CN115412479B - 用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器及其控制方法，所述用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器包括：控制模块，用于获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块中预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；能量分配模块，用于基于所述能量分配控制信号实现直流电分配。本发明提供的路由器可实现所有车用能量负载的电力实时优化分配，在保证功能性与舒适性的前提下能够维持最高的续航里程。

Description

用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源车辆热管理技术领域，特别涉及一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器及其控制方法。

背景技术

交通运输领域的节能减排，促进石油等一次能源的清洁能源替换，打造电动清洁的城市出行方案具有重要意义。目前，新能源汽车已成为肩负未来出行、产业发展、能源安全、空气质量改善等多重历史使命的战略，发展绿色低碳热管理技术以提升热管理效率，提高电池、电机的温度控制精度，创造更舒适的车内环境，成为打造更安全、舒适、节能、环保的未来电动汽车最重要的环节之一。

在新能源车辆中，所有的车载用能部件所使用的能量几乎全部来自于动力电池中的直流电，动力电池中的直流电基本上以全部并联的方式通向车上所有用能部件中。但是，新能源车辆热管理技术中的能流输送实时优化控制问题尚未得到大量专注性的研究，基本处于较为开放和粗犷的状态，动力电池输出的直流电能以互不干涉、互不影响的方式，按照其能量需求上限被输送至各个用能部件中，缺乏行之有效的能量分配控制策略，非常容易造成动力电池电量的浪费及续航里程的衰减；基于上述现有能量分配方式的缺陷，亟需一种新的用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的路由器可实现所有车用能量负载的电力实时优化分配，在保证功能性与舒适性的前提下能够维持最高的续航里程。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，包括：

控制模块，用于获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块中预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；

能量分配模块，用于基于所述能量分配控制信号实现直流电分配；

其中，所述控制模块中预加载的能量分配权重包括：若电池温度小于第一预设温度，则车载用能设备中仅开启电池加热功能；若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配；若电池温度大于第二预设温度，则车载用能设备中仅开启电池冷却功能；

所述MPC控制算法以车厢送风温度、车厢温度、车厢湿度、电池温度、电机温度、电控系统温度、车速、电池电量为输入信号，以压缩机转速、风机转速、电机扭矩为输出信号，以热管理功耗、电机功耗、电控系统功耗、制冷量、制热量、COP、续航里程为控制目标信号，以室外温度、路况、行程时间为扰动信号。

本发明的进一步改进在于，所述MPC控制算法中，

预测模型表示为，

X＝[t_supply，t_cabin，d_cabin，t_bat，t_motor，t_elec，v₀，s_bat]^T；

U＝[ω_comp，ω_fan，N_motor]^T；

Y＝[W_comp，W_motor，W_elec，Q_c，Q_h，COP，E_m]^T；

D＝[t_ambient，I_c，T_c]^T；

式中，X为状态变量，t_supply为车厢送风温度，t_cabin为车厢温度，d_cabin为车厢湿度，t_bat为电池温度，t_motor为电机温度，t_elec为电控系统温度，v₀为车速，S_bat为电池电量；U为动作变量，ω_comp为压缩机转速，ω_fan为风机转速，N_motor为电机扭矩；Y为输出变量，W_comp为热管理功耗，W_motor为电机功耗，W_elec为电控系统功耗，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，COP为系统能效比，E_m为续航里程；D为扰动变量，t_ambient为室外温度，I_c为路况，T_c为行程时间；

第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

X^k+1＝f(X^k，U^k，D^k)；

k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

Y^k＝g(X^k，U^k，D^k)；

通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的续航里程，表达式为：

求解关于续航里程多变量函数的极小值，获得能量分配结果。

本发明的进一步改进在于，所述若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配的步骤包括：

若电池温度大于或等于第一预设温度且小于第三预设温度，则基于MPC控制算法进行计算时，优选进行电池加热功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％；

若电池温度大于或等于第三预设温度且小于第四预设温度，则基于MPC控制算法进行计算时，电池加热功能、乘员舱空调系统、动力系统均采用常规的供能方式；

若电池温度大于或等于第四预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算时，优选进行电池冷却功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％。

