基於智能交通系統的並聯PHEV能量管理方法與流程

2023-06-12 07:05:51 6

本發明涉及一種插電式並聯混合動力汽車的整車控制方法，尤其涉及一種基於智能交通系統(IntelligentTransportationSystem，ITS)的插電式並聯混合動力汽車整車控制方法，屬於新能源汽車控制技術領域。

背景技術：
插電式混合動力汽車(Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV)對比混合動力汽車(HybridElectricVehicle，HEV)具有較大容量的蓄電池，並且可以從電網獲取電能。PHEV兼具HEV和純電動汽車(BladeElectricVehicles，BEV)的優點，當電池電量充足時，PHEV處於電量消耗模式(ChargeDepleting，CD)，主要由電機驅動車輛，具有低油耗、低排放的優勢；當電池電量較低時，PHEV處於電量維持模式(ChargeSustaining，CS)，發動機作為主要動力源驅動車輛，與傳統汽車和HEV具有相同的續駛裡程。PHEV構型包括串聯、並聯及混聯等多種形式。並聯構型具有結構簡單，加工製造容易，動力性和經濟性好等優點，並且其構型不涉及專利保護，我國的PHEV多採用此類構型。但是，並聯構型PHEV的發動機與車輪存在機械連接，其經濟性受工況影響較大。插電式混合動力汽車能量管理策略是PHEV設計的關鍵問題，目前，實際運行的PHEV多採用基於規則的門限值控制策略(Rule-basedcontrolstrategy，RB)，該種策略計算量小，實時性好，易於車輛控制器編程實現。但是，RB策略的控制門限往往是固定的一組門限，工況適應性較差。PHEV經濟性受電池荷電狀態(SOC)、車速、行駛裡程、路面坡度、溫度等多種因素影響，尤其受電池SOC、車速和行駛裡程影響較大。當基於門限值能量管理策略的控制門限值固定時，則無法自動適應工況變化的影響。可能造成電池電量提前「耗光」(SOC處於最小允許值)，或者電池電量在行程結束時沒用完全使用的情況。研究表明，這兩種情況都會使並聯PHEV油耗升高，經濟性變差。從以上分析可以看出，並聯構型PHEV當採用基於規則的能量管理策略時，電池SOC和行駛工況對PHEV油耗會產生更大的影響。為了減少PHEV油耗，有必要設計一種能夠自動適應工況變化的PHEV能量管理方法。目前，智能交通系統(IntelligentTransportationSystem，ITS)在我國開始應用和普及，谷歌、百度以及高德等廠商推出了ITS系統服務，如導航、路況查詢以及路況預測等。ITS系統的上述功能為PHEV提供了實時路況信息，在此基礎上，PHEV控制系統能夠從ITS系統中獲取行駛裡程、道路坡度及擁堵狀況(車速分布)等信息。

技術實現要素：
本發明提供一種基於智能交通系統的並聯PHEV能量管理方法，使得PHEV能量管理策略的控制參數能夠依據前方行駛工況進行在線調整，對電池電量合理分配利用，提高發動機運行效率和PHEV經濟性。該主要包括依據預測工況的」參考SOC生成算法」以及「PHEV參數自適應整車控制算法」兩部分；其中，「參考SOC生成算法」通過ITS系統獲取前方路逕行駛裡程，道路坡度，紅綠燈信號以及車速分布等工況信息，通過工況預測算法生成前方路徑的預測工況；依據預測工況計算前方路徑的行駛需求功率，車速分布特徵以及行駛裡程，通過參考SOC算法生成參考SOC(SOCref)；「PHEV參數自適應整車控制算法」依據SOCref對PHEV控制門限參數實現實時在線調整，對發動機和電機轉矩進行合理分配。本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種基於智能交通系統的並聯PHEV能量管理方法，包括以下步驟：步驟一、車輛控制系統將車輛位置信息和目的地信息發送給ITS系統；步驟二、ITS系統根據車輛當前位置信息和目的地信息獲得規劃的行駛路徑並計算行駛路徑的工況特徵參數；步驟三、ITS系統將所述步驟二獲得的行駛路徑和工況特徵參數發送給HCU；步驟四、HCU根據獲得的路況特徵參數計算預測工況車速-時間歷程；步驟五、計算生成參考SOC：根據步驟四計算得到的預測工況車速-時間歷程以及步驟二獲得的工況特徵參數，規劃電池電量使用，生成參考SOC；步驟六、計算整車控制門限調整參數：以步驟五得到的參考SOC為控制目標，以實際電池SOC作為反饋，計算整車控制門限調整參數：發動機轉矩門限調整係數kt和純電動車速門限調整係數kv；步驟七、求取純電動—發動機驅動模式切換門限；步驟八、求取發動機及電機分配轉矩：依據整車控制門限，判斷PHEV行駛模式，並求取發動機及電機分配轉矩。