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CN110103975A - 一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法 - Google Patents

一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法 Download PDF

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CN110103975A CN201910391284.4A CN201910391284A CN110103975A CN 110103975 A CN110103975 A CN 110103975A CN 201910391284 A CN201910391284 A CN 201910391284A CN 110103975 A CN110103975 A CN 110103975A
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罗凯
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刘畅
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Abstract

本发明提供了一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，利用动态规划与机器学习方法从最优控制律中提取最优模式切换图，提出一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法。该模式切换图不仅能够提高车辆经济性，还能提高模式切换的平顺性，降低由模式切换引起的冲击与能量损耗。

Description

一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法
技术领域
本发明属于多模混合动力汽车技术领域，具体涉及一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法。
背景技术
混合动力汽车是搭载两个及以上动力源，在不同汽车状态下，使用不同模式驱动车辆的汽车类型，由于混合动力汽车仍然搭载内燃机装置，故不存在续航里程与能量补充问题；电机的加入，使得发动机能够长期工作在最佳工作效率区间，大大提高了普通内燃机汽车的能量转换效率。多模混合动力汽车(Multi-mode Hybrid Electric Vehicle，MHEV)是在混联式混合动力汽车的基础上延伸得到的混合动力汽车类型，多模混合动力汽车的特点在于，它不仅能够实现如混联式混合动力汽车的高能量效率，多个模式的相互配合能够适应各种不同的工作环境，使其比单一模式混合动力汽车更加节能；同时，并联模式的存在，使其具有比传统混联式混合动力汽车更加优异的加速性能。
目前，国内外混合动力车辆发展过程中存在的一个普遍问题是，混合动力汽车由发动机和驱动电机两种动力源联合驱动的结构特点决定了对应不同的工况下，车辆将处于不同的驱动模式，从而在不同工况下进行转换时需要进行模式切换，而在模式切换过程当中，由能量管理策略决定的稳态目标转矩有可能产生突变，在这一过程中由于电机转矩与发动机转矩的动态特性差异明显，导致传动系统总输出转矩产生剧烈波动，引起显著的车辆纵向运动冲击；另一方面，部分模式切换过程需要有离合器的结合与分离，离合器摩擦转矩的引入以及其转矩特性的不连续性也会使得总转矩发生突变，造成传动系统的冲击，影响车辆的驾驶性能以及乘车的舒适性。以上问题在城市工况下显得更为突出，在此工况下，车辆的平均时速较低，怠速工况以及制动较多，起停较为频繁，因此混合动力汽车的模式切换次数会更加频繁。实现混合动力汽车多工况协调控制，关键在于实现多工况适应模式切换。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，能够根据设计性能指标，计算得到系统的最优控制律，动态规划在保证系统高能量效率的同时能够降低模式切换引起的能量消耗与冲击等。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，包括以下步骤：
步骤1：利用动态规划对多模混合动力汽车在不同标准循环工况下的能量管理控制策略进行优化，动态规划性能指标包括模式切换能量惩罚项；
步骤2：提取动态规划优化的各最优控制律，提取车辆在各结构模式下对应的状态参数集，该状态参数集包括车速、驾驶员需求扭矩信息，并以车速为横坐标，驾驶员需求扭矩为纵坐标绘制状态参数图；
