CN113147729A - 一种油电混合动力***的能量管理方法、能量调整方法 - Google Patents

一种油电混合动力***的能量管理方法、能量调整方法 Download PDF

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Abstract

发明公开了一种油电混合动力***的能量管理方法、能量调整方法，能量管理方法包括模拟调整发动机功率和电动机功率，结合油电混合动力***能量消耗函数计算，直至获得需求功率下能量消耗最小值时发动机和电动机的功率分配方式；以所述功率分配方式控制发动机和电动机做功。本公开通过计算能量消耗最小值时的发动机和电动机的功率分配方式，并且按照该功率分配方式指导发动机和电动机做功，在满足输出功率的同时，保证每一时刻都能取得所耗能量的最小值。

Description

一种油电混合动力***的能量管理方法、能量调整方法
技术领域
本公开属于油电混合动力***领域，具体涉及一种油电混合动力***的能量管理方法、能量调整方法。
背景技术
航空活塞发动机以其燃料的能量密度高，负载能力强的优势，一直被作为动力的首选。但是由于一些工况下效率低下等问题，导致了整体运行的效率不高。而电动机效率较高，但是与之匹配的电池的能量密度较低，纯电动动力***很难长时间运行，续航能力较差。因此，人们提出了油电混合动力***的想法，油电混合动力***具有高灵活度、高效率、节省燃料等优势，在保证一定续航的基础上，可以较好的提高的能源利用率。而决定混合动力***发挥其最大优势的是能量管理的策略，但是现有的能量管理策略主要通过基于逻辑门限的规则控制，该控制方法并没有最大化发挥其混合动力***的优势。主要会出现以下几种技术问题。
1.门限值的设置依赖于工程经验，对每一个新设计的动力***都要有新的门限值的设定，短时间内并不能有效的设置最好的门限值。
2.由于门限值的存在，会在某些状态下，例如巡航状态，出现围绕在逻辑门限值附近的，反复充放电现象。
3.并没有最大化利用油电混合动力***的优势，没有达到最优值。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开的第一目的在于提供一种油电混合动力***的能量管理方法。
本公开的第二目的在于提供一种油电混合动力***的能量调整方法为了实现本公开的第一目的，本公开所采用的技术方案如下：
一种油电混合动力***的能量管理方法，包括：
模拟调整发动机功率和电动机功率，结合油电混合动力***能量消耗函数计算，直至获得需求功率下能量消耗最小值时发动机和电动机的功率分配方式；
以所述功率分配方式控制发动机和电动机做功。
可选地，所述能量消耗函数获取方法是：
获取***的运行参数，根据***运行参数建立能量消耗函数：
J_min(t)＝f(m_fuel(P_e,t),m_electric(P_m,t))
其中J_min(t)代表t时刻能量消耗最小值，m_fuel(P_e,t)代表发动机在t时刻P_e功率下的燃油消耗值，m_electric(P_m,t)代表电动机在t时刻P_m功率下的耗电量。
可选的，所述能量消耗函数是：
J_min(t)＝a*m_fuel(P_e,t)+b*m_electric(P_m,t)
其中，a和b为系数。
为了实现本公开的第二目的，本公开所采用的技术方案如下：
一种油电混合动力***的能量调整方法，包括：
S1、获取上一设定的时间段发动机或电动机占***输出功率下的推进系数α；获取当前时间推进系数α的允许覆盖范围α_min至α_max；
S2、对比上一设定的时间段推进系数α是否处于α_min至α_max之间，若否，执行步骤S3；
S3、执行当前需求功率下上述能量管理方法，并按功率分配方式调整当前发动机和电动机做功。
可选地，所述步骤S3之前还执行以下步骤：
S0、获取上一设定的时间段推进系数α之前还获取当前电池电量；当电池电量小于第三预设电量时，使用发动机供能；当电池电量大于第四预设电量时，使用电池供能；若电池电量大于第三预设电量且小于第四预设电量时执行S1。
可选地，还执行步骤S2’，计算下一设定的时间段电池充电是否超过第一预设电量或者电池放电是否低于第二预设电量；
判断步骤S2和步骤S2’的结果，当步骤S2结果为否或步骤S2’的结果为是时，执行步骤S3。