進一步地，所述步驟二計算的行駛路徑的工況特徵參數包括：1)路徑總裡程sa及各路段行駛裡程si：ITS依據電子地圖數據計算規劃路徑的總裡程sa，並依據交通燈位置將行駛路徑分成若干個路段，即每2個交通燈之間的路徑為一個路段，並計算得到各路段行駛裡程si；2)各路段最高車速vi_max及平均車速vi_ave：ITS依據各路段測速點數據獲取該路段最高車速vi_max和平均車速vi_ave；3)各路段平均加速度及平均減速度：ITS系統依據測速點數據取平均得到該路段的平均加速度ai_acc及平均減速度ai_brk；4)路面坡度：ITS依據電子地圖信息獲取路面坡度is，並以行駛距離為橫坐標得到路面坡度-距離曲線；5)交通燈信息：交通燈信息包括交通燈的位置以及平均等待時長tsave。進一步地，所述步驟四HCU根據獲得的路況特徵參數計算預測工況車速-時間歷程的具體過程為：1)首先基於所述步驟二獲得的行駛路徑的工況特徵參數，按照交通燈位置，將整個工況段分成i個路段，並分別計算各路段通過時間ti：2)分別計算各路段預測工況車速-時間歷程：建立長路段的「梯形」模態工況，「梯形」模態工況由加速段、勻速段、減速段、怠速段四個車速-時間歷程段組成，各車速-時間歷程段對應的時間域為：加速段0～t1，勻速段t1～t2，減速段t2～t3，怠速段t3～t4，其中，勻速段車速為最高車速vi_max；分別計算時間點t1、t2、t3、t4的值：t4為該路段的通過時間，由公式(1)求取；然後，初選t1、t2的值分別為：3)連接(0,0)、(t1,vi_max)、(t2,vi_max)、(t3,0)、(t4,0)各點，並以1s為間隔插值得到該工況段的初選車速-時間歷程vi(t)，對其進行積分求得該路段的初選行駛裡程s′i：4)判斷初選行駛裡程s′i與各路段實測si的差值，若si-s′i＞ε，其中，ε為大於零的常數，本例取0.1km；則：由公式(5)重新計算si′(i+1)，直到0≤si-s′i≤ε或達到公式(6)的約束條件為止；5)若s′i-si＞ε，則：由公式(5)重新計算si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε為止；若出現t1(i+1)≥t2(i+1)，則令t1(i+1)＝t2(i+1)，此時，若s′i-si＞ε，則令：vi_max(i+1)＝vi_max(i-1)-0.1vi_max(i+1)≥1(8)重新計算，si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε或達到公式(8)的約束條件為止；6)重複上述步驟1)至步驟5)，分別求取各路段預測工況車速-時間歷程曲線，按照時間順序排列，得到該路徑預測工況車速-時間歷程曲線；7)將預測工況的車速-時間歷程曲線積分得到距離-時間歷程曲線，並基於所述步驟二中ITS獲得的行駛路徑的工況特徵參數中的路面坡度-距離曲線，將坡度-距離-時間各點一一對應，將坡度-距離曲線轉換成坡度-時間曲線。進一步地，所述步驟五計算生成參考SOC的具體過程為：1)首先計算各路段車輛行駛所需功率：式中，Pei為第i段路車輛行駛所需功率；t3i表示只需要對路段的預測車速時間歷程積分到t3時刻；vi為預測工況車速，如圖3所示；m為整車質量；g為重力加速度；f為滾動阻力係數；is為道路坡度；CD為風阻係數；A為迎風面積；δ為車輛旋轉質量換算係數；dvi/dt為車輛加速度，由預測工況車速微分得到；ηt為車輛傳動系統機械效率；2)計算各路段需求功率比例係數Kpi：其中，N為該路徑路段個數；3)計算各路段行駛距離比例係數Ksi：4)計算各路段參考SOC變化量ΔSOCi：ΔSOCi＝(SOCini-SOCend)·Kpi·Ksi(12)其中，SOCini為該路徑初始SOC；SOCend為該路徑結束時預設的SOC；5)計算各段路徑的初始參考SOCini_i和結束時參考SOCend_i：6)以各段路逕行駛裡程為橫坐標，依次連接各路段的初始參考SOCini_i和結束時參考SOCend_i得到整個行程的參考SOCref。