CN105459844A - 一种增程式电动汽车多模式能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增程式电动汽车多模式能量管理方法，该方法的特征在于：整车控制器根据驾驶员输入的对车辆动力性能的期望、车载地理信息设备提供的车辆位置和路况信息，以及车辆当前的状态信息，对车辆应该工作在何种模式进行自动判断和切换，并根据所选择的控制模式对増程器和动力电池之间的功率分配进行管理，所述功率分配管理基于庞特里亚金极小值原理的功率分配策略，实现最佳的功率分配。本方法提高增程式电动汽车的驾驶体验，满足不同路况的车辆动力性的能量管理策略。

Description

一种增程式电动汽车多模式能量管理方法

技术领域

本发明属于新能源汽车控制技术领域，具体涉及一种增程式电动汽车多模式能量管理方法。

背景技术

增程式电动汽车通过在纯电动汽车的基础上加装一个小型增程器作为辅助能量源，有效延长了纯电动汽车的续驶里程，消除了驾驶员的“里程焦虑”，被认为是极具发展前景的新能源汽车类型。目前，增程式电动汽车的典型控制模式如下：先控制车辆以纯电动模式行驶，当电池电量下降到某限值时，控制车辆进入增程模式，增程器启动，在为车辆行驶提供能量的同时将动力电池的电量维持在下限值附近。本领域里一般将上述控制模式称为电量消耗-电量维持(CD-CS)模式。CD-CS模式下，由于増程器的功率较小，车辆在电量维持阶段会出现高速行驶时动力性能不足的问题，影响驾驶员的驾驶体验。当然，通过匹配功率足够大的増程器可以解决这一问题，但这会增大増程器的体积和重量，与增程式电动汽车的设计理念相悖。因此，如何利用所匹配的小功率増程器，通过合理的能量管理控制策略来解决电量维持阶段高速行驶动力性能不足的问题，是保证增程式电动汽车具有良好驾驶体验的关键。

目前文献中对增程式电动汽车能量管理策略的研究大多集中在如何提高电量维持阶段的燃油经济性上。如发明专利CN102951037A披露了一种可以根据行驶工况选择不同能量管理策略的思路，能提高增程式电动汽车在不同行驶工况下的燃油经济经济性，但仍然无法解决电量维持阶段高速行驶动力性能不足的问题。

不同的驾驶员对车辆动力性能的期望和要求不一样。有的驾驶员对动力性能要求高，希望车辆在整个行驶过程中都表现出充沛的动力，有的驾驶员则可以接受车辆在电量维持阶段动力性能的不足。在设计能量管理策略时，需要适应驾驶员对车辆不同的动力性能期望。

针对上述增程式电动汽车在增程模式下高速行驶时动力性能不足，无法适应驾驶员对车辆动力性能期望的问题，本发明提供一种工程上可行，并且燃油经济性较高的增程式电动汽车多模式能量管理策略，提高增程式电动汽车的驾驶体验，满足不同路况的车辆动力性的能量管理策略。

发明内容

本发明综合考虑驾驶员对车辆动力性能的期望、车辆的纯电动续驶里程以及车载或移动式地理信息设备提供的车辆位置和简单路况信息，设计了一种多模式能量管理策略，用以提高增程式电动汽车的驾驶体验。

本发明通过以下技术方案实现：增程式电动汽车多模式能量管理控制方法，包括以下步骤：

S01：整车控制器接收车辆当前位置到目的地之间的距离D、剩余路程中不同路段所占的路况比重和驾驶员对车辆动力性能的期望信息；

S02：整车控制器根据上述距离D、路况比重和驾驶员对车辆动力性能的期望信息预估车辆的纯电动续驶里程F；

如果上述距离D小于上述续驶里程F，则控制车辆以纯电动模式行驶，该行驶模式下，车辆的増程器关闭；否则进入步骤S03；

S03：如果未来的行驶工况没有高功率工况，则控制车辆以电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。该电量消耗-电量维持(CD-CS)模式中车辆先工作在纯电动模式，当动力电池剩余荷电量SoC下降到参考值后进入电量维持(CS)模式，控制SoC维持在特定值。否则进入步骤S04；

