CN103600742A

CN103600742A - 一种混合动力汽车能量管理控制装置及能量管理控制方法

Info

Publication number: CN103600742A
Application number: CN201310642330.6A
Authority: CN
Inventors: 张欣; 陈宏伟; 席利贺
Original assignee: Yangtze River Delta Research Institute Of Beijing Jiaotong University; Beijing Jiaotong University
Current assignee: Yangtze River Delta Research Institute Of Beijing Jiaotong University; Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN103600742B

Abstract

一种混合动力汽车能量管理控制装置及能量管理控制方法，属于混合动力汽车自动控制技术领域。CAN总线数据接口与数据处理模块相连；数据处理模块与目标函数求解模块相连；目标函数求解模块与CAN总线数据接口相连；CAN总线数据接口通过CAN总线与外界发动机ECU、电动机MCU、变速箱TCU、电池BCU相连。本发明还提供一种混合动力汽车能量管理控制方法，该方法根据CAN总线接口传递的发动机实时扭矩、实时转速，电池实时电压，获得瞬时燃油消耗信息、电池电荷状态信息，建立目标函数；求解方程，得到整个工况的控制策略。本发明能使混合动力汽车的低油耗、低排放潜力充分发挥出来，实现节约石油能源、保护大气环境和减排要求。

Description

一种混合动力汽车能量管理控制装置及能量管理控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽车能量管理控制装置及能量管理控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

伴随着全球污染的日益加剧，同时石油资源也在日渐枯竭，开发新能源汽车，降低污染物排放，减少石油的消耗已经迫在眉睫。随着人们生活的日新月异，对汽车的需求也越来越大，如何在不降低汽车性能的同时达到节能减排的目的已经成为各大汽车研究机构的研究重点。而混合动力汽车能量管理控制方法是解决这一问题的根本所在。

动态规划算法对于解决动态优化问题是一种强有力的工具。该算法可以在满足全局优化的同时，处理所解决问题的约束条件和非线性性。定义策略是以下离散动态优化问题的最优策略，其中

是指状态变量x_k采用控制变量u_k的状态值，即

μ_{k}^{*} = u_{k} (x_{k}) .

代价函数：

J = G_{N} (x_{N}) + Σ_{k = 0}^{N - 1} L_{k} (x_{k}, u_{k}, w_{k})

状态转移方程为：x_k+1＝f_k(x_k,u_k,w_k)，k=0,1,……,N-1.

其中状态x_k属于状态空间X_k；控制变量u_k受到给定空间的限制，

w_k代表过程噪声。

同理部分策略

是步长i-N代价函数的最优控制策略。

G_{N} (x_{N}) + Σ_{k = i}^{N - 1} L_{k} (x_{k}, u_{k}, w_{k})

在求解代价函数最小值时，可以通过前一状态求解当前子问题，循环往复直到全部代价函数均解决。采用这种思想，可以将求解代价函数分为一系列简单的最小化问题，如下所示：

第N-1步：

J_{N - 1}^{*} (x_{N - 1}) = \min_{u_{N - 1}} [G (x_{N}) + L (x_{N - 1}, u_{N - 1})]

第k步：0≤k≤N-1

J_{k}^{*} (x_{k}) = \min_{u_{k}} [L (x_{k}, u_{k}) + J_{k + 1}^{*} (x_{k + 1})]

其中

代表在第K步时的优化函数。

发明内容

本发明的目的是解决现有混合动力汽车在节能减排方面发挥不够充分的问题而提出的一种混合动力汽车能量管理控制装置及能量管理控制方法。

本发明的技术方案是，

一种混合动力汽车能量管理控制装置，该控制装置包括能量管理主控器、CAN总线接口、CAN总线、一号转速转矩传感器、一号单片机、一号A/D转换器、发动机、二号转速转矩传感器、二号单片机、二号A/D转换器、电机、车速采集传感器、三号A/D转换器、三号单片机、变速档位采集传感器、；其中，