可选地，所述上一设定的时间段是0.5-1.5秒前的一确定时间段；下一设定的时间段是0.5-1.5秒后的一确定时间段。
可选地，所述第二预设电量和第三预设电量均是电量在25％-35％中的值，第一预设电量和第四预设电量均是电量在65％-75％中的值。
可选地，每一预设的间隔时间后，执行步骤S3调整发动机功率和电动机功率。
可选地，结合油电混合动力***能量消耗函数，计算能量消耗最小值所采用的方法是，在推进系数α在α_min至α_max之间按照一定的间隔分开，然后根据能量消耗函数分别求取能量消耗值，获得能量消耗值最小值时对应的推进系数α，由对应的推进系数α获得发动机和电动机的功率分配方式。
本公开通过油电混合动力***能量消耗函数，能够计算当前时刻或者运行中的某一时刻的能量消耗最小值，得到在能量消耗最小值时的发动机和电动机的功率分配方式，并且按照该功率分配方式指导发动机和电动机做功，在满足输出功率的同时，保证每一时刻都能取得所耗能量的最小值。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开中实施例一的油电混合动力***的能量管理方法的方法原理图；
图2是本公开中实施例二的油电混合动力***的能量调整方法的方法原理图；
图3是本公开中实施例二中优选实施例的方法原理图；
图4是本公开中实施例二中另一优选实施例的方法原理图；
图5是现有技术中的电池电量图；
图6是使用本公开中油电混合动力***的能量调整方法的电池电量图；
图7是现有技术中的燃油消耗图；
图8是使用本公开中油电混合动力***的能量调整方法的燃油消耗图。
具体实施方式。
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
实施例1
参阅图1所示，一种油电混合动力***的能量管理方法，包括：
模拟调整发动机功率P_e和电动机功率P_m，结合油电混合动力***能量消耗函数计算，直至获得需求功率P(t)下能量消耗最小值J_min(t)时发动机和电动机的功率分配方式；以所述功率分配方式控制发动机和电动机做功。
其中，油电混合动力***能量消耗函数来源于***本身的性质，通过获得***运行参数及经验可以获得油电混合动力***能量消耗函数。例如，当某一时刻，***的需求功率是一定的，该需求功率由发动机功率和电动机功率共同提供；提高发动机功率，则可以降低电动机功率，提高电动机功率，则可以降低发动机功率；提高发动机功率将会提高燃油消耗值，降低耗电量；提高电动机功率将会提高耗电量，降低燃油消耗值；并且燃油消耗值无法全部转化为电动机功率，耗电量也无法全部转化为电动机功率；发动机和电动机均具有能量转化率；所以在一定的需求功率下，通过分配发动机功率和电动机功率会获得该需求功率下的燃油消耗值和耗电量，通过不断调整发动机功率和电动机功率，燃油消耗值和耗电量组成的能量消耗具有最小值，当能量消耗处于最小值，获取调整的发动机功率和电动机功率；并且通过该调整方式去控制发动机和电动机做功。在不同的时间段***的需求功率也不同，所以，***可以通过该瞬时优化的方法去分配当前需求功率，从而能够以最小的能量消耗驱动***运行。
能量转化率是由***本身决定的，由于不同的***具有不同的能量转化率，所以每个***的能量消耗函数也均不同；但是一个***的能量消耗函数是大体确定的。
本公开可以用于瞬时优化的方式获取当前的发动机和电动机的功率分配方式，同时调整当时的发动机和电动机的输出功率，同时本公开也可以计算未来某一时间发动机和电动机的功率分配方式，用于在未来的某一时间调整发动机和电动机的功率分配方式。
在一个实施例中，所述能量消耗函数获取方法是：
获取***的运行参数，根据***运行参数建立能量消耗函数：
J_min(t)＝f(m_fuel(P_e,t),m_electric(P_m,t))
其中J_min(t)代表t时刻能量消耗最小值，m_fuel(P_e,t)代表发动机在t时刻P_e功率下的燃油消耗值，m_electric(P_m,t)代表电动机在t时刻P_m功率下的耗电量。
该***的运行参数可以包括发动机参数、电动机参数、充电参数、电池参数等***运行相关的参数信息；
所述能量消耗函数获取还可以采用经验公式，又或，通过测量获取该***实际能量消耗和功率输出的数据，根据该数据建立能量消耗函数。
在一优选实施例中，所述能量消耗函数可以写成：
J_min(t)＝a*m_fuel(P_e,t)+b*m_electric(P_m,t)
