CN108482185B

CN108482185B - 一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法

Info

Publication number: CN108482185B
Application number: CN201810178137.4A
Authority: CN
Inventors: 殷国栋; 胡梦然; 彭赫迪; 刘田; 刘好; 唐卓人; 徐利伟
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2038-03-05
Also published as: CN108482185A

Abstract

本发明涉及一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，包括分布式电动汽车的轮毂电机测功；利用地理信息系统及车辆定位装置获取信息求出道路坡度信息；利用车况监测装置获取自身状态以及前车的状态；基于动态规划算法递归地求出电动汽车行驶过程中全局最优的分配力矩和行驶方法；本发明可以为其他用于能量管理的控制算法的控制效果提供对比的基准，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法

技术领域

本发明涉及一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，属于电动汽车能量管理技术领域。

背景技术

随着对环境保护和节约能源需求的增长，电动汽车作为一种清洁、高效、环保的出行方式，吸引了越来越多的关注。一般来说，纯电动汽车可以根据其驱动方式分为两类：间接驱动和直接驱动；前者由电动机通过变速箱和差动齿轮驱动，后者由电机直接驱动。由于省去了通过变速器和差动齿轮传动的能量损失，与间接驱动的电动汽车相比，直接驱动型的电动汽车具有更高的效率和更高的控制灵活性。

以往的能量管理策略（EMS）通过给定速度驱动周期，将能量管理作为控制因素，实现了能量管理与车辆运动的协调控制，然而车辆在实际行驶的过程中，交通状况和地理信息是影响车辆能量消耗的很重要的两个因素：交通状况是实时改变的；地理信息是随着车辆位置而改变的。因此，无论定速巡航或固定的行驶循环都应当将实际行驶道路的地理信息及前车的状态信息考虑进来。

发明内容

本发明提供一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，作为电动汽车能量管理的能耗基准，为实际的控制过程提供理想的参考速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，包括以下步骤：

步骤一：在电动汽车的底层动力装置即前轮毂和后轮毂的电机上均布设测功机，测功机采集前轮毂的电机、后轮毂的电机在电动汽车制动、驱动状态下产生的不同转速、不同扭矩的效率分布数据，得出电机转矩-效率的函数信息，并将这些数据制成Map图；

步骤二：安装在电动汽车内的地理信息系统获取车辆行驶的距离和其对应的海拔高度数据信息，得出距离-海拔高度函数信息，在电动汽车驱动状态下，安装在电动汽车内的车辆定位装置获取车辆的位置信息，将位置信息与地理信息系统获取的信息结合，求出道路坡度信息数据；

步骤三：由安装在电动汽车内的车况监测装置获取车辆自身状态、前车状态的数据信息，结合前述得到的电机转矩-效率的函数信息和距离-海拔高度函数信息，采用DP算法递归求出电动汽车行驶过程中等距的采样区间内最优的控制输入，在电动汽车初始状态，利用插值的方法求出最优分配力矩和行驶方法，并在每个等距的采样区间内循环往复，从而实现能量的管理以及行驶速度的规划；

作为本发明的进一步优选，前述的电动汽车还包括决策控制装置和实时通信装置，其中，车况监测装置、实时通信装置、车辆定位装置、地理信息系统和底层动力装置均与决策控制装置相连通，决策控制装置由车况监测装置、实时通信装置、车辆定位装置和地理信息系统处采集信息并进行解析和运算后，向底层动力装置发送指令；

前述的车况监测装置包括超声波雷达、光电编码器和SOC显示，用于获取车辆自身与前车的相对距离以及车辆的速度信息，并将前述信息输入决策控制装置，同时车况监测装置在每个等距的采样区间结尾处实时监测电动汽车的SOC状态量；

前述的实时通信装置包括DSRC通讯机，用于接收前车发出的车辆状态信息，并与车辆自身状态进行信息交互，所述的车辆状态信息包括速度和加速度；

前述的车辆定位装置包括差分北斗/GPS，用于采集车辆精确的位置信息并输入决策控制装置；

前述的地理信息系统用于测量车辆行驶路段的经度、纬度和海拔高度；

前述的底层动力装置包括轮毂式的无刷直流电机，用于接收决策控制装置输出的指令并执行决策控制装置的制动和驱动力矩；

作为本发明的进一步优选，前述的步骤一包括以下子步骤：测功机对前轮毂和后轮毂的电机的电压、电流、转速、转矩测量时做时间同步，同时测量其在驱动状态、制动状态和不同转矩下的运行效率；