進一步地，所述步驟六計算整車控制門限調整參數的具體過程為：1)根據所述步驟五計算生成的參考SOC求出實際SOC與參考SOC的差值△SOC：ΔSOC＝SOC-SOCref(14)2)採用線性增函數表示△SOC與發動機轉矩門限調整係數kt和純電動車速門限調整係數kv的關係，建立線性函數表，以△SOC為輸入，查表求得「發動機轉矩門限調整係數」kt和「純電動車速門限調整係數」kv。進一步地，所述步驟七求取純電動—發動機驅動模式切換門限的具體過程為：PHEV在CD階段的控制策略為「混合驅動」(Blended)策略，當車速和駕駛員需求轉矩同時滿足下列條件時，電機退出驅動，由發動機驅動車輛：V≥[Ve]&Treq≥[Treq](15)其中，[Ve]為純電動-發動機模式切換門限中的速度門限，計算公式為：[Ve]＝kv[Vb](16)其中，[Vb]為基本純電動限制車速門限；[Treq]為基本發動機驅動控制門限，計算公式為：[Treq]＝kt[Topt](17)其中，[Topt]發動機最優轉矩門限，為發動機萬有特性平均油耗最低的轉矩點連線。進一步地，所述步驟八求取發動機及電機分配轉矩的具體步驟為：1)當V＜[Ve]或Treq＜[Treq]時，為純電機驅動模式，即：其中，Tm為電機分配轉矩；Te為發動機分配轉矩；Treq為駕駛員需求轉矩。2)當V≥[Ve]或Treq≥[Treq]時，為發動機驅動模式，發動機參與驅動並且，當Treq＜[Topt]時，為純發動機驅動模式，即：其中，[Topt]為發動機最優轉矩門限，:為發動機萬有特性平均油耗最低的轉矩點連線；當Treq≥[Topt]時，為聯合驅動模式，即：本發明具有以下有益效果：1)本發明將智能交通系統引入到PHEV能量管理中，通過ITS系統對路況特徵進行預測，提出的SOC規劃方法具有計算量小，實時性好等優點。2)提出的PHEV參數自適應控制方法能夠依據工況特徵的變化，合理規劃電池SOC使用，提高PHEV系統效率，充分利用電池電量，有效減少油耗。該方法以電池SOC作為反饋控制，提高了系統的魯棒性。附圖說明本發明的具體實施方式將在下文通過結合應用示例進行詳細闡述。圖1是基於ITS的並聯PHEV系統硬體結構圖；圖2是基於ITS的PHEV整車控制算法流程圖；圖3是路段模態工況示意圖；圖4是路徑模態工況示意圖；圖5是參考SOC-距離曲線圖；圖6是純電動與發動機驅動模式切換控制原理圖。具體實施方式下面結合附圖對發明做進一步說明。以下實例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。圖1是本發明的基於ITS的並聯PHEV系統硬體結構。本例中的並聯PHEV採用同軸並聯結構。其中，電機同軸安裝在自動變速器的輸入軸上，電池可由外接充電器充電。PHEV整車控制系統包括：油門踏板(含踏板開度傳感器)、制動踏板(含踏板開度傳感器)、整車控制器(HCU)、GPS定位模塊、遠程通信模塊、發動機控制器(ECU)、電機控制器(MCU)、自動變速器控制器(TCU)、電池管理單元(BMU)，各部件之間通過CAN總線交互信息。整車控制器(HCU)通過GPS模塊獲取車輛當前位置，並通過遠程通信模塊與智能交通系統(ITS)進行遠程通信。ITS系統包括交通狀況信息服務、地理信息服務及導航服務等多個子系統，當ITS獲取車輛位置信息和導航目的地後，通過導航系統對行駛路徑進行規劃，將該路徑的工況信息，如路徑總裡程、各路段車速特徵、路面坡度等通過遠程信息模塊傳遞給整車控制器。如圖2所示，結合圖1，本發明提出的基於智能交通系統的並聯PHEV能量管理方法，包括以下步驟：步驟S1：車輛控制系統通過GPS模塊獲取車輛位置信息以及駕駛員通過車載導航系統設定的目的地信息，並通過遠程通信模塊發送給ITS系統；若車載導航系統具有路徑規劃功能，則將規劃的行駛路徑發送給ITS系統。