步骤3：使用支持向量机的方法对上述结构模式的状态参数集进行分类，从而提取出该多模混合动力汽车的模式切换图。
进一步的，步骤1所述动态规划能够根据设计性能指标，计算得到系统的最优控制律，该动态规划的性能指标中包括模式切换引起的能量消耗与冲击惩罚项，性能指标如下式所示。
其中，
其中，Jc为目标函数，Xc(t)是系统的控制变量，Λ是某一标准循环工况，gfuel(k)为混合动力汽车在k时刻的燃油消耗量，SOC为电池荷电状态，SOCdes为目标SOC值，SOCf为循环工况终端SOC值，则为系统在给定的循环工况中的燃油消耗量，右式为一个终端状态软约束，即希望电池在循环工况结束时的能量不发生较大的变化，此时才能公平的评价系统的经济性，由于很难将电池的终端电量等于理想值，所以相对于使用一个硬约束，可以使用软约束以提高动态规划的运行能力。μ1是该软约束的权重系数，在实际调试过程中，将μ1的值选取为刚刚能使电池的终端电量回到目标值所对应的值。δ是模式切换惩罚项的判断因子，当δ＝0时，系统无模式切换惩罚；当δ＝1时，系统存在模式切换惩罚。该模式切换惩罚项的核心在于计算模式切换前后的动能差值，当差值大时，模式切换前后存在较大能量差异，则系统会损失一部分动能，或者需要输出一部分功率加速部件，同时也会造成较大的振动，影响车辆前进平顺性。式中，α1、α2与α3是各动力元件的权重系数。
进一步的，步骤2所述结构模式包括单电机纯电动模式，纯电机纯电动模式，输入型功率分流模式，固定传动比并联模式，复合型功率分流模式。
进一步的，步骤3所述支持向量机的方法，能够根据步骤2获取的状态参数集的车速-驾驶员需求扭矩组合作为样本，以各结构模式作为划分类型，获得多模混合动力汽车的模式切换图。
本发明的有益效果是：
本发明提出的基于动态规划的模式切换图设计方法不仅能够提高车辆经济性，还能提高模式切换的平顺性，降低由模式切换引起的冲击与能量损耗。
附图说明
图1是本发明多模混合动力汽车的模式切换图设计方法整体框图。
图2是本发明的无模式切换惩罚项多模混合动力汽车的工作点分布。
图3是本发明的有模式切换惩罚项多模混合动力汽车的工作点分布。
图4本发明的处理过的电量保持模式下的工作点分布图。
图5是本发明的电量保持模式下的模式切换图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明所述的一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，以动力性、经济性与NVH水平等车辆性能作为优化目标。
步骤1：利用动态规划对多模混合动力汽车在不同标准循环工况下的能量管理控制策略进行优化，动态规划性能指标包括模式切换能量惩罚项。
选取不同循环工况包括FUDS、HWFET、NEDC、US06与WLTP等五个典型工况。其中FUDS、HWFET、US06为美国环境保护部EPA的测试工况，NEDC为欧洲的测试标准工况，而WLTP(Worldwide Hramonirzed Light Vehicles Test Procedures)是一个全球合作统一起来的测试工况。
步骤2：提取动态规划优化的各最优控制律，提取车辆在各结构模式下对应的状态参数集，该状态参数集包括车速、驾驶员需求扭矩信息，并以车速为横坐标，驾驶员需求扭矩为纵坐标绘制状态参数图。
提取包括各标准循环工况下，带模式切换惩罚项以及无模式切换惩罚项的各工况下车辆的运动轨迹，SOC轨迹，油耗曲线，发动机、MG1、MG2的转速与扭矩等参数。
将系统在上述五个标准循环工况下，各结构模式的状态统一绘制在以车速为横坐标，驾驶员需求扭矩为纵坐标的图上。如图2与3分别为无模式切换惩罚项与有模式切换惩罚项的工作点分布图，其中不同的结构模式使用不同的颜色表示，红色为模式I单电机纯电动模式(MG2)，蓝色为模式II纯电机纯电动模式，橙色为模式III输入型功率分流模式，绿色为模式IV固定传动比并联模式，紫色为模式V复合型功率分流模式。
对比两张图，可以发现在加入模式切换惩罚项之前，各结构模式之间存在较多重叠的工作区域，甚至有三个结构模式同时出现在某些工作区域。而在加入模式切换惩罚项之后，虽然模式II(纯电机纯电动模式)与模式III(输入型功率分流模式)存在一定的重叠区域，但各结构模式表现出较为清晰的工作区域。模式II与模式III的工作范围较广，但模式II更多地工作在中低速低扭矩需求区域，模式III则工作在中低速中高扭矩需求区域，而模式V(复合型功率分流模式)则明显地工作在高速工作区域，或者可以说是工作在高速巡航状态下，这也是通用将该模式称为高速巡航模式的原因之一。