本发明的进一步改进在于，所述第一预设温度的取值范围为-30℃～-15℃；所述第三预设温度的取值范围为-10℃～10℃；所述第四预设温度的取值范围为35℃～40℃；所述第二预设温度的取值范围为45℃～50℃。

本发明的进一步改进在于，所述控制模块还预加载有前馈控制逻辑；

所述前馈控制逻辑包括：

判断行程内是否有快充需求，若有，则提前预设时间将动力电池热管理温度上限降低；

判断行程内是否有爬坡或拥堵路况，若有，则提前预设时间将驱动电机热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温提升超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温下降超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度下限升高；

判断行程内是否存在结霜工况，若有，则提前预设时间开启无霜运行模式；

判断行程内结霜工况运行时间是否大于预设时间阈值，若大于，则提前预设驻车化霜逻辑。

本发明的进一步改进在于，所述能量分配模块包括双向电力电子变流器和DC直流母线；

其中，所述双向电力电子变流器用于根据所述能量分配控制信号，将所述DC直流母线输入的直流电分配后进行输出。

本发明提供的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器的控制方法，包括：

通过控制模块获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块中预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；

通过能量分配模块基于所述能量分配控制信号实现直流电分配；

其中，所述控制模块中预加载的能量分配权重包括：若电池温度小于第一预设温度，则车载用能设备中仅开启电池加热功能；若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配；若电池温度大于第二预设温度，则车载用能设备中仅开启电池冷却功能；

所述MPC控制算法以车厢送风温度、车厢温度、车厢湿度、电池温度、电机温度、电控系统温度、车速、电池电量为输入信号，以压缩机转速、风机转速、电机扭矩为输出信号，以热管理功耗、电机功耗、电控系统功耗、制冷量、制热量、COP、续航里程为控制目标信号，以室外温度、路况、行程时间为扰动信号。

本发明的进一步改进在于，所述MPC控制算法中，

预测模型表示为，

x＝[t_supply，t_cabin，d_cabin，t_bat，t_motor，t_elec，v₀，S_bat]^T；

U＝[ω_comp，ω_fan，N_motor]^T；

Y＝[W_comp，W_motor，W_elec，Q_c，Q_h，COP，E_m]^T；

D＝[t_ambient，I_c，T_c]^T；

式中，X为状态变量，t_supply为车厢送风温度，t_cabin为车厢温度，d_cabin为车厢湿度，t_bat为电池温度，t_motor为电机温度，t_elec为电控系统温度，v₀为车速，S_bat为电池电量；U为动作变量，ω_comp为压缩机转速，ω_fan为风机转速，N_motor为电机扭矩；Y为输出变量，W_comp为热管理功耗，W_motor为电机功耗，W_elec为电控系统功耗，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，COP为系统能效比，E_m为续航里程；D为扰动变量，t_ambient为室外温度，I_c为路况，T_c为行程时间；

第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

X^k+1＝f(X^k，U^k，D^k)；

k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

Y^k＝g(X^k，U^k，D^k)；

通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的续航里程，表达式为：

求解关于续航里程多变量函数的极小值，获得能量分配结果。

本发明的进一步改进在于，所述若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配的步骤包括：

若电池温度大于或等于第一预设温度且小于第三预设温度，则基于MPC控制算法进行计算时，优选进行电池加热功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％；

若电池温度大于或等于第三预设温度且小于第四预设温度，则基于MPC控制算法进行计算时，电池加热功能、乘员舱空调系统、动力系统均采用常规的供能方式；

若电池温度大于或等于第四预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算时，优选进行电池冷却功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％。

本发明的进一步改进在于，所述控制模块还预加载有前馈控制逻辑；

所述前馈控制逻辑包括：

判断行程内是否有快充需求，若有，则提前预设时间将动力电池热管理温度上限降低；

判断行程内是否有爬坡或拥堵路况，若有，则提前预设时间将驱动电机热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温提升超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温下降超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度下限升高；

