專利名稱：應(yīng)用于phev的快速dp控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種考慮復(fù)雜道路及行車信息的Plug-in Hybrid ElectricVehicle(插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，即PHEV)的燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化快速Dynamic Programming(動(dòng)態(tài)規(guī)劃，即DP)控制方法。

背景技術(shù)：
能源和環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要條件，減少和消除對(duì)石油的依賴是一項(xiàng)有關(guān)全球經(jīng)濟(jì)安全和能源安全的緊迫任務(wù)。隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)汽車(主要以汽油和柴油為燃料)保有量逐年增加，使得能源、溫室氣體、空氣質(zhì)量等三方面主要問(wèn)題陷入了惡性循環(huán)，并成為影響今后汽車技術(shù)發(fā)展的三大問(wèn)題。如今隨著動(dòng)力電池、電機(jī)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車具有有效解決上述問(wèn)題的可能性。未來(lái)10年，電動(dòng)汽車的發(fā)展方向是PHEV。
PHEV是指可以使用電力網(wǎng)，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。PHEV具有純電動(dòng)行駛較長(zhǎng)距離的功能，但需要時(shí)仍然可以以全混合模式工作，其最大的特點(diǎn)是將混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以大大改善HEV的有害氣體、溫室氣體排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，提高純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程。因此PHEV是一種最具發(fā)展前景的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模式，也是向最終的清潔能源汽車過(guò)渡的最佳方案之一。
PHEV的技術(shù)主要包括整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與控制策略、動(dòng)力電池、充電基礎(chǔ)設(shè)施和電機(jī)，其中動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略是關(guān)鍵技術(shù)之一。PHEV的控制策略一般分為瞬時(shí)優(yōu)化控制策略和全局優(yōu)化控制策略兩種。瞬時(shí)優(yōu)化控制策略由于不受具體行駛工況的限制，且易于實(shí)現(xiàn)，因此被廣泛地應(yīng)用于PHEV的實(shí)際控制中，比如日本TOYOTA公司提出的Rule Based控制策略，以及基于LQ的最優(yōu)化策略。然而，這些控制策略無(wú)法獲得燃油消耗量在整段路徑下的全局最優(yōu)化。于是，有學(xué)者提出了PHEV的全局最優(yōu)化策略，即以車輛行駛于某循環(huán)工況中消耗的總?cè)加土孔钚槟繕?biāo)進(jìn)行優(yōu)化的方法。常用的全局優(yōu)化方法主要有DP方法。法國(guó)PSA公司首先將DP方法應(yīng)用于HEV控制，但沒(méi)有給出具體的計(jì)算過(guò)程。美國(guó)Michigan大學(xué)提出了應(yīng)用DP方法來(lái)改進(jìn)其基于規(guī)則的HEV控制策略，但所建立的模型需要同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī))的轉(zhuǎn)矩和變速箱的檔位傳動(dòng)比進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，屬于二維的DP控制方法(圖7所示)。因此要獲得一段行駛路徑的優(yōu)化策略，需要耗費(fèi)驚人的迭代計(jì)算時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)該方法的實(shí)時(shí)應(yīng)用，一般只能用于方法控制效果的評(píng)價(jià)。美國(guó)Ohio州立大學(xué)提出了基于DP方法的Equivalent Consumption Minimization策略，將電能等效為燃油消耗量，并以此為優(yōu)化性能指標(biāo)設(shè)計(jì)控制器，但是并沒(méi)有解決DP方法計(jì)算量大的問(wèn)題。法國(guó)PSA公司為了實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)時(shí)性，提出了Pantryagin控制策略，然而在求解方法的Hanmilton方程和判斷邊界條件時(shí)候，需要一定的經(jīng)驗(yàn)和花費(fèi)大量前期計(jì)算時(shí)間。美國(guó)Clemson大學(xué)提出了Model Predictive PowerManagement策略，實(shí)現(xiàn)了在多種優(yōu)化策略之間的轉(zhuǎn)換，但同樣沒(méi)有解決方法的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。美國(guó)Wisconsin大學(xué)-Milwaukee分校提出了Trip ModelBased控制策略，通過(guò)將行駛路徑分段化處理，使得計(jì)算時(shí)間有了一定減少，但是其最優(yōu)控制效果會(huì)隨著分段化處理而產(chǎn)生較大的誤差，并且分段化的前期處理工作量巨大，通用性差。