其中，a和b为系数。通过该函数，可以忽略***能量固定消耗或其他损耗，主要体现出燃油消耗值和耗电量与能量消耗的关系即可；
该能量消耗函数还可以写成：
J_min(t)＝a*m_fuel(P_e,t)+b*m_electric(P_m,t)+A
其中A是***的固定能量消耗；
该能量消耗函数也可以写成：
J_min(t)＝a*m_fuel(P_e,t)+b*m_electric(P_m,t)+B
其中B是外部环境引起能量消耗；
该能量消耗函数也可以根据***的实际情况调整至接近实际工况其他形式。
实施例二
参阅图2所示，一种油电混合动力***的能量调整方法，包括：
S1、获取上一设定的时间段发动机或电动机占***输出功率下的推进系数α；获取当前时间推进系数α的允许覆盖范围α_min至α_max；由于电机和发动机都存在最大输出功率，因此每一时刻的推进系数α都有一个最大值α_max，以及一个最小值α_min。
S2、对比上一设定的时间段推进系数α是否处于α_min至α_max之间，若否，执行步骤S3；
S3、执行当前需求功率下上述能量管理方法，并按功率分配方式调整当前发动机和电动机做功。
通过该方法就不会在某一门限值上下形成反复充放电行为，发动机的功率也不会变化非常快，增加了***稳定性的同时，提高了燃油经济性。
其中，上一设定的时间段是可以是0.5-1.5秒前的一确定时间段，本实施例可以示例性的例举上一设定的时间段是1秒前的时间。
在一实施例中，结合油电混合动力***能量消耗函数，计算能量消耗最小值所采用的方法是，在推进系数α在α_min至α_max之间按照一定的间隔分开，例如，示例性的可以拆分成100个(α1-α100)，然后根据能量消耗函数分别求取能量消耗值，获得能量消耗值最小值时对应的推进系数α，由对应的推进系数α获得发动机和电动机的功率分配方式。
参阅图3所示，在一优选实施例中，为了让电池电量较高时优先使用电动机做功，或者电池电量较低时，优先使用发动机做功，所述步骤S3之前还执行以下步骤：
S0、获取上一设定的时间段推进系数α之前还获取当前电池电量；当电池电量小于第三预设电量时，使用发动机供能；当电池电量大于第四预设电量时，使用电池供能；若电池电量大于第三预设电量且小于第四预设电量时执行S1。如此，保证了电池电量能够大体稳定在第三预设电量至第四预设电量之间；遇到特殊情况需要较长时间采用电池供电时，电池中有足够的电量。
具体的，第三预设电量均是电量在25％-35％中的值，第四预设电量均是电量在65％-75％中的值，可以控制电池电量较低或电量较高时优先采用发动机供能或电动机供能。第三预设电量可以示例性的设置为30％的电量，第四预设电量可以示例性的设置为70％的电量；当电池电量小于30％电量时，优先使用发动机供能，多余的能量可以为电池充电，电动机在特殊情况也可以供能，例如临时加力时；当电池电量大于70％电量时，优先使用电动机供能，以节省燃油消耗，发动机在特殊情况也可以进行供能，例如临时加力时。
参阅图4所示，在另一优选实施例中，还执行步骤S2’，计算下一设定的时间段电池充电是否超过第一预设电量或者电池放电是否低于第二预设电量；
判断步骤S2和步骤S2’的结果，当步骤S2结果为否或步骤S2’的结果为是时，执行步骤S3。如此，当电池充电快到第一预设电量时，***可以不再优先对电池进行充电，这个时候就可以调整推进系数α，以下能量消耗最小时的方式，控制发动机和电动机输出；当电池放电到快到第二预设电量，这个时候也可以调整推进系数α。
在本实施例中，上一设定的时间段是0.5-1.5秒前的一确定时间段；下一设定的时间段是0.5-1.5秒后的一确定时间段。所述第二预设电量和第三预设电量均是电量在25％-35％中的值，第一预设电量和第四预设电量均是电量在65％-75％中的值。
参阅图5、图6所示，通过Matlab软件中simulink仿真平台建立此油电混合动力***仿真平台，经过本公开的方法进行能量管理，能够解决围绕在某一门限值周围的反复充电问题。参阅图7、图8，经过本公开的方法进行能量管理，能够明显降低燃油的消耗。
在一些实施例中，每一预设的间隔时间后，执行步骤S3调整发动机功率和电动机功率。当采用同一推进系数α分配发动机和电动机功率时，需要在每隔一段时间以后进行修正，提高了燃油经济性。
本公开基于基础的PSO算法，进行了改进与扩展。增加了时间顺序过程，更能准确的判断任务的可行性。增加了变权重系数，对陷入局部最小值有一定的效果。增加了分段任务的平均性，解决了粒子群的发散问题，更好的贴合实际。