判断行程内是否存在结霜工况，若有，则提前预设时间开启无霜运行模式；

判断行程内结霜工况运行时间是否大于预设时间阈值，若大于，则提前预设驻车化霜逻辑。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种车辆热管理能量分配路由器，可用于获取车载蓄电池中的输出电能，并将其按照一定的分配方式输送至乘员舱热管理部分、电池温度管理部分、电机/电控系统温度管理部分、电机驱动部分，保障车辆各部件的安全性并实现各部件的基本功能需求；在本发明提供的用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器中，基于预设的能量分配权重控制规则进行控制；在控制规则中采用MPC算法进行计算，其以车上主要用能部件的运行状态为输入，实时计算续航里程上限，可解决能量分配控制策略的技术问题。具体解释性的，MPC算法以车厢温湿度、电池温度等直接控制对象为状态变量，以热管理系统执行部件为动作变量，以车辆续航里程等最终控制目标为输出变量，以所处环境条件及路况等云端数据为扰动变量，通过模型预测与多变量函数极小值求解方法，最终实现所有车用能量负载的电力实时优化分配问题，在保证功能性与舒适性的前提下维持最高的续航里程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器的示意框图；

图2是本发明实施例中，路由器能量分配权重逻辑示意图；

图3是本发明实施例中，路由器的运行原理示意图；

图4是本发明实施例中，内部架构示意图；

图5是本发明实施例中，用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器的拓扑示意图；

图6是本发明实施例中，路由器前馈控制逻辑示意图；

图7是本发明实施例提供的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器的控制方法的示意框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例提供的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，包括：

控制模块，用于获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；

能量分配模块，用于基于所述能量分配控制信号实现直流电分配；

请参阅图2，本发明实施例中，所述控制模块预加载的能量分配权重包括：若电池温度小于-30℃(解释性的，此处阈值可从-30℃～-15℃中选取)，则车载用能设备中仅开启电池加热功能(解释性的，关闭驱动电机等动力系统及乘员舱空调系统，以保证电池快速升温后再进行常规利用)；若电池温度处于-30℃到-10℃(解释性的，此处阈值可从-10℃～10℃中选取)之间，则优选进行电池加热功能，关闭乘员舱空调系统，调整驱动电机等动力系统功率上限为额定功率的50％，即车辆不允许满负荷行驶，保证电池快速升温后再进行常规利用；若电池温度处于-10℃到35℃(解释性的，此处阈值可从35℃～40℃中选取)之间，则电池加热功能、乘员舱空调系统、驱动电机等动力系统均采用常规的供能方式；若电池温度处于35℃到50℃(解释性的，此处阈值可从45℃～50℃中选取)之间，则优选进行电池冷却功能，关闭乘员舱空调系统，调整驱动电机等动力系统功率上限为额定功率的50％，即车辆不允许满负荷行驶，保证电池快速降至安全温度范围后再进行常规利用；若电池温度高于50℃，则车载用能设备中仅开启电池冷却功能，关闭驱动电机等动力系统及乘员舱空调系统，保证电池快速降至安全温度范围后再进行常规利用。

请参阅图3和图4，本发明实施例中，基于MPC的控制算法核心以车厢送风温度、车厢温度、车厢湿度、电池温度、电机温度、电控系统温度、车速、电池电量为输入信号接口，接受来自车辆热管理系统中的状态参数；压缩机转速、风机转速、电机扭矩为输出信号接口，直接作用于热管理系统及驱动电机硬件设备；热管理功耗、电机功耗、电控系统功耗、制冷量、制热量、COP(系统能效比)、续航里程为控制目标信号，直接决定着柔性能源网关的电能分配；室外温度、路况、行程时间为扰动信号接口，接受来自云端的未来运行时间运行工况条件信息。

本发明实施例中，路由器硬件及其中央控制算法的第一大主要功能为满足车辆供能需求，即在已知天气、导航、路况等信息，并能够及时正确反馈部件安全性保护的前提下，通过对乘员舱温度、湿度、风量、踏板深度等信息的采集，对司乘人员实时提出的舒适性需求、驾驶性需求作出快速、灵活的响应，按照电池/电机/电控安全性需求(相应部件的冷却或加热等温度精确控制)、驾驶性需求(驱动电机能量输入)、舒适性需求(乘员舱制冷与加热)的重要性排序依次判断车载能量供应系统(主要为动力电池)输出上限是否可以满足以上所述的车辆实时需求，并寻找各个部件的能量分配下限，即寻求动力电池电能输出在用能层各个用能部件中的实时分配地址位。路由器硬件及其中央控制算法的另一大主要功能为使整个行程过程的总能耗降至最低(保证最大续航里程)，即在满足司乘人员需求的前提下，借助MPC自动寻优控制算法，在明确的天气(随时域变化情况)、导航(行程总时间)、路况(随时域变化情况)等信息条件下对整车能量系统进行建模运算，找到全时段内的全局最优解，即总能耗最低的系统运行模式及控制参数，保证整个时域行程内动力电池输送至路由器的总电能最低。