現(xiàn)有研究成果表明，全局最優(yōu)化和實(shí)時(shí)性是衡量PHEV動(dòng)力系統(tǒng)控制策略優(yōu)劣的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。鑒于上述課題，本發(fā)明專利圍繞“根據(jù)道路循環(huán)工況，優(yōu)化功率分配”的思想，提出具有全局最優(yōu)化性能的快速PHEV控制策略。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，開(kāi)發(fā)出一種應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法以實(shí)現(xiàn)PHEV中發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性全局最優(yōu)化為目標(biāo)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)燃油消耗率圖，提出發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上給出基于能量的車載蓄電池SOC定義方法，最終推導(dǎo)出具有解析函數(shù)形式的發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)功率分配比最優(yōu)策略以及燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)的迭代方法，并進(jìn)一步利用發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)燃油消耗率圖，求出發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線，由此反推出變速器變速檔位的最優(yōu)速比。即， 本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的 一種應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法，PHEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具備發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、車載蓄電池和具有多個(gè)變速檔的自動(dòng)變速器；該控制方法采用基于能量的方法定義車載蓄電池SOC；SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程、發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的關(guān)系方程、二次型的性能指標(biāo)函數(shù)、二次型的燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)、多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方程等導(dǎo)出方程；所述的最優(yōu)策略為SOC的線性解析函數(shù)迭代形式 u*(k)＝η1(k)·SOC(k)+η2(k) 其中，參數(shù)η1(k)，η2(k)的迭代關(guān)系如下 ζ2(k)＝2δ1·η1(k)·η2(k)+δ2·η1(k)+ζ2(k+1)·(1+μ2·η1(k)) +2ζ1(k+1)·(1+μ2·η1(k))·(μ1+μ2·η2(k)) 即，δ1＝α1Δt，δ2＝α2Δt，δ3＝α3Δt；α1，α2，α3為擬合常系數(shù)；Δt為采樣時(shí)間；Ep為蓄電池充滿時(shí)的總電能；1≤k≤N；函數(shù)輸入為汽車行駛所需總功率Preq(k)，以及電池SOC的初始和終了狀態(tài)；輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比u*(k)。
前述的車載蓄電池SOC采用基于能量的定義方法 其中，E(k)為電池k時(shí)刻的剩余電能； 給出基于能量的SOC與基于電量的SOCQ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 其中，C為代表電池容量的電容；Qp為蓄電池充滿時(shí)的總電量。
前述的導(dǎo)出方程包括 SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程具有線性形式； 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率具有二次型函數(shù)形式； 性能指標(biāo)函數(shù)為1×1維的二次型函數(shù)形式； 燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)為SOC的二次解析函數(shù)迭代形式； 多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方法； 其中，所述SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程具有線性形式 SOC(k+1)-SOC(k)＝μ1+μ2·u(k) 其中，Preq(k)為汽車行駛所需總功率； 所述發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率具有二次型函數(shù)形式 fuel(k)＝δ1·Pice(k)2+δ2·Pice(k)+δ3 其中，輸入Pice*(k)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；輸出fuel(k)為最優(yōu)燃油消耗率；函數(shù)為所提出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率關(guān)系曲線的近似擬合； 所述性能指標(biāo)函數(shù)為1×1維的二次型函數(shù)形式 其中，β為約束終了時(shí)刻SOC收斂于SOCdes的性能指標(biāo)權(quán)重值；具有以功率分配比u(i)為一維控制變量；以SOC為一維狀態(tài)變量；以燃油消耗率fuel(*)和SOC變化量?jī)刹糠譃閮?yōu)化性能指標(biāo)； 所述燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)為SOC的二次解析函數(shù)迭代形式 其中，輸入為汽車行駛所需總功率Preq(k)，以及電池SOC的初始和終了狀態(tài)；輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最優(yōu)值Jk*(SOC(k))； 變速器變速檔位的最優(yōu)速比，是利用所提出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線，并結(jié)合當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出功率，逆向插值求出發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速ωice*(k)，最終與當(dāng)前車速v(k)相比求出最優(yōu)速比 其中，r為輪胎半徑；im為主減速器傳動(dòng)比； 所述多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方法 其中，方法集成了多種道路及行車信息，包括車速v(k)、道路坡度θ(k)和載重質(zhì)量M(k)；ρ為空氣密度；Af為車輛迎風(fēng)面積；Cd為雷諾系數(shù)；g＝9.8m/s2；μr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；