S04：如果驾驶员对车辆的动力性能期望高，则启动増程器，控制车辆以混合(BL)模式行驶，混合(BL)模式行驶中动力电池SoC在整个行驶过程中随行驶距离线性下降，否则进入步骤S05；

S05：如果驾驶员对车辆的动力性能期望不高，则控制车辆仍然以电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。

进一步的，若执行步骤S04过程中，整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能的期望信息发生由高到低的改变，则关闭増程器，控制车辆以电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。

进一步的，若执行行步骤S05过程中，整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由低到高的改变，且车辆在纯电动行驶，则启动増程器，控制车辆以混合(BL)模式行驶。

进一步的，步骤S03中的未来行驶工况为城区工况。

进一步的，电量维持(CS)模式中电量维持目标定为常值30％。

进一步的，所述车辆当前位置到目的地之间的距离D和剩余路程中不同路段所占的路况比重通过移动式地理信息设备或车载式地理信息设备接入整车网络后获得。

进一步的，S05在后期高速工况下，整车控制器对车辆的最高车速进行限制，所述最高车速值根据増程器的额定输出功率值确定。

进一步的，所述驾驶员对车辆动力性能的期望信息通过外部输入装置输入到整车控制器，所述外部输入装置是面板开关、声控输入、按键输入、手写输入中的一种或多种。

进一步的，电量维持(CS)模式和混合(BL)模式下増程器和动力电池之间的功率分配基于庞特里亚金极小值原理计算，通过使***Hamiltonian函数取值最小保证增程器和动力电池之间获得最佳的功率分配。

本申请还涉及一种增程式电动汽车，其使用上述的方法。

在每一个控制周期内，整车控制器根据驾驶员输入的对车辆动力性能的期望，车载(或移动式)地理信息设备提供的车辆位置和未来路况信息，以及车辆当前的状态(车辆的纯电动续驶里程)，对车辆应该工作在何种模式进行判断和选择，并根据所选择的控制模式对増程器和动力电池之间的功率分配进行相应管理，实现各控制模式下的功能。

附图说明

图1是本发明所提出的第一多模式能量管理控制策略的流程。

图2是本发明所提出的第二多模式能量管理控制策略的流程。

图3是本发明所提出的第三多模式能量管理控制策略的流程。

图4是不同模式下动力电池荷电状态(SoC)随车辆行驶距离的变化轨迹。

具体实施方式

现结合附图进一步说明。

一种用于提高增程式电动汽车驾驶体验的多模式能量管理控制方法，所述方法包括以下步骤：

S01：整车控制器接收车辆当前位置到目的地之间的距离D、剩余路程中不同路段所占的路况比重和驾驶员对车辆动力性能的期望信息。

上述整车控制器接受信息的具体获得方式如下：

车载或移动式地理信息设备获取车辆当前位置到目的地之间的距离D，以下简称距离D，以及剩余路程中不同路段所占的路况比重，路段包括但不限于城市路段、高速路段和越野路段、沙漠路段等；将上述距离D和路况比重通过CAN总线传送给整车控制器；

驾驶员通过外部输入装置将其对车辆动力性能的期望信息输入到整车控制器，外部输入装置可以是面板开关、声控输入、按键输入或手写输入中的一种或多种。

S02：整车控制器根据上述距离D、所述路况比重和驾驶员对车辆动力性能的期望信息预估车辆的纯电动续驶里程F，以下简称里程F，并进行控制模式的判断和选择。

如果距离D小于里程F，则控制车辆以纯电动模式行驶，该行驶模式下，车辆的増程器关闭，其行驶所需的能量全都来自于动力电池。否则进入步骤S03。

S03：如果距离D大于里程F，且未来的行驶工况没有高功率工况，例如未来没有高速工况或者行驶工况均为城区工况，则控制车辆以图4中电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。该电量消耗-电量维持(CD-CS)模式中车辆先工作在纯电动模式，当动力电池剩余荷电量SoC下降到30％后进入电量维持(CS)模式，该电量维持CS模式基于SoC维持的増程器和动力电池之间的最佳功率分配策略，优选地，电量维持目标定为常值30％。否则进入步骤S04。