具体的，本发明实施例中的MPC控制算法包括预测模型建立、状态方程离散、建立优化目标函数并在线优化求解三个步骤，选择车厢送风温度t_supply、车厢温度t_cabin、车厢湿度d_cabin、电池温度t_bat、电机温度t_motor、电控系统温度t_elec、车速v₀、电池电量S_bat为状态变量X；压缩机转速ω_comp、风机转速ω_fan、电机扭矩N_motor为动作变量U；热管理功耗W_comp、电机功耗W_motor、电控系统功耗W_elec、制冷量Q_c、制热量Q_h、COP、续航里程E_m为输出变量Y；室外温度t_ambient、路况I_c、行程时间T_c为扰动变量D，建模的整体数学描述如式(1)至(4)所示。

X＝[t_supply，t_cabin，d_cabin，t_bat，t_motor，t_elec，v₀，S_bat]^T (1)

U＝[ω_comp，ω_fan，N_motor]^T (2)

Y＝[W_comp，W_motor，W_elec，Q_c，Q_h，COP，E_m]^T (3)

D＝[t_ambient，I_c，T_c]^T (4)

本发明实施例中，为描述、预测系统的状态变量、输出变量，需根据物理规律或系统运行的数据建立起对应的物理模型或数据模型作为MPC的预测方程；系统的第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，如式(5)表示；k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，如式(6)表示。

X^k+1＝f(X^k，U^k，D^k) (5)

Y^k＝g(X^k，U^k，D^k) (6)

本发明中，在获得了系统各个部件的详细热力学、动力学模型后，通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的续航里程为：

由此，控制目标变成了求解关于续航里程多变量函数的极小值问题，可以通过Yalmip等算法进行求解。

本发明实施例提供的技术方案中，创新性地采用模型预测控制(MPC)算法作为车辆热管理路由器中央处理模块的核心控制策略，通过对新能源车载能量系统进行精细化建模并结合天气、路况等信息对模型在某一时域范围内的全局最优解进行预测，最终得到总能耗最低(续航里程最高)的系统运行模式及控制参数。本发明实施例提出了借助云端信息交互手段，实现新能源车辆热管理系统能量局域网与云端之间的信息互动，提前获得未来导航时间内的气候信息、路况信息等内容，作为车辆热管理路由器中的模型预测算法的预设输入条件，对未来某一时域范围的热力学、动力学状态进行更加具有现实性的预测。

请参阅图5，本发明实施例中，能量分配模块包括双向电力电子变流器和DC直流母线。进一步具体的，本发明实施例的路由器用于车辆中时，包括四个硬件层级，两套循环。其中，四个硬件层级分别为供能层、控制层、用户层(乘员舱)和用能层，其中控制层主要由路由器硬件及中央控制策略组成。

本发明实施例中，以上所述供能层、控制层、用能层中的部件通过直流电路进行连接，构成直流电力循环，其中动力电池将电能输出给路由器硬件，由路由器智慧分配后以并联方式输出给热管理系统、驱动电机、电控系统及其他，以完成车辆的不同用能需求。本发明实施例中，热管理系统具有过载、排压保护、排温保护等安全性保护及报警逻辑，驱动电机具有过载、超温等安全性保护逻辑，电控系统具有过载、超温等安全性保护逻辑，动力电池具有高温、低温等保护和电池包温度精确控制等运行逻辑，以上内容通过LIN协议传递给能源中的中央控制模块；同时，用户层(乘员舱)具有舒适性需求及驾驶性需求，同样通过LIN协议传递给路由器中的中央控制模块；另外，乘用车所路由器在行程的导航信息、天气信息等通过5G信息交互方式从云端下载至路由器中的中央控制模块。以上所述内容构成系统中的信息交互循环。本发明实施例中，通过以上所述的系统结构，可以实现新能源车辆热系统中不同热力端口、电力端口和信息端口的互联。本发明实施例中，与云端的信息通讯借助5G信息交互技术，车辆局域网络内的信息通讯借助LIN通讯协议，路由器调节的能量信息包含对外输出电压、电流、功率中的一个或多个。本发明实施例中，路由器硬件及其中央控制算法可以对需求、功能、用能等实际信息数据包进行处理与判断，预判其是否可能造成下游部件过载、温度超限、压力超限等，并对设备反馈的报警、保护等信号进行合理解决；其中，路由器硬件及其中央控制算法还可以实现外部信息网络(即云端的天气信息、导航信息、路况信息等)与车载局域信息网络之间的拓扑信息交换。