為加速度；δeqm為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果 本發(fā)明應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法，能夠快速計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比，以及變速器的變速檔位最優(yōu)速比，實(shí)現(xiàn)PHEV在已知行駛路徑下的燃油經(jīng)濟(jì)性全局最優(yōu)化控制，并且保證車載蓄電池SOC維持在期望工作區(qū)間。
本發(fā)明的快速DP控制方法，提出了基于能量的SOC定義方法，獲得了線性形式的SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程；提出了發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的二次型函數(shù)關(guān)系。
利用所述線性SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和降維二次型性能指標(biāo)函數(shù)推導(dǎo)的最優(yōu)策略，表現(xiàn)為狀態(tài)SOC的線性解析函數(shù)迭代形式，只需輸入汽車行駛所需總功率，以及電池SOC的初始和終了狀態(tài)，即可由線性解析函數(shù)直接迭代獲得發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的各時(shí)刻最優(yōu)功率分配比。避免了現(xiàn)有DP控制方法在逆向求解各時(shí)刻狀態(tài)點(diǎn)的最優(yōu)策略時(shí)，需同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī))轉(zhuǎn)矩和自動(dòng)變速箱升/降檔的二維控制變量進(jìn)行量化和插值優(yōu)化，由此導(dǎo)致計(jì)算量以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題。
利用所述線性SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和降維二次型性能指標(biāo)函數(shù)推導(dǎo)的燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)，表現(xiàn)為狀態(tài)SOC的二次解析函數(shù)迭代形式，只需輸入汽車行駛所需總功率，以及電池SOC的初始和終了狀態(tài)，即可由解析函數(shù)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最優(yōu)值。避免了現(xiàn)有DP控制方法，在逆向求解各時(shí)刻狀態(tài)點(diǎn)的燃油消耗率最優(yōu)值時(shí)，需同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī))轉(zhuǎn)矩和自動(dòng)變速箱升/降檔的二維控制變量進(jìn)行量化和插值優(yōu)化，由此導(dǎo)致計(jì)算量以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題。
該DP控制方法的變速器變速檔位的最優(yōu)速比，是根據(jù)上述最優(yōu)功率分配比，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)輸出功率，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線，逆向插值求出發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速，最后通過(guò)與當(dāng)前車速相比，決定最優(yōu)速比。整個(gè)過(guò)程只涉及解析函數(shù)計(jì)算和查表，因此進(jìn)一步節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。
另外，該DP控制方法的輸入量，即汽車行駛所需總功率，融合了車輛行駛路徑中的車速、道路坡度和載重質(zhì)量等多種行車、道路信息，改進(jìn)了方法策略的準(zhǔn)確性和普適性。



圖1是表示本發(fā)明所適用PHEV的車輛行駛控制系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的概要示意圖； 圖2是表示本發(fā)明的自動(dòng)變速箱換檔特性圖； 圖3是表示本發(fā)明中發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油消耗率圖； 圖4是表示本發(fā)明所考慮的一段包含復(fù)雜道路及行車信息的行駛路徑示意圖； 圖5是表示正向求取發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率關(guān)系曲線的示意圖； 圖6是表示正向求取發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線以及逆向反推最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速的示意圖； 圖7是表示現(xiàn)有DP控制方法的迭代流程圖； 圖8是表示現(xiàn)有DP控制方法與快速DP控制方法的仿真對(duì)比結(jié)果。