能量管理主控器由数据处理模块与目标函数求解控制输出模块相连组成；

CAN总线分别与一号单片机、二号单片机、三号单片机、四号单片机、数据处理模块和目标函数求解控制输出模块相连；

一号单片机分别与一号转速转矩传感器和一号A/D转换器相连；

发动机分别与一号转速转矩传感器和一号A/D转换器相连；

二号单片机分别与二号转速转矩传感器和二号A/D转换器相连；

电机分别与二号转速转矩传感器和二号A/D转换器相连；

三号单片机分别与车速采集传感器、三号A/D转换器和变速档位采集传感器相连；

变速箱分别与车速采集传感器、三号A/D转换器和变速档位采集传感器相连。

本发明所述一号单片机、二号单片机、三号单片机、四号单片机均为单片机TC1767。

本发明还提供一种混合动力汽车能量管理控制方法，该控制方法包括以下步骤：

步骤1：一号单片机通过一号转速转矩传感器采集发动机的实时转速和实时扭矩；二号单片机通过二号转速转矩传感器采集电机的实时转速和实时扭矩；

三号单片机通过变速档位采集传感器采集到实时变速箱档位；四号单片机通过电池电压测量电路得到当前电池的电压；

步骤2：一号单片机通过CAN总线将采集到的发动机实时转速和实时扭矩发送给能量管理主控器；二号单片机通过CAN总线将采集到的电机实时转速和实时扭矩发送给能量管理主控器；三号单片机通过CAN总线将采集到的实时变速箱档位发送给能量管理主控器；四号单片机通过CAN总线将得到的当前电池电压发送给能量管理主控器。

步骤3：能量管理主控器的数据处理模块对接收来自CAN总线的发动机实时转速和实时扭矩进行处理，得到发动机瞬时燃油消耗量；对接收来自CAN总线的电池电压进行处理，得到当前电池电荷状态；接收来自CAN总线的档位信息

步骤4：能量管理主控器的目标函数求解控制输出模块对接受来自数据处理模块的发动机瞬时燃油消耗量、电池电荷状态建立以电池电荷状态、车速、档位为状态变量，以燃油消耗为代价函数，以发动机转矩、发动机转速、电机转矩、电机转速、电池电荷状态的最大及最小值作为约束条件，以代价函数最小值为目标函数，运用动态规划方法求解目标函数，得到电机输出扭矩控制量，从而得到发动机输出扭矩控制量。

步骤5：CAN总线将从能量管理主控制器获得的发动机输出扭矩控制量以及电机输出扭矩控制量传送给一号单片机、二号单片机。一号单片机、二号单片机通过一号A/D转换器、二号A/D转换器对发动机、电机进行控制，完成控制过程。

本发明的有益效果是：本发明能够对发动机、电机输出扭矩进行优化分配，从而提高发动机的燃油经济性。通过本发明优化的控制变量，使混合动力汽车的低油耗、低排放潜力充分发挥出来，实现节约石油能源、保护大气环境和减排的要求。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图2是本发明电池电荷状态与电压关系示意图。

图3是本发明电池充放电内阻与电池电荷状态关系示意图。

图4是本发明实施例效果示意图，其中，图（a）是需求扭矩分配图，图（b）是电池电荷状态变化图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，本发明并不限于这些实施例。

图1是本发明装置的整体结构示意图。如图1所示，一种混合动力汽车能量管理控制装置，该控制装置包括能量管理主控器、CAN总线接口、CAN总线、一号转速转矩传感器、一号单片机、一号A/D转换器、发动机、二号转速转矩传感器、二号单片机、二号A/D转换器、电机、车速采集传感器、三号A/D转换器、三号单片机、变速档位采集传感器、电池、电池电压测量电路、四号单片机、四号A/D转换器；其中，

发动机分别与一号转速转矩传感器和一号A/D转换器相连；

电机分别与二号转速转矩传感器和二号A/D转换器相连；

变速箱分别与车速采集传感器、三号A/D转换器和变速档位采集传感器相连；

四号单片机分别与电池电压测量电路和五号A/D转换器相连；

电池分别与电池电压测量电路和四号A/D转换器相连。

所述一号单片机、二号单片机、三号单片机、四号单片机均为单片机TC1767。

该混合动力汽车能量管理控制方法包括步骤：

步骤3：能量管理主控器的数据处理模块对接收来自CAN总线的发动机实时转速和实时扭矩进行处理，得到发动机瞬时燃油消耗量；对接收来自CAN总线的电池电压进行处理，得到当前电池电荷状态；接收来自CAN总线的档位信息。