还包括功率分析仪，其同步测量电机的输入输出参数后输出相应的运行效率，并制成Map图；

利用多项式拟合的方式，得到电机驱动、制动力矩与其运行效率的函数对应关系并将其离线函数存储到决策控制装置中；

前述的步骤二包括以下子步骤：利用地理信息系统预先获取行驶路段的经度、纬度和海拔高度等信息数据；

通过插值的方法进行处理，将上述信息数据转化为沿实际道路的高度和距离之间的函数并将其离线函数存储到决策控制装置中；

前述的步骤三包括以下子步骤：将车辆所行驶的路程分为至少两个等距的采样区间，同时设定电动汽车在每个等距的采样区间内做匀变速运动；

采用动态规划算法，即DP算法，在最后一个等距的采样区间内遍历所有可能状态量获取代价函数最优的控制输入，求出最后两个、三个区间内使得代价函数最优的控制输入，从而推导得出全局区间内最优；

决策控制装置根据车况监测装置和实时通信装置获取电动汽车的每个等距的采样区间初始速度信息，以及前车的位置和速度信息；决策控制装置根据前述获得的电动汽车状态信息，规划每个等距的采样区间的控制输出；

作为本发明的进一步优选，前述的决策控制装置包括信息接收模块、信息处理模块、实时通信模块和电机控制模块，其中，信息接收模块接收车况监测信息、实时通讯信息、车辆定位信息和道路地理信息，并发送给信息处理模块；信息处理模块对采集到的车况监测信息、实时通讯信息、车辆定位信息和道路地理信息进行解析和运算，并发送到实时通信模块；实时通信模块实现决策控制装置、车辆监测装置、车辆定位装置、地理信息系统、实时通信装置以及底层动力装置之间的信息交互；电机控制模块执行控制装置发送的执行命令，实现前后轮的力矩分配；

作为本发明的进一步优选，前述的车况监测信息包括车辆速度、车辆SOC状态量和前车位置；实时通讯信息为前车速度；车辆定位信息为差分定位数据。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明基于动态规划算法对电动汽车的能量进行管理，其结果不仅可以作为电动汽车能量管理的能耗基准，得到的驾驶策略也可以为其他实时的能量管理控制方法提供实现能量优化的参考速度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的电动汽车构造图框架图；

图2为本发明的电动汽车决策控制装置的原理框图；

图3为本发明的基于动态规划的能量管理方法原理框图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，包括以下步骤：

步骤三：由安装在电动汽车内的车况监测装置获取车辆自身状态、前车状态的数据信息，结合前述得到的电机转矩-效率的函数信息和距离-海拔高度函数信息，采用动态规划算法即DP算法递归求出电动汽车行驶过程中等距的采样区间内最优的控制输入，在电动汽车初始状态，利用插值的方法求出最优分配力矩和行驶方法，并在每个等距的采样区间内循环往复，从而实现能量的管理以及行驶速度的规划；

如图1所示，作为本发明的进一步优选，前述的电动汽车还包括决策控制装置和实时通信装置，其中，车况监测装置、实时通信装置、车辆定位装置、地理信息系统和底层动力装置均与决策控制装置相连通，决策控制装置由车况监测装置、实时通信装置、车辆定位装置和地理信息系统处采集信息并进行解析和运算后，向底层动力装置发送指令；

图2所示，作为本发明的进一步优选，前述的决策控制装置包括信息接收模块、信息处理模块、实时通信模块和电机控制模块，其中，信息接收模块接收包括车况监测装置的车况监测信息、实时通信装置的实时通讯信息、车辆定位系统的车辆定位信息和地理信息系统的道路地理信息，并发送给信息处理模块；

信息处理模块对采集到的车况监测信息、实时通讯信息、车辆定位信息和道路地理信息进行解析和运算，并发送到实时通信模块；

实时通信模块实现决策控制装置、车辆监测装置、车辆定位装置、地理信息系统、实时通信装置以及底层动力装置之间的信息交互；电机控制模块执行控制装置发送的执行命令，实现前后轮的力矩分配；