符號(hào)說(shuō)明 1駕駛員2功率計(jì)算模塊3功率控制模塊4傳動(dòng)比控制模塊 5發(fā)動(dòng)機(jī)6動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)7蓄電池8電機(jī)9轉(zhuǎn)矩耦合器 10主減速器11車輪12車輛
具體實(shí)施例方式 下面，參照附圖來(lái)說(shuō)明實(shí)施本發(fā)明的快速DP控制方法。圖1表示搭載了適用本發(fā)明控制方法的PHEV車輛行駛控制系統(tǒng)和動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)圖；PHEV的輸入為駕駛員1的駕駛意圖和行車、道路信息；控制系統(tǒng)由功率計(jì)算模塊2、功率控制模塊3和傳動(dòng)比控制模塊4組成；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)5、電動(dòng)機(jī)8、車載蓄電池7、自動(dòng)變速器6、轉(zhuǎn)矩耦合器9和主減速器10等組成。首先，駕駛員通過(guò)節(jié)氣門和制動(dòng)踏板輸入一定的駕駛意圖，并結(jié)合道路坡度、載重質(zhì)量等信息，計(jì)算出汽車行駛所需總功率。然后，由功率控制模塊3按照某種準(zhǔn)則(如最優(yōu)燃油消耗量)，計(jì)算出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)輸出功率分配策略；由傳動(dòng)比控制模塊4計(jì)算出最優(yōu)的傳動(dòng)比。最優(yōu)輸出功率分配策略將被用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出功率，而最優(yōu)傳動(dòng)比則用于控制自動(dòng)變速器的檔位變化。系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力源之間的協(xié)調(diào)工作，保證PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)以最小的燃油消耗量完成既定路徑的行駛，同時(shí)使得蓄電池的SOC在一定范圍內(nèi)變化。
圖2表示自動(dòng)變速箱控制裝置中的換檔規(guī)律曲線。圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)的MAP圖，包括最佳燃油消耗率曲線。
快速DP控制方法由以下3個(gè)步驟組成 (1)汽車行駛所需總功率計(jì)算； (2)發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比策略和燃油消耗率最優(yōu)值計(jì)算； (3)變速器變速檔位的最優(yōu)速比控制。
在步驟(1)中，首先考慮圖4所示的已知起始點(diǎn)和終點(diǎn)的車輛行駛路徑，融合其中的復(fù)雜道路及行車信息，包括駕駛員1的期望行車速度v、道路坡度θ和載重質(zhì)量M，然后由圖1所示的功率計(jì)算模塊2計(jì)算出k時(shí)刻汽車行駛所需總功率Preq(k)，計(jì)算公式為 其中，F(xiàn)w(k)為迎風(fēng)阻力；Fr(k)為輪胎滾動(dòng)阻力；Fc(k)為爬坡阻力；Fa(k)為加速阻力；ρ為空氣密度；Af為車輛迎風(fēng)面積；Cd為雷諾系數(shù)；g＝9.8m/s2；μr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；

為加速度。
在步驟(2)中，步驟(1)所計(jì)算的汽車行駛所需總功率Preq(k)，以及SOC的初始/終了狀態(tài)將被輸入到功率控制模塊3。該模塊可以逆向迭代計(jì)算出k時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比u*(k)(即最優(yōu)策略)和燃油消耗率最優(yōu)值Jk*(即最優(yōu)性能指標(biāo))，以及正向計(jì)算出SOC的最優(yōu)軌跡。利用最優(yōu)功率分配比u*(k)，可最終計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī))的最優(yōu)輸出功率Pice*(k)(或Pem*(k))。
步驟(2)是所述快速DP控制方法的主程序，其中功率控制模塊3的推導(dǎo)過(guò)程由以下5個(gè)子步驟組成(2.1)基于能量的SOC定義方法；(2.2)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的二次型函數(shù)關(guān)系建立；(2.3)PHEV的DP數(shù)學(xué)模型建立；(2.4)發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比u*(k)的推導(dǎo)；(2.5)燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)Jk*的推導(dǎo)。
在子步驟(2.1)中，本發(fā)明所述的電池SOC采用基于能量的定義方法，即k時(shí)刻的電池SOC定義為 其中，E(k)為電池k時(shí)刻的剩余電能；Ep為蓄電池充滿時(shí)的總電能。
此外，現(xiàn)有基于電量的電池SOCQ定義方法，定義為 其中，Q(k)為電池k時(shí)刻的剩余電量；Qp為蓄電池充滿時(shí)的總電量。
由于電能與電量之間具有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系 其中，C為代表電池容量的電容。因此，基于能量的SOC和基于電量的SOCQ之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換 根據(jù)基于電量的SOCQ的電池常用工作范圍，得 0.3≤SOCQ≤0.8 由上述轉(zhuǎn)換關(guān)系式，可轉(zhuǎn)換成如下對(duì)應(yīng)的基于能量的SOC常用工作范圍，即 0.5477≤SOC≤0.8944 子步驟(2.1)中提出的SOC定義，將被用于建立PHEV的DP數(shù)學(xué)模型中的SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。