步驟S2：ITS系統依據車輛當前位置信息和目的地信息規划行駛路徑，或使用車載導航系統規劃的行駛路徑。ITS系統依據電子地圖及測速點數據獲取或計算行駛路徑工況特徵參數，包括：(1)路徑總裡程sa及各路段行駛裡程si。ITS依據電子地圖數據計算規劃路徑的總裡程sa，並依據交通燈位置將行駛路徑分成若干個路段，即每2個交通燈之間的路徑為一個路段，並計算得到各路段行駛裡程si；(2)各路段最高車速vi_max及平均車速vi_ave。ITS依據該路段測速點數據獲取該路段最高車速和平均車速，本例中對近10min內各被測車輛最高車速及平均車速取均值求得；在沒有安裝測速點的路段，依據電子地圖數據中的路徑等級(支路、幹路、快速路等)得到各路段最高限制車速作為該路段的最高車速，平均車速依據路徑等級取定值，如本例中支路為15km/h，幹路25km/h，快速路40km/h等。(3)各路段平均加速度及平均減速度：ITS系統依據測速點數據取平均得到該路段的平均加速度ai_acc及平均減速度ai_brk；(4)路面坡度：ITS依據電子地圖信息獲取路面坡度is，並以行駛距離為橫坐標得到路面坡度-距離曲線。(5)交通燈信息：交通燈信息包括交通燈的位置以及平均等待時長tsave。步驟S3：ITS系統將上述工況特徵參數通過遠程通信模塊發送給整車控制器(HCU)。步驟S4：計算預測工況。由HCU根據獲得的路況特徵參數計算得到預測工況車速-時間歷程，如圖3所示，說明如下：(1)首先按照交通燈位置，將整個工況段分成i個路段，並計算該路段通過時間ti：(2)分別計算各路段預測工況車速-時間歷程，本發明中建立如圖3所示的簡單模態工況，即長路段的「梯形」模態工況，由加速段(0～t1)、勻速段(t1～t2)、減速段(t2～t3)、怠速段(t3～t4)四個部分組成，勻速部分車速為最高車速vi_max。圖3中需要求得時間點t1、t2、t3、t4的值，其中，t4為該路段的通過時間，由公式(1)求取；t3為：然後，初選t1、t2的值分別為：(3)連接(0,0)、(t1,vi_max)、(t2,vi_max)、(t3,0)、(t4,0)各點，並以1s為間隔插值得到該工況段的初選車速-時間歷程vi(t)，對其進行積分求得該路段的初選行駛裡程s′i，即(4)判斷初選行駛裡程s′i與各路段實測si的差值，若si-s′i＞ε，其中，ε為大於零的常數，本例取0.1km。則：由公式(5)重新計算si′(i+1)，直到0≤si-s′i≤ε或達到公式(6)的約束條件為止，如圖3的單點畫線所示。(5)若s′i-si＞ε，則：由公式(5)重新計算si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε為止。若出現t1(i+1)≥t2(i+1)，則令t1(i+1)＝t2(i+1)，此時，若s′i-si＞ε，則令vi_max(i+1)＝vi_max(i-1)-0.1vi_max(i+1)≥1(8)重新計算，si′(i+1)，直到0≤s′i-si≤ε或達到公式(8)的約束條件為止，如圖3的雙點畫線所示。(6)重複步驟(1)～(5)，分別求取各路段預測工況車速-時間歷程曲線，按照時間順序排列，得到該路徑預測工況的車速-時間歷程曲線，圖4為某次路徑預測工況的車速-時間歷程曲線。(7)預測工況的車速-時間歷程曲線積分得到距離-時間歷程曲線，然後結合步驟S2中ITS獲得的路面坡度-距離曲線，將坡度-距離-時間各點一一對應，將坡度-距離曲線轉換成坡度-時間曲線。步驟S5：計算生成參考SOC，即由預測工況車速-時間歷程、路面坡度等信息，規劃電池電量使用，生成參考SOC。其步驟如下：(1)首先計算各路段車輛行駛所需功率，即其中，Pei為第i段路車輛行駛所需功率；t3i表示只需要對路段的預測車速時間歷程積分到t3時刻；vi為預測工況車速，如圖3所示；m為整車質量；g為重力加速度；f為滾動阻力係數；is為道路坡度；CD為風阻係數；A為迎風面積；δ為車輛旋轉質量換算係數；dvi/dt為車輛加速度，由預測工況車速微分得到；ηt為車輛傳動系統機械效率。