图3所示为基于动态规划的能量管理方法原理框图（即电动汽车的能量流动原理框图），下面将参考图3，对本发明的基于动态规划（DP）的电动汽车能量管理和驾驶方法进行详细的描述；

首先，电动汽车规划的需求功率由前轮毂电机和后轮毂电机提供，在驱动状态下锂电池包里的电能按一定的输出效率装换成电机的机械能；在制动状态下，汽车的动能按一定的制动效率转换成电能；

动态规划算法中，将汽车行驶的路段等分为若干份，每一份均为等距的采样区间，同时设定电动汽车在每个等距的采样区间内做匀变速运动；分布式电动汽车在初始位置根据初始时刻的状态量带入动态规划的最优控制序列进行插值，得到当前状态下的最优控制量，当汽车行驶到下一采样点时记录当前阶段消耗的能量，并将此时的采样点作为新的初始位置，同时根据车况监测装置获取当前时刻的车身状态以及前车的状态循环往复。

需要注意的是，本申请中所提到的电动汽车或者车辆自身或车辆均代表的是分布式轮毂电机驱动的电动汽车。

本发明的电动汽车能量管理方法，基于动态规划递归地规划了电动汽车行在驶路段过程考虑道路坡度及前车状态信息情况下的全局最优控制序列，在保证安全性的情况下在每个样本点时输入使全局能量最优的分配力矩实现能量的管理和行驶速度的规划。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤三：由安装在电动汽车内的车况监测装置获取车辆自身状态、前车状态的数据信息，结合前述得到的电机转矩-效率的函数信息和距离-海拔高度函数信息，采用动态规划算法递归求出电动汽车行驶过程中等距的采样区间内最优的控制输入，在电动汽车初始状态，利用插值的方法求出最优分配力矩和行驶方法，并在每个等距的采样区间内循环往复，从而实现能量的管理以及行驶速度的规划。

2.根据权利要求1所述的基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，其特征在于：前述的电动汽车还包括决策控制装置和实时通信装置，其中，车况监测装置、实时通信装置、车辆定位装置、地理信息系统和底层动力装置均与决策控制装置相连通，决策控制装置由车况监测装置、实时通信装置、车辆定位装置和地理信息系统处采集信息并进行解析和运算后，向底层动力装置发送指令；

前述的底层动力装置包括轮毂式的无刷直流电机，用于接收决策控制装置输出的指令并执行决策控制装置的制动和驱动力矩。

3.根据权利要求2所述的基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，其特征在于：

前述的步骤一包括以下子步骤：测功机对前轮毂和后轮毂的电机的电压、电流、转速、转矩测量时做时间同步，同时测量其在驱动状态、制动状态和不同转矩下的运行效率；

决策控制装置根据车况监测装置和实时通信装置获取电动汽车的每个等距的采样区间初始速度信息，以及前车的位置和速度信息；决策控制装置根据前述获得的电动汽车状态信息，电动汽车状态信息包括电动汽车的每个等距的采样区间初始速度信息以及前车的位置和速度信息，规划每个等距的采样区间的控制输出；

前车的速度信息包括速度和加速度。

4.根据权利要求2所述的基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，其特征在于：前述的决策控制装置包括信息接收模块、信息处理模块、实时通信模块和电机控制模块，其中，信息接收模块接收车况监测信息、实时通讯信息、车辆定位信息和道路地理信息，并发送给信息处理模块；信息处理模块对采集到的车况监测信息、实时通讯信息、车辆定位信息和道路地理信息进行解析和运算，并发送到实时通信模块；实时通信模块实现决策控制装置、车辆监测装置、车辆定位装置、地理信息系统、实时通信装置以及底层动力装置之间的信息交互；电机控制模块执行控制装置发送的执行命令，实现前后轮的力矩分配。

5.根据权利要求4所述的基于动态规划算法的电动汽车能量管理和行驶方法，其特征在于：前述的车况监测信息包括车辆速度、车辆SOC状态量和前车位置；实时通讯信息为前车速度；车辆定位信息为差分定位数据。