在子步驟(2.2)中，圖3中的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗率曲線，將被用于確定等功率下的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn)。最優(yōu)工作點(diǎn)的確定步驟如圖5所示，將等功率曲線(點(diǎn)劃線)與最佳燃油消耗率曲線(虛線)的相交，交點(diǎn)即為等功率下發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作點(diǎn)。以此類推，可以生成一系列表示發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率關(guān)系的最優(yōu)工作點(diǎn)。
由于發(fā)動(dòng)機(jī)的等油耗曲線是封閉曲線，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的增加，其燃油消耗率逐漸減小，到中等輸出功率時(shí)達(dá)到最小，之后燃油消耗率逐漸增加。因此，k時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率之間可近似擬合為二次型函數(shù)關(guān)系 fuel(k)＝ffuel(Pice(k))＝[α1·Pice(k)2+α2·Pice(k)+α3]·Δt ＝δ1·Pice(k)2+δ2·Pice(k)+δ3 其中，Pice(k)為k時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率；α1，α2，α3為擬合常系數(shù)；Δt為采樣時(shí)間；δ1＝α1Δt，δ2＝α2Δt，δ3＝α3Δt。圖5中虛線即為該函數(shù)的二次擬合曲線。
子步驟(2.2)中提出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的二次型函數(shù)，將被用于建立PHEV的DP數(shù)學(xué)模型中的性能指標(biāo)函數(shù)。
在子步驟(2.3)中，將建立PHEV的DP數(shù)學(xué)模型。首先，利用子步驟(2.1)中提出的基于能量的SOC定義方法，可建立DP數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程 k＝1，…N 其中，k時(shí)刻的策略定義為 即發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與所需總功率的比值；Pem(k)為k時(shí)刻的電動(dòng)機(jī)輸出功率； 采用基于能量的SOC定義方法，其優(yōu)點(diǎn)是使得建立的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程具有線性形式。
次之，利用子步驟(2.2)中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率二次型函數(shù)關(guān)系，可建立DP數(shù)學(xué)模型的性能指標(biāo)函數(shù) k＝1，…N 性能指標(biāo)函數(shù)由最小燃油消耗率和SOC變化量?jī)刹糠謨?yōu)化指標(biāo)組成。
決策過(guò)程的最優(yōu)化，即是求取發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的最小值，并且令SOC變化量維持在期望的變化范圍，因此相應(yīng)的最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)為 顯然，終了條件為 其中，SOCdes為終了時(shí)刻SOC的期望值；β為約束終了時(shí)刻SOC收斂于SOCdes的性能指標(biāo)權(quán)重值；ζ1(N+1)＝β，ζ2(N+1)＝-2β·SOCdes， 所述性能指標(biāo)函數(shù)具有二次型，且綜合考慮了燃油消耗率以及SOC變化量?jī)刹糠謨?yōu)化指標(biāo)。
此外，PHEV動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中各組成部件的運(yùn)行狀態(tài)，需滿足以下等式及不等式約束 ωem_min≤ωem(k)≤ωem_max Tice_min(ωice(k)，SOC(k))≤Tice(k)≤Tice_max(ωice(k)，SOC(k)) Tem_min(ωem(k))≤Tem(k)≤Tem_max(ωem(k)) SOCmin≤SOC(k)≤SOCmax Tice(k)+Tem(k)＝Treq(k) 子步驟(2.3)所建立PHEV的DP數(shù)學(xué)模型，具有線性形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程；二次型的性能指標(biāo)函數(shù)；一維控制變量-發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)功率分配比；一維狀態(tài)變量-SOC。
在子步驟(2.4)中，子步驟(2.3)所建立PHEV的DP數(shù)學(xué)模型，將被用于推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比u*(k)。首先，列寫出N時(shí)刻的最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)的迭代關(guān)系式 迭代關(guān)系式表現(xiàn)為二次型函數(shù)，用微分法可求取其極值為 由此推導(dǎo)出N時(shí)刻的最優(yōu)策略為 其中， 令 即 即可確保最優(yōu)策略u(píng)*(N)為最小點(diǎn)。
重復(fù)上述過(guò)程，一般得到k時(shí)刻最優(yōu)策略(1≤k≤N) 其中，參數(shù)η1(k)，η2(k)具有以下迭代關(guān)系 最終，可計(jì)算出k時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī))的最優(yōu)輸出功率 基于上述u*(k)，可以正向計(jì)算出SOC的最優(yōu)軌跡 k＝1，…N 在子步驟(2.5)中，子步驟(2.4)的最優(yōu)策略將被用于推導(dǎo)燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)Jk*。推導(dǎo)步驟不再贅述，直接給出其第k步最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)(1≤k≤N) 其中，參數(shù)ζ1(k)，ζ2(k)，ζ3(k)具有以下迭代關(guān)系 在步驟(3)中，車輛在k時(shí)刻的期望行駛速度v，以及由子步驟(2.4)計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出功率Pice*(k)，將被輸入到傳動(dòng)比控制模塊4，該模塊可以逆向計(jì)算出變速器變速檔位的最優(yōu)速比ig*(k)。