S04：如果驾驶员对车辆的动力性能期望高，则启动増程器，控制车辆以图4中的第一混合BL1模式驶，动力电池SoC在整个行驶过程中随行驶距离线性下降。否则进入步骤S05。

S05：如果驾驶员对车辆的动力性能期望不高，则控制车辆仍然以CD-CS模式行驶。车辆先工作在纯电动模式，动力电池SoC下降到30％以后进入电量维持模式，优选地，电量维持目标定为常值30％。在后期高速工况时，为了不对动力电池造成过放，整车控制器对车辆的最高车速进行限制，最高限速值根据増程器的额定输出功率值确定。

如图2所示执行步骤S04过程中(如图4中S₁处)，整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由高到低的改变，则关闭増程器，控制车辆以图4中的电量消耗-电量维持CD’-CS模式行驶。

如图3所示，执行步骤S05过程中，如果图4整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由低到高的改变，且车辆在纯电动行驶时(如图4中S₀处)，则启动増程器，控制车辆以图4中的第二混合BL2模式行驶。

为了保证车辆获得较好的燃油经济性，本发明所提出的多模式能量管理控制方法中，CS、BL1和BL2模式下増程器和动力电池之间的功率分配基于庞特里亚金极小值原理设计和实现，通过使***Hamiltonian函数取值最小保证增程器和动力电池之间获得最佳的功率分配，并通过在线更新控制因子，即Hamiltonian函数中的协态变量λ值，实现对参考SoC轨迹的跟踪控制。

实现上述基于庞特里亚金极小值原理的功率分配方法包括以下步骤：

a)离线构造出***Hamiltonian函数值与车辆相应状态之间的映射表格，存储在整车控制器flash中。车辆相应状态包括增程器输出功率、动力电池瞬时电量SoC、温度、整车需求功率和控制因子λ，映射表格中的映射关系由下式决定：

$H={\stackrel{\·}{m}}_f+\mathrm{\λ}\stackrel{\·}{SoC}$

某特定λ和SoC值下的映射表格示例如图2所示。

式中，是对应于增程器最大效率曲线的燃油消耗率，其为増程器输出功率的函数，或由增程器的最佳燃油消耗曲线、输出功率和环境温度共同确定,也可由台架实验标定得到；λ是控制动力电池SoC变化的因子；表示动力电池SoC的变化率。

为整车需求功率、増程器输出功率、动力电池当前SoC和环境温度的函数：

$\stackrel{\·}{SoC}=-\frac{U_{oc}(SoC,T)-\sqrt{U_{oc}^2(SoC,T)-4(P_{dc}-P_E)R_b(SoC,T)}}{2R_b(SoC,T)Q_{nom}}$

式中，U_oc表示动力电池的开路电压；T为动力电池温度；P_dc为整车需求功率；P_E为増程器输出功率；R_b为动力电池内阻；Q_nom为动力电池额定容量，Q_nom为常值。

也可基于动力电池的等效内阻模型和试验数据标定得到。

b)整车控制器通过CAN总线获取BMS传送过来的动力电池瞬时SoC信息，将其与当前模式下当前所设定的参考SoC值进行比较，根据两者的差值对控制策略中影响SoC变化的控制因子λ进行调整和修正。控制因子λ的调整通过一个PI控制模块实现：

λ(k)＝λ₀+k_p(SoC(k)-SoC_ref(k))+k_i∑SoC(i)-SoC_ref(k)

式中，λ(k)为修正后的控制因子，λ₀、k_p和k_i均为需要标定的控制参数，SoC(k)为BMS传送过来的动力电池瞬时SoC值，SoC_ref为所设定的参考SoC值。CS模式中，为了实现SoC的维持，优选地，SoC_ref设定为常值30％；BL1和BL2模式下，为了实现SoC随行驶距离线性下降，SoC_ref由下式决定：