由于全局优化本身的局限性(必须预先得知飞行任务)，因此，全局优化的目的放在判断任务的可行性(所带燃油是否满足飞行需求)和对瞬时优化的指导意义。在此背景下全局优化需要快速，较为准确，而PSO算法的优越性也体现在其计算快速，因此选择PSO算法进行改进与扩展，来达到应用的目的。
本公开能够解决新设计***都要有重新设定门限值的缺点，也能够解决围绕在某一门限值周围的反复充电问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种油电混合动力***的能量管理方法，其特征在于，包括：
模拟调整发动机功率和电动机功率，结合油电混合动力***能量消耗函数计算，直至获得需求功率下能量消耗最小值时发动机和电动机的功率分配方式；
以所述功率分配方式控制发动机和电动机做功。
2.如权利要求1所述的油电混合动力***的能量管理方法，其特征在于，所述能量消耗函数获取方法是：
获取***的运行参数，根据***运行参数建立能量消耗函数：
J_min(t)＝f(m_fuel(P_e,t),m_electric(P_m,t))
其中J_min(t)代表t时刻能量消耗最小值，m_fuel(P_e,t)代表发动机在t时刻P_e功率下的燃油消耗值，m_electric(P_m,t)代表电动机在t时刻P_m功率下的耗电量。
3.如权利要求2所述的油电混合动力***的能量管理方法，其特征在于，所述能量消耗函数是：
J_min(t)＝a*m_fuel(P_e,t)+b*m_electric(P_m,t)
其中，a和b为系数。
4.一种油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于，包括：
S1、获取上一设定的时间段发动机或电动机占***输出功率下的推进系数α；获取当前时间推进系数α的允许覆盖范围α_min至α_max；
S2、对比上一设定的时间段推进系数α是否处于α_min至α_max之间，若否，执行步骤S3；
S3、执行当前需求功率下权利要求1所述的能量管理方法，并按功率分配方式调整当前发动机和电动机做功。
5.如权利要求4所述的油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于，所述步骤S3之前还执行以下步骤：
S0、获取上一设定的时间段推进系数α之前还获取当前电池电量；当电池电量小于第三预设电量时，使用发动机供能；当电池电量大于第四预设电量时，使用电池供能；若电池电量大于第三预设电量且小于第四预设电量时执行S1。
6.如权利要求5所述的油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于，还执行步骤S2’，计算下一设定的时间段电池充电是否超过第一预设电量或者电池放电是否低于第二预设电量；
判断步骤S2和步骤S2’的结果，当步骤S2结果为否或步骤S2’的结果为是时，执行步骤S3。
7.如权利要求6所述的油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于，所述上一设定的时间段是0.5-1.5秒前的一确定时间段；下一设定的时间段是0.5-1.5秒后的一确定时间段。
8.如权利要求6所述的油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于，所述第二预设电量和第三预设电量均是电量在25％-35％中的值，第一预设电量和第四预设电量均是电量在65％-75％中的值。
9.如权利要求4所述的油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于：每一预设的间隔时间后，执行步骤S3调整发动机功率和电动机功率。
10.如权利要求4所述的油电混合动力***的能量调整方法，其特征在于：结合油电混合动力***能量消耗函数，计算能量消耗最小值所采用的方法是，在推进系数α在α_min至α_max之间按照一定的间隔分开，然后根据能量消耗函数分别求取能量消耗值，获得能量消耗值最小值时对应的推进系数α，由对应的推进系数α获得发动机和电动机的功率分配方式。
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