模塊4的傳動(dòng)比控制方法推導(dǎo)過(guò)程由以下2個(gè)子步驟組成(3.1)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線的求取；(3.2)變速器變速檔位最優(yōu)速比ig*(k)的逆向計(jì)算。
在子步驟(3.1)中，圖3中的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗率曲線，將被用于確定等功率下發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速。最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速的確定步驟如圖6所示，將等功率曲線(點(diǎn)劃線)與最佳燃油消耗率曲線(虛線)的相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)速值，即為等功率下發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速。以此類推，可以生成表示發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線，如圖6虛線。
在子步驟(3.2)中，利用子步驟(2.4)計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出功率Pice*(k)，以及圖6中的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線，可以逆向插值求出對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速ωice*(k)。然后與期望行駛速度v相比對(duì)，計(jì)算出變速器變速檔位最優(yōu)速比 其中，r為輪胎半徑；im為主減速器傳動(dòng)比。
然而，由于變速器的檔位速比為不連續(xù)的離散速比，因此，在具體實(shí)施變速器的變速檔位調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)選擇與最優(yōu)速比最相近的檔位。由此帶來(lái)的影響是，隨著變速器的檔位速比分布越稠密，快速DP控制方法的控制效果越精確。
以圖4所示具有起點(diǎn)和終點(diǎn)的一段行駛路徑為例，路徑全長(zhǎng)27.2km，最高行駛車速108km/h，全程行駛時(shí)間2183秒，道路坡度在±2度之間變化，由于運(yùn)送貨物的需求，車輛載貨質(zhì)量從250kg分階段下降到0kg。將現(xiàn)有DP方法和本專利提出的快速DP控制方法應(yīng)用于該型號(hào)的PHEV，采用奔騰雙核32位2.00GHz處理器，1.00GB內(nèi)存的PC機(jī)對(duì)整段路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃的迭代計(jì)算，求取相應(yīng)的最優(yōu)控制策略。仿真結(jié)果表明，快速DP控制方法與現(xiàn)有DP方法的優(yōu)化策略效果基本上一致(圖8所示)，但是快速DP方法的計(jì)算時(shí)間只需0.066Second，而現(xiàn)有DP方法需要耗時(shí)達(dá)11640Second(≈31Hour)。
如上所述，本發(fā)明的快速DP控制方法適用于對(duì)象為搭載了發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、車載蓄電池和具有多個(gè)變速檔的自動(dòng)變速器的PHEV。所述方法通過(guò)提出新的SOC定義以及最優(yōu)燃油消耗率與功率的關(guān)系函數(shù)，建立了具有二次型的性能指標(biāo)函數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)PHEV的DP數(shù)學(xué)模型的降維，由此推導(dǎo)出具有解析函數(shù)形式的最優(yōu)策略和燃油消耗率最優(yōu)值，從而使得方法的計(jì)算效率獲得幾何級(jí)數(shù)提高，實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)時(shí)應(yīng)用。所述方法在計(jì)算汽車行駛所需總功率時(shí)，融合了行駛路徑中的車速、道路坡度和載重質(zhì)量等多種行車、道路信息，進(jìn)一步提高了方法的準(zhǔn)確性和普適性。另外，該方法既適用于電量消耗模式(Charge-Depleting)，也適用于電量保持模式(Charge-Sustaining)；不限于具有離散變速比的多個(gè)變速檔的自動(dòng)變速器，也可用于具有連續(xù)變速比的CVT變速器?？筛鶕?jù)不同的PHEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)方法作相應(yīng)的調(diào)整。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法，其中，PHEV動(dòng)力傳動(dòng)統(tǒng)具備發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、車載蓄電池和具有多個(gè)變速檔的自動(dòng)變速器；該控制方法采用基于能量的方法定義車載蓄電池SOC；SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程、發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的關(guān)系方程、二次型的性能指標(biāo)函數(shù)、二次型的燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)、多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方程等導(dǎo)出方程；其特征在于
所述的最優(yōu)策略為SOC的線性解析函數(shù)迭代形式
u*(k)＝η1(k)·SOC(k)+η2(k)
其中，參數(shù)η1(k)，η2(k)的迭代關(guān)系如下
ζ2(k)＝2δ1·η1(k)·η2(k)+δ2·η1(k)+ζ2(k+1)·(1+μ2·η1(k))+2ζ1(k+1)·(1+μ2·η1(k))·(μ1+μ2·η2(k))