${\mathrm{SoC}}_{ref}\left(k\right)={\mathrm{SoC}}_0-\frac{{\mathrm{SoC}}_0-{\mathrm{SoC}}_f}{D}s\left(k\right)$

式中，SoC₀为即将进入混合BL模式,BL1或BL2,控制模式时动力电池的SoC值，SoC_f设定为30％；s(k)为车辆相对刚进入BL控制模式时的累积行驶距离。

c)整车控制器通过CAN总线获取増程器控制器传送过来的增程器瞬时输出功率信息，预测下一个控制周期增程器输出功率的范围，并对该范围进行离散获得目标功率候选集。

d)整车控制器根据当前车辆的状态信息和步骤b)中更新的控制因子λ的值查表计算每一个候选目标功率所对应的Hamiltonian函数，确定Hamiltonian函数最小值所对应的候选目标功率为下一个控制周期增程器的目标输出功率。

e)整车控制器判断步骤d)中所确定的目标功率是否持续5s为零，若否，则将目标功率值通过CAN总线传送给増程器控制器；若是，则将停机指令传送给増程器控制器，増程器停机。

通过以上原理和实施步骤可以看到，所提出的多模式能量管理控制方法可以适应驾驶员对车辆不同的动力性能要求，解决了传统CD-CS型控制策略在增程模式下高速行驶时动力性能不足的问题，并且能保证车辆在不同模式下都获得较好的燃油经济性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种增程式电动汽车多模式能量管理方法，所述方法包括以下步骤：

S01：整车控制器接收车辆当前位置到目的地之间的距离D、剩余路程中不同路段所占的路况比重和驾驶员对车辆动力性能的期望信息；

S02：整车控制器根据上述距离D、路况比重和驾驶员对车辆动力性能的期望信息预估车辆的纯电动续驶里程F；

如果上述距离D小于上述续驶里程F，则控制车辆以纯电动模式行驶，该行驶模式下，车辆的増程器关闭；否则进入步骤S03；

S03：如果未来的行驶工况没有高功率工况，则控制车辆以电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。该电量消耗-电量维持(CD-CS)模式中车辆先工作在纯电动模式，当动力电池剩余荷电量SoC下降到参考值后进入电量维持(CS)模式，控制SoC维持在特定值。否则进入步骤S04；

S04：如果驾驶员对车辆的动力性能期望高，则启动増程器，控制车辆以混合(BL)模式行驶，混合(BL)模式行驶中动力电池SoC在整个行驶过程中随行驶距离线性下降，否则进入步骤S05；

S05：如果驾驶员对车辆的动力性能期望不高，则控制车辆仍然以电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：若执行步骤S04过程中，整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能的期望信息发生由高到低的改变，则关闭増程器，控制车辆以电量消耗-电量维持(CD-CS)模式行驶。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：若执行行步骤S05过程中，整车控制器检测到驾驶员对车辆的动力性能期望发生由低到高的改变，且车辆在纯电动行驶，则启动増程器，控制车辆以混合(BL)模式行驶。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：步骤S03中的未来行驶工况为城区工况。

5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于：电量维持(CS)模式中电量维持目标定为常值30％。

6.根据如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征是：所述车辆当前位置到目的地之间的距离D和剩余路程中不同路段所占的路况比重通过移动式地理信息设备或车载式地理信息设备接入整车网络后获得。

7.根据如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征是：S05在后期高速工况下，整车控制器对车辆的最高车速进行限制，所述最高车速值根据増程器的额定输出功率值确定。

8.根据如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征是：所述驾驶员对车辆动力性能的期望信息通过外部输入装置输入到整车控制器，所述外部输入装置是面板开关、声控输入、按键输入、手写输入中的一种或多种。

9.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征是：电量维持(CS)模式和混合(BL)模式下増程器和动力电池之间的功率分配基于庞特里亚金极小值原理计算，通过使***Hamiltonian函数取值最小保证增程器和动力电池之间获得最佳的功率分配。

10.一种增程式电动汽车，其特征在于使用如权利要求1-9任一项所述的方法。