上述模式II，与模式III和模式V均有部分重叠，这是因为模式III和模式V在低速低扭矩区域的效率均不是最高的，故系统倾向于使用效率较高的纯电动模式；当电池电量较高或高速高扭矩状态持续时间不长时，为了避免频繁的模式切换或者模式切换过程中的能量损失较大，系统倾向于继续使用纯电动模式驱动；当电池电量低时，除非车辆速度或者需求扭矩特别低，系统会倾向于使用混合驱动模式使电池处于充电状态。
可以看出不同的混合驱动模式在不同的工作区域具有不同的工作效率，且系统会优先选择高效率区域工作。
步骤3：使用支持向量机的方法对上述结构模式的状态参数集进行分类，从而提取出该多模混合动力汽车的模式切换图。
对图3所示的Volt 2016结构模式的工作点进行分类，Volt 2016是一款插电式混合动力汽车，其包括电量保持CS与电量损耗CD两种模式。电量损耗一般仅使用纯电动模式，而电量保持模式下仅在低速低扭矩需求区域使用纯电动模式。
电量损耗模式下，相比于模式I，模式II，系统使用纯电动模式驱动的能量效率更高，故在电量损耗模式可以仅使用模式II驱动车辆；而电量保持模式下，若直接使用支持向量机对图3的工作点进行分类，纯电动模式必定会占据较大的工作范围，故对工作点分布进行预处理。从图中发现，模式III基本不工作在左下角低速低扭矩需求区域，故仅保留该区域内的纯电动驱动模式，最后工作点分布图如图4所示。
最后，利用支持向量机对电量保持的结构模式区域进行划分，结果如图5。从图里可以看到，纯电动模式EV(模式II)工作在低速低扭矩区域，复合型功率分流模式(模式V)工作在高速工作区域，而输入型功率分流模式(模式III)工作于剩下的区域。需要注意的是，模式II与模式V的工作区域并不相邻，而是由模式III分隔开，也就是说，模式II与模式V间进行模式切换均会以模式III作为一个过渡状态。由此提取出该多模混合动力汽车的模式切换图。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意改进所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用动态规划对多模混合动力汽车在不同标准循环工况下的能量管理控制策略进行优化，动态规划性能指标包括模式切换能量惩罚项；
步骤2：提取动态规划优化的各最优控制律，提取车辆在各结构模式下对应的状态参数集，该状态参数集包括车速、驾驶员需求扭矩信息，并以车速为横坐标，驾驶员需求扭矩为纵坐标绘制状态参数图；
步骤3：使用支持向量机的方法对上述结构模式的状态参数集进行分类，从而提取出该多模混合动力汽车的模式切换图。
2.根据权利要求1所述的多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，其特征在于：步骤1所述动态规划能够根据设计性能指标，计算得到系统的最优控制律，该动态规划的性能指标中包括模式切换引起的能量消耗与冲击惩罚项，性能指标如下式所示：
其中，
其中，Jc为目标函数，Xc(t)是系统的控制变量，Λ是某一标准循环工况，gfuel(k)为混合动力汽车在k时刻的燃油消耗量，SOC为电池荷电状态，SOCdes为目标SOC值，SOCf为循环工况终端SOC值，则为系统在给定的循环工况中的燃油消耗量，右式为一个终端状态软约束，即希望电池在循环工况结束时的能量不发生较大的变化，此时才能公平的评价系统的经济性，由于很难将电池的终端电量等于理想值，所以相对于使用一个硬约束，可以使用软约束以提高动态规划的运行能力，μ1是该软约束的权重系数，在实际调试过程中，将μ1的值选取为刚刚能使电池的终端电量回到目标值所对应的值，δ是模式切换惩罚项的判断因子，当δ＝0时，系统无模式切换惩罚；当δ＝1时，系统存在模式切换惩罚，该模式切换惩罚项的核心在于计算模式切换前后的动能差值，当差值大时，模式切换前后存在较大能量差异，则系统会损失一部分动能，或者需要输出一部分功率加速部件，同时也会造成较大的振动，影响车辆前进平顺性，式中，α1、α2与α3是各动力元件的权重系数。
3.根据权利要求1所述的多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，其特征在于：步骤2所述结构模式包括单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、输入型功率分流模式、复合型功率分流模式以及固定传动比并联模式。
4.根据权利要求1所述的多模混合动力汽车的模式切换图设计方法，其特征在于：步骤3所述支持向量机的方法，能够根据步骤2获取的状态参数集的车速-驾驶员需求扭矩组合作为样本，划分结构模式的类型，获得多模混合动力汽车的模式切换图。
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