即，δ1＝α1Δt，δ2＝α2Δt，δ3＝α3Δt；α1，α2，α3為擬合常系數(shù)；Δt為采樣時(shí)間；
Ep為蓄電池充滿時(shí)的總電能；1≤k≤N；函數(shù)輸入為汽車行駛所需總功率Preq(k)，以及電池SOC的初始和終了狀態(tài)；輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比u*(k)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法，其特征在于所述的車載蓄電池SOC采用基于能量的定義方法
其中，E(k)為電池k時(shí)刻的剩余電能；
給出基于能量的SOC與基于電量的SOCQ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系
其中，C為代表電池容量的電容；Qp為蓄電池充滿時(shí)的總電量。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法，其特征在于所述的導(dǎo)出方程包括
SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程具有線性形式；
發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率具有二次型函數(shù)形式；
性能指標(biāo)函數(shù)為1×1維的二次型函數(shù)形式；
燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)為SOC的二次解析函數(shù)迭代形式；
多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方法；
其中，所述SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程具有線性形式
SOC(k+1)-SOC(k)＝μ1+μ2·u(k)
其中，Preq(k)為汽車行駛所需總功率；
所述發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率具有二次型函數(shù)形式
fuel(k)＝δ1·Pice(k)2+δ2·Pice(k)+δ3
其中，輸入Pice*(k)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；輸出fuel(k)為最優(yōu)燃油消耗率；函數(shù)為所提出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率關(guān)系曲線的近似擬合；
所述性能指標(biāo)函數(shù)為1×1維的二次型函數(shù)形式
其中，β為約束終了時(shí)刻SOC收斂于SOCdes的性能指標(biāo)權(quán)重值；
具有以功率分配比u(i)為一維控制變量；以SOC為一維狀態(tài)變量；以燃油消耗率fuel(*)和SOC變化量?jī)刹糠譃閮?yōu)化性能指標(biāo)；
所述燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)為SOC的二次解析函數(shù)迭代形式
其中，輸入為汽車行駛所需總功率Preq(k)，以及電池SOC的初始和終了狀態(tài)；輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最優(yōu)值Jk*(SOC(k))；
變速器變速檔位的最優(yōu)速比，是利用所提出的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線，并結(jié)合當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出功率，逆向插值求出發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速ωice*(k)，最終與當(dāng)前車速v(k)相比求出最優(yōu)速比
其中，r為輪胎半徑；im為主減速器傳動(dòng)比；
所述多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方法
其中，方法集成了多種道路及行車信息，包括車速v(k)、道路坡度θ(k)和載重質(zhì)量M(k)；ρ為空氣密度；Af為車輛迎風(fēng)面積；Cd為雷諾系數(shù)；g＝9.8m/s2；μr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；
為加速度；δeqm為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
全文摘要
一種應(yīng)用于PHEV的快速DP控制方法，采用基于能量的方法定義車載蓄電池SOC；SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程、發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率的關(guān)系方程、二次型的性能指標(biāo)函數(shù)、二次型的燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)、多信息融合的汽車行駛所需總功率計(jì)算方程等導(dǎo)出方程車載蓄電池SOC采用基于能量的定義方法SOC狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程具有線性形式；發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)燃油消耗率與功率具有二次型函數(shù)形式；性能指標(biāo)函數(shù)為1×1維的二次型函數(shù)形式；燃油消耗率最優(yōu)性能指標(biāo)為SOC的二次解析函數(shù)迭代形式；能快速計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率分配比，以及變速器的變速檔位最優(yōu)速比，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性全局最優(yōu)化控制，保證車載蓄電池SOC維持在期望工作區(qū)間。
文檔編號(hào)B60W10/11GK101602364SQ20081024701
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者洋 賓, 馮能蓮 申請(qǐng)人:洋 賓, 北京工業(yè)大學(xué)