步骤4：能量管理主控器的目标函数求解控制输出模块对接受来自数据处理模块的发动机瞬时燃油消耗量、电池电荷状态建立以电池电荷状态、车速、档位为状态变量，以燃油消耗为代价函数，以发动机转矩、发动机转速、电机转矩、电机转速、电池电荷状态的最大及最小值作为约束条件，以代价函数最小值为目标函数，运用动态规划方法求解目标函数，得到电机输出扭矩控制量，从而得到发动机输出扭矩控制量；

所述目标函数求解控制输出模块接收由数据处理模块传递的燃油消耗信号，电池电荷状态信号，建立以燃油消耗和电池电荷状态为代价的目标函数：

J = G_{N} (x_{N}) + Σ_{k = 0}^{N - 1} L_{k} (x_{k}, u_{k}) = α {({SOC}_{N} - {SOC}_{f})}^{2} + Σ_{k = 0}^{N - 1} [{fuel}_{k}]

其中SOC_f代表电池电荷状态在结束时的期望值，α代表正权重系数。

燃油消耗率W_fuel可通过从数据处理模块接收的发动机转速、发动机转矩查表得到，部分发动机转速-发动机扭矩-燃油消耗率表如下所示：

转速转每分	扭矩牛米	油耗千克每千瓦时
			800	181	0.271892
800	172	0.238966
			800	151	0.226442
800	134	0.230482
			800	116	0.223614
800	95	0.222604
			800	76	0.23735
800	58	0.232502
			800	38	0.28381
800	18	0.345622
			1000	208	0.249874
1000	192	0.22523
			1000	167	0.228866
1000	147	0.229068
			1000	127	0.221998
1000	105	0.23028
			1000	84	0.250682
1000	63	0.250682
			1000	42	0.297344

电池电荷状态可通过如下状态转移方程得到：

{SOC}_{k + 1} = {SOC}_{k} - \frac{i_{b, k}}{Q_{b}},

其中i_b为电池放电电流，Q_b为电池最大放电量。电池放电电流通过下式得到：

i_{b, k} = \frac{V_{oc, k} - \sqrt{V_{oc, k}^{2} - 4 (R_{int, k} + R_{t}) \cdot P_{b, k}}}{2 (R_{int, k} + R_{t})},

其中，V_oc,k是当前电池电压，R_t是电池终端阻抗，R_int代表电池内阻，分为放电内阻R_int,dis(SOC)，充电内阻R_int,chg(SOC)，分别是电池电荷状态的函数。P_b代表电池功率，通过下式求得：

其中，η_m为电机效率，可通过电机转矩和电机转速查表得出。

变速箱输出轴扭矩可通过下式得到：

τ_x＝R_xη_x(τ_t-τ_x,l)，

其中R_x为变速箱传动比；η_x为传动效率，可从查表的到；τ_t为扭矩耦合器输出扭矩；τ_x,l为传动损失；

则车轮处驱动力矩为：

τ_d＝R_dη_d(τ_x+R_cτ_mη_c-τ_d,l)，

其中，R_d和η_d为档位传动比和传动速率，

为差速器扭矩损失

车速状态转移方程如下所示：

v_{v, k + 1} = v_{v, k} + \frac{1}{M_{r}} (\frac{τ_{wh, k}}{r_{d}} - \frac{B_{wh} v_{v, k}}{r_{d}^{2}} - \frac{v_{v, k}}{| v_{v, k} |} (F_{r} + F_{a} (v_{v, k}))),

其中τ_wh为车轮处净驱动力矩或制动力矩，r_d为车轮动态半径，B_wh为粘滞阻力，F_r和F_d为滚动阻力和空气阻力，

为整车等效质量，J_r为车内旋转部件转动惯量。

图2是本发明电池电荷状态与电压关系示意图，通过对外电压的测量可以得到当前电池电荷状态。

图3是本发明电池在充电或者放电工况下，电池电荷状态与内阻的关系，可以通过当前电荷状态通过查表得到当前电池的内阻。

所述数据处理模块以及目标函数求解控制输出模块由Freescale开发的动力系统开发32位单片机系列单片机TC1767，通过CAN接口电路连接到CAN总线上。

通过将本发明应用在实车中进行验证，得到发动机与电机的分配扭矩如图4所示，图4是本发明实施例效果示意图，其中，图（a）是需求扭矩分配图，图（b）是电池电荷状态变化图，在保证电池电荷状态在允许范围内变化的情况下，本发明保证了对需求扭矩的合理分配，提高了燃油经济性，如下表所示：