请参阅图6，本发明实施例中，车辆热管理路由器前馈控制逻辑可以由以下方法取得：车辆热管理路由器与云端数据实现了5G信息交互功能之后，首先判断行程内是否有快充需求，若有，则提前m分钟将动力电池热管理温度上限降低10℃，即对动力电池进行预冷；之后判断行程内是否有爬坡或拥堵路况，若有，则提前m分钟将驱动电机热管理温度上限降低10℃，即对驱动电机进行预冷；之后判断行程内是否有气温的剧烈提升，若有，则提前m分钟将动力电池、乘员舱等的热管理温度上限降低10℃，即对电池、乘员舱进行预冷；之后判断行程内是否有气温的剧烈下降，若有，则提前m分钟将动力电池、乘员舱等的热管理温度下限升高10℃，即对电池、乘员舱进行预热；之后判断行程内是否存在易结霜工况，若有，则提前n分钟开启无霜运行模式，即对热力学循环的蒸发压力(低压)进行控制，提升低压至露点温度之上；最后判断行程内易结霜工况运行时间是否大于2h，若大于，则提前预设驻车化霜逻辑，保证无霜运行结束后再进行一次保险性的除霜，避免有霜层累积。

请参阅图7，本发明实施例提供的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器的控制方法，包括：

通过控制模块获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块中预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；

通过能量分配模块基于所述能量分配控制信号实现直流电分配；

其中，所述控制模块中预加载的能量分配权重包括：若电池温度小于第一预设温度，则车载用能设备中仅开启电池加热功能；若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于MPC控制算法进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配；若电池温度大于第二预设温度，则车载用能设备中仅开启电池冷却功能；

所述MPC控制算法以车厢送风温度、车厢温度、车厢湿度、电池温度、电机温度、电控系统温度、车速、电池电量为输入信号，以压缩机转速、风机转速、电机扭矩为输出信号，以热管理功耗、电机功耗、电控系统功耗、制冷量、制热量、COP、续航里程为控制目标信号，以室外温度、路况、行程时间为扰动信号。

本发明实施例提供的技术方案突破了传统车载用能设备简单叠加式的取能需求，创新性的提出了车辆热管理路由器的概念，可以实现新能源车辆上动力电池对外输出的电量在热管理系统、驱动电机、电控系统等用能设备中的实时优化分配，达到车载局域能源网络内的“能量实时寻址”问题；突破了传统车载用能设备在时域上的重合式取能需求，创新性的为车辆热管理路由器的“能量实时寻址”搭配了时域范畴内的先后顺序，根据环境条件和运行工况等对不同车载用能设备的能量分配权重进行排序，首先确保车辆运行安全性，其次追求续航里程的最大化，最后实现司乘人员的驾驶性、舒适性需求；创新性的为车辆热管理路由器分配了双重任务，即首先满足新能源车辆各个部件、系统的最低功能需求，保证车辆安全、稳定运行并体现出优良运载性能；同时在保障各部分最低需求的前提下，结合运行工况条件等信息，寻找整个行驶过程中系统总能耗最低的电能优化分配状态；突破传统应用模式中基于反馈思路的车载用能设备电能分配方法，创新性的提出为车辆热管理路由器搭载了可以与云端数据相连接的5G通信接口，可以实时获得未来某驾驶时间内的天气、导航、路况等信息，并基于前馈思路预先对电池、电机或乘员舱进行制冷或加热处理。

