内温度动态方程为：

dQ＝K′F′*[(T+dT)-T_Z]*dt

式中，K′、F′分别为蒸发器传热系数和有效传热面积；T为冷藏车内温度；T_Z为蒸发器的蒸发温度；t为开机时间。

外接瞬间深入该车内的热量增量dQ₁为：

式中，T₀为环境温度。

冷藏车内温度上升一度的内能增量dU为：

式中，C_m为温度上升1℃的内能增量。

根据能量守恒，车内温度动态方程为

通过对目标函数J的求解，得到瞬时最优控制变量，即电机功率P_m，根据车辆驱动所需功率P_d得到发动机功率P_e，实现电机功率P_m和发动机功率P_e分配。

综上所述，本发明通过目标函数优化控制，实现电池能耗与整车油耗的综合控制，采用等效燃油消耗最小化控制方法求解瞬时最佳工作点，实现车辆运行过程中的实时控制。

Claims (8)

1.一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据智能网联系统获取车辆行驶里程信息，规划电池的SOC参考曲线；

S2、将等效因子作为控制变量，利用PI控制器对等效因子进行控制，保证电池SOC能够跟随S2中规划的SOC参考曲线；

S3、建立综合考虑制冷系统耗能的车辆能量消耗动态模型，建立目标函数和约束条件，采用等效燃油消耗最小化控制方法依据SOC参考曲线进行在线实时优化；

S3中，所述车辆能量消耗动态模型包括燃油消耗能量模型、电池消耗能量模型和制冷系统损失能量模型；

所述制冷系统损失能量模型中，冷藏车内温度动态方程为：

dQ＝K^′F^′*[(T+dT)-T_Z]*dt

式中，K^′、F^′分别为蒸发器传热系数和有效传热面积；T为冷藏车内温度；T_Z为蒸发器的蒸发温度；t为开机时间；

外接瞬间深入该车内的热量增量dQ₁为：

式中，T₀为环境温度；

冷藏车内温度上升一度的内能增量dU为：

式中，C_m为温度上升1℃的内能增量。

2.根据权利要求1所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：S1中，SOC数值随着行程的推进呈线性下降，SOC参考曲线如下：

式中，SOC_ref为车辆当前时刻的参考SOC；SOC₀是电池SOC的初始值；L为行驶路线的总里程；L_t为当前行驶的里程；SOC_f为设置的SOC终值。

3.根据权利要求1所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：S2中，等效因子λ为：

式中，KP和KI是PI控制器的参数，SOC(t)为当前时刻SOC值。

4.根据权利要求1所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：S3中，目标函数J为：

式中，为发动机燃油消耗率，/>为电机消耗的等效燃油消耗率,/>为冷链物流车在保持车内温度时所消耗的等效燃油消耗率；x(t)为状态变量，u(t)为控制变量，此处为电池功率；T为当前时刻车内温度；ε为制冷系统运行状态，若处于关闭状态则为0，运行状态则为1。

5.根据权利要求1所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：所述等效燃油消耗最小化控制方法中，电机消耗的等效燃油消耗率为：

冷链物流车在保持车内温度时所消耗的等效燃油消耗率为：

上述各式中，P_m和P_air分别为电机功率和冷风机功率，Q_l为燃油的平均低热值，s为电能和燃油之间转换的等效因子为价格比例系数。

6.根据权利要求1所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：所述燃油消耗能量模型中，发送机功率P_e为：

P_e＝P_d-P_m+P_air

式中，P_d为车辆驱动所需功率，P_m为电机功率，P_air为冷风机功率。

7.根据权利要求1所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：所述电池消耗能量模型中，电池动态方程为：

式中，V_OC为电池的开路电压，P_b为电池功率，R_b为电池的等效内阻，Q_b为电池额定容量。

8.根据权利要求7所述的一种考虑制冷系统耗能的冷链混动车实时优化控制方法，其特征在于：

SOC参考曲线约束条件为：

SOC_min≤SOC(t)≤SOC_max

P_bmin+ε*P_air≤P_b(t)≤P_bmax-ε*P_air

P_mmin≤P_m(t)≤P_mmax

式中，SOC(t)为当前时刻的SOC值，P_b(t)为当前时刻的电池功率，P_m(t)为当前时刻的电机功率。