(2)計算各路段需求功率比例係數Kpi，即其中，N為該路徑路段個數。(3)計算各路段行駛距離比例係數Ksi，即(4)計算各路段參考SOC變化量ΔSOCi，即ΔSOCi＝(SOCini-SOCend)·Kpi·Ksi(12)其中，SOCini為該路徑初始SOC；SOCend為該路徑結束時預設的SOC。(5)計算各段路徑的初始參考SOCini_i和結束時參考SOCend_i，即(6)以各段路逕行駛裡程為橫坐標，依次連接各路段的初始參考SOCini_i和結束時參考SOCend_i得到整個行程的參考SOCref，如圖4所示。步驟S6：計算整車控制門限調整參數。以步驟5得到的參考SOCref為控制目標，以實際電池SOC作為反饋，計算整車控制門限調整參數：「發動機轉矩門限調整係數」kt和「純電動車速門限調整係數」kv。具體步驟如下：(1)首先，根據步驟S5計算生成的參考SOC求出實際SOC與參考SOC的差值△SOC：ΔSOC＝SOC-SOCref(14)(2)以△SOC為輸入，查表求得「發動機轉矩門限調整係數」kt和「純電動車速門限調整係數」kv。表1是本例中△SOC與kt、kv關係表。本例採用線性增函數表示△SOC與kt、kv的關係，表1可以依據具體車輛參數採用仿真或實車試驗進行標定。表1△SOC與kt、kv關係表△SOC(％)-20-10-8-6-4-2024681020kt0.50.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.5kv0.10.10.20.40.60.811.21.41.61.82.02.0步驟S7：求取純電動—發動機驅動模式切換門限。本例中的PHEV在CD階段的控制策略為「混合驅動」(Blended)策略，當車速和駕駛員需求轉矩同時滿足下列條件時，電機退出驅動，由發動機驅動車輛，即V≥[Ve]&Treq≥[Treq](15)其中，[Ve]為純電動-發動機模式切換門限中的速度門限，計算公式為[Ve]＝kv[Vb](16)其中[Vb]為基本純電動限制車速門限，本例中為70km/h；[Treq]為基本發動機驅動控制門限，計算公式為[Treq]＝kt[Topt](17)其中，[Topt]發動機最優轉矩門限，一般為發動機萬有特性平均油耗最低的轉矩點連線，本例如圖6所示。圖6為本例中純電動與發動機驅動模式切換控制原理示意圖。下面以△SOC＝4％為例說明門限值調整過程。當△SOC＝4％時，查表1得kt＝1.2、kv＝1.4，此時，純電動驅動門限右移，發動機驅動控制門限上移(虛線位置)，發動機工作區域變小，電機工作區域變大。發動機需要在更高車速和更大需求轉矩時才能啟動，發動機參與驅動的功率比例變小，電機驅動功率比例變大，PHEV油耗減少，電耗增加，SOC下降速率變快，△SOC會變小，此時純電動驅動門限左移，發動機驅動控制門限下移，電耗會減少，使電池SOC在參考SOC附近波動。步驟S8：求取發動機及電機分配轉矩。依據整車控制門限，判斷PHEV行駛模式，並求取發動機及電機分配轉矩。具體步驟為：(1)當V＜[Ve]或Treq＜[Treq]時，為純電機驅動模式，即其中，Tm為電機分配轉矩；Te為發動機分配轉矩；Treq為駕駛員需求轉矩。(2)當V≥[Ve]或Treq≥[Treq]時，為發動機驅動模式，發動機參與驅動並且，當Treq＜[Topt]時，為純發動機驅動模式，即其中，[Topt]為發動機最優轉矩門限，一般為發動機萬有特性平均油耗最低的轉矩點連線。當Treq≥[Topt]時，為聯合驅動模式，即本發明提出了一種依據ITS系統提供的路徑信息(即行駛裡程、平均車速、最高車速、平均加速度及平均減速度等)合成路徑模態工況的方法，該方法計算量小，能夠反映路徑的基本速度特徵，具有較好的實時性。依據所合成的路徑模態工況，結合路面坡度信息，提出了一種以需求功率比例、行駛距離比例為依據的SOC規劃方法，生成參考SOCref。該參考SOCref能夠比較準確的反應各路段的功率需求，使電池SOC分配更符合工況特徵。提出了以參考SOCref為控制目標、以實際電池SOC作為反饋的PHEV參數自適應控制方法，使電池SOC跟隨參考SOCref變化，實現依據工況特徵的PHEV參數自適應控制。