本发明实施例的能量分配模块包括双向电力电子变流器，且以DC直流母线为硬件基础，能够实现车载电池直流输入与不同热管理直流负载之间的最优容量匹配功能。具体的，本发明的一种车辆热管理路由器，主要基于DC直流母线作为硬件构架，其中的直流电能输入完全来自动力电池，其中的直流电能输出供给至热管理系统及驱动电机，值得注意的是，直流母线中搭配使用了柔性能源网关，实现两路直流电能输出回路的容量实时调控。

本发明实施例的技术方案中，创新性的提出了车辆热管理路由器的架构方式，基于一套集成式直流母线和双向电力电子变流器为硬件基础，并配套以复杂、精确的控制算法，可以实现新能源车辆上动力电池对外输出的电能在热管理系统、驱动电机、电控系统等用能设备中的匹配与优化控制。

新能源汽车的发展也正面临着电池安全事故、电池寿命、续驶里程等因素的制约，动力电池安全事故频发、冬季续航里程严重衰减，诸如此类的问题仍然困扰着新能源汽车热管理技术的快速发展。其中，控制智能化是新能源车辆热管理技术未来发展的最重要方向之一，但目前车辆上通常采用的多负载能量匹配方式相对简单，动力输出、热管理系统、辅助设备等均按照自身用能最大值，以简单的叠加方式计算用能总量，并从车载电池支取电能，而并没有根据环境条件、路况等信息有针对性的对车载电池的能量智能化分配作出实时优化控制。例如，低温环境条件下电池活性大幅降低，本应在启动阶段优先供应热管理系统的电池加热功能，提升电池活性后再转向动力输出等负载，但目前的实际应用中并未采取此类复杂的控制逻辑，因此往往造成能量的利用空间大幅降低、续航里程明显衰减。因此，亟需基于整车热管理系统能源网络构架开发一套行之有效的能量流输送与实时优化控制方法。本发明实施例公开了一种车辆热管理路由器，可视为一种双向电力电子变流器，实现车载电池直流输入与不同热管理直流负载之间的最优容量匹配功能。热管理路由器以车厢温湿度、电池温度等直接控制对象为状态变量，以热管理系统执行部件为动作变量，以车辆续航里程等最终控制目标为输出变量，以所处环境条件及路况等云端数据为扰动变量，通过模型预测与多变量函数极小值求解方法，最终实现所有车用能量负载的电力实时优化分配问题，在保证功能性与舒适性的前提下维持最高的续航里程。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，其特征在于，包括：

控制模块，用于获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块中预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；

能量分配模块，用于基于所述能量分配控制信号实现直流电分配；

其中，所述控制模块中预加载的能量分配权重包括：若电池温度小于第一预设温度，则车载用能设备中仅开启电池加热功能；若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配；若电池温度大于第二预设温度，则车载用能设备中仅开启电池冷却功能；

其中，所述模型预测控制方法MPC中，

预测模型表示为，

X＝[t_supply，t_cabin，d_cabin，t_bat，t_motor，t_elec，v₀，S_bat]^T；

U＝[ω_comp，ω_fan，N_motor]^T；

Y＝[W_comp，W_motor，W_elec，Q_c，Q_h，COP，E_m]^T；

D＝[t_ambient，I_c，T_c]^T；

式中，X为状态变量，t_supply为车厢送风温度，t_cabin为车厢温度，d_cabin为车厢湿度，t_bat为电池温度，t_motor为电机温度，t_elec为电控系统温度，v₀为车速，S_bat为电池电量；U为动作变量，ω_comp为压缩机转速，ω_fan为风机转速，N_motor为电机扭矩；Y为输出变量，W_comp为热管理功耗，W_motor为电机功耗，W_elec为电控系统功耗，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，COP为系统能效比，E_m为续航里程；D为扰动变量，t_ambient为室外温度，I_c为路况，T_c为行程时间；

第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

X^k+1＝f(X^k,U^k,D^k)；

k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

Y^k＝g(X^k,U^k,D^k)；

通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的续航里程，表达式为：

求解关于续航里程多变量函数的极小值，获得能量分配结果。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，其特征在于，所述若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配的步骤包括：

若电池温度大于或等于第一预设温度且小于第三预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，进行电池加热功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％；

若电池温度大于或等于第三预设温度且小于第四预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，电池加热功能、乘员舱空调系统、动力系统均采用常规的供能方式；

若电池温度大于或等于第四预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，进行电池冷却功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％。