节油率比较

	原型车	装有该控制器的混合动力汽车	节油率
				燃油经济性（L/100km）	42	29.2	30.5%

通过本发明优化的控制变量，使混合动力汽车的低油耗、低排放潜力充分发挥出来，实现节约石油能源、保护大气环境和减排的要求。

Claims

1.一种混合动力汽车能量管理控制装置，其特征在于，该控制装置包括：能量管理主控器、CAN总线接口、CAN总线、一号转速转矩传感器、一号单片机、一号A/D转换器、发动机、二号转速转矩传感器、二号单片机、二号A/D转换器、电机、车速采集传感器、三号A/D转换器、三号单片机、变速档位采集传感器、电池、电池电压测量电路、四号单片机、四号A/D转换器；其中，

发动机分别与一号转速转矩传感器和一号A/D转换器相连；

电机分别与二号转速转矩传感器和二号A/D转换器相连；

四号单片机分别与电池电压测量电路和四号A/D转换器相连；

电池分别与电池电压测量电路和四号A/D转换器相连。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车能量管理控制装置，其特征在于，所述一号单片机、二号单片机、三号单片机、四号单片机均为单片机TC1767。

3.一种混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

步骤4：能量管理主控器的目标函数求解控制输出模块对接受来自数据处理模块的发动机瞬时燃油消耗量、电池电荷状态建立以电池电荷状态、车速、档位为状态变量，以燃油消耗为代价函数，以发动机转矩、发动机转速、电机转矩、电机转速、电池电荷状态的最大及最小值作为约束条件，以代价函数最小值为目标函数，运用动态规划方法求解目标函数，得到电机输出扭矩控制量，从而得到发动机输出扭矩控制量。不输出档位信号，能量管理只负责发动机、电机的输出扭矩，档位决策由TCU决定；

4.根据权利要求3所述的一种混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述目标函数求解控制输出模块接收由数据处理模块传递的燃油消耗信号，电池电荷状态信号，建立以燃油消耗和电池电荷状态为代价的目标函数：

J = G_{N} (x_{N}) + Σ_{k = 0}^{N - 1} L_{k} (x_{k}, u_{k}) = α {({SOC}_{N} - {SOC}_{f})}^{2} + Σ_{k = 0}^{N - 1} [{fuel}_{k}]

5.根据权利要求4所述的一种混合动力汽车能量管理控制方法，其特征在于，所述电池电荷状态通过如下状态转移方程得到：

{SOC}_{k + 1} = {SOC}_{k} - \frac{i_{b, k}}{Q_{b}}

其中i_b为电池放电电流，Q_b为电池最大放电量；电池放电电流通过下式得到：

i_{b, k} = \frac{V_{oc, k} - \sqrt{V_{oc, k}^{2} - 4 (R_{int, k} + R_{t}) \cdot P_{b, k}}}{2 (R_{int, k} + R_{t})}

其中，V_oc,k是当前电池电压，R_t是电池终端阻抗，R_int代表电池内阻，分为放电内阻R_int,dis(SOC)，充电内阻R_int,chg(SOC)，分别是电池电荷状态的函数；P_b代表电池功率，通过下式求得：

其中，η_m为电机效率，可通过电机转矩和电机转速查表得出；

变速箱输出轴扭矩通过下式得到：

τ_x＝R_xη_x(τ_t-τ_x,l)

则车轮处驱动力矩为：

τ_d＝R_dη_d(τ_x+R_cτ_mη_c-τ_d,l)

其中，R_d和η_d为档位传动比和传动速率，

为差速器扭矩损失；

车速状态转移方程如下所示：

v_{v, k + 1} = v_{v, k} + \frac{1}{M_{r}} (\frac{τ_{wh, k}}{r_{d}} - \frac{B_{wh} v_{v, k}}{r_{d}^{2}} - \frac{v_{v, k}}{| v_{v, k} |} (F_{r} + F_{a} (v_{v, k})))

为整车等效质量，J_r为车内旋转部件转动惯量。