3.根据权利要求2所述的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，其特征在于，所述第一预设温度的取值范围为-30℃～-15℃；所述第三预设温度的取值范围为-10℃～10℃；所述第四预设温度的取值范围为35℃～40℃；所述第二预设温度的取值范围为45℃～50℃。

4.根据权利要求1所述的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，其特征在于，所述控制模块还预加载有前馈控制逻辑；

所述前馈控制逻辑包括：

判断行程内是否有快充需求，若有，则提前预设时间将动力电池热管理温度上限降低；

判断行程内是否有爬坡或拥堵路况，若有，则提前预设时间将驱动电机热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温提升超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温下降超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度下限升高；

判断行程内是否存在结霜工况，若有，则提前预设时间开启无霜运行模式；

判断行程内结霜工况运行时间是否大于预设时间阈值，若大于，则提前预设驻车化霜逻辑。

5.根据权利要求1所述的一种用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器，其特征在于，所述能量分配模块包括双向电力电子变流器和DC直流母线；

其中，所述双向电力电子变流器用于根据所述能量分配控制信号，将所述DC直流母线输入的直流电分配后进行输出。

6.一种权利要求1所述的用于实现车辆热管理能量最优分配的路由器的控制方法，其特征在于，包括：

通过控制模块获取车辆的电池温度；基于获取的电池温度，按照所述控制模块中预加载的能量分配权重输出能量分配控制信号；

通过能量分配模块基于所述能量分配控制信号实现直流电分配；

其中，所述控制模块中预加载的能量分配权重包括：若电池温度小于第一预设温度，则车载用能设备中仅开启电池加热功能；若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配；若电池温度大于第二预设温度，则车载用能设备中仅开启电池冷却功能；

其中，所述模型预测控制方法MPC中，

预测模型表示为，

X＝[t_supply，t_cabin，d_cabin，t_bat，t_motor，t_elec，v₀，S_bat]^T；

U＝[ω_comp，ω_fan，N_motor]^T；

Y＝[W_comp，W_motor，W_elec，Q_c，Q_h，COP，E_m]^T；

D＝|t_ambient，I_c，T_c]^T；

式中，X为状态变量，t_supply为车厢送风温度，t_cabin为车厢温度，d_cabin为车厢湿度，t_bat为电池温度，t_motor为电机温度，t_elec为电控系统温度，v₀为车速，S_bat为电池电量；U为动作变量，ω_comp为压缩机转速，ω_fan为风机转速，N_motor为电机扭矩；Y为输出变量，W_comp为热管理功耗，W_motor为电机功耗，W_elec为电控系统功耗，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，COP为系统能效比，E_m为续航里程；D为扰动变量，t_ambient为室外温度，I_c为路况，T_c为行程时间；

第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

X^k+1＝f(X^k,U^k,D^k)；

k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，

Y^k＝g(X^k,U^k,D^k)；

通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的续航里程，表达式为：

求解关于续航里程多变量函数的极小值，获得能量分配结果。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述若电池温度大于或等于第一预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，基于所述能量分配结果在电池加热功能、电池冷却功能、乘员舱空调系统和动力系统间进行能量分配的步骤包括：

若电池温度大于或等于第一预设温度且小于第三预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，进行电池加热功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％；

若电池温度大于或等于第三预设温度且小于第四预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，电池加热功能、乘员舱空调系统、动力系统均采用常规的供能方式；

若电池温度大于或等于第四预设温度且小于或等于第二预设温度，则基于模型预测控制方法MPC进行计算获得能量分配结果，进行电池冷却功能，关闭乘员舱空调系统，调整动力系统功率上限为额定功率的50％。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制模块还预加载有前馈控制逻辑；

所述前馈控制逻辑包括：

判断行程内是否有快充需求，若有，则提前预设时间将动力电池热管理温度上限降低；

判断行程内是否有爬坡或拥堵路况，若有，则提前预设时间将驱动电机热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温提升超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度上限降低；

判断行程内是否有气温下降超过阈值，若有，则提前预设时间将动力电池、乘员舱的热管理温度下限升高；

判断行程内是否存在结霜工况，若有，则提前预设时间开启无霜运行模式；

判断行程内结霜工况运行时间是否大于预设时间阈值，若大于，则提前预设驻车化霜逻辑。