阅读说明：本技术 基于工况预测的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法 (Working condition prediction-based range-increasing type electric automobile self-adaptive thermostat control method ) 是由 顾琰浩 吴晓东 张光洲 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于工况预测的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法,涉及增程式电动汽车控制领域,在APU处于运行状态时,通过考虑动力系统综合燃油消耗率J<Sub>z</Sub>和电池电流I<Sub>b</Sub>确定目标函数,并求解所述目标函数得到所述APU的最优工作功率。本发明所提供的方法具有以下技术效果：(1)有工况自适应能力；(2)提高动力电池寿命；(3)较小的噪声、振动。(The invention discloses a working condition prediction-based self-adaptive thermostat control method for a range-extended electric vehicle, relates to the field of range-extended electric vehicle control, and aims to integrate the fuel consumption rate J of a power system by considering the operation state of an APU (auxiliary Power Unit) z And battery current I b And determining an objective function, and solving the objective function to obtain the optimal working power of the APU. The method provided by the invention has the following technical effects: (1) has working condition self-adaptive capacity(ii) a (2) The service life of the power battery is prolonged; (3) less noise and vibration.)

基于工况预测的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法

技术领域

本发明涉及增程式电动汽车控制领域，尤其涉及一种基于工况预测的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法。

背景技术

当前国家对汽车节能指标和测试工况日益严格，在发动机效率和动力电池容量难以突破的前提下，混合动力电动车成为短期满足节能指标的有效方案。增程式电动汽车(Extended Range Electric Vehicle，EREV)在纯电动汽车基础上增加增程器，可以有效改善发动机工作条件和效率。

混合动力车在结构形式上可以分为串联式、并联式、混合式和复杂式几种。其中，增程式电动车系统结构一般为串联式(如附图1所示)。串联式混合动力结构较为简单，由驱动电机直接驱动车轮，而发动机和发电机组成辅助发电单元也称增程器(Auxiliary PowerUnit，APU)不直接和驱动轮连接，只做发电使用。

在研究增程式电动车能量控制策略之前应该先确定能量分配策略。增程式电动车的能量分配策略大体可以分为两种：耗尽维持策略(Charge-Depleting and Charge-Sustaining，CDCS)和混合式策略(Blended)。其中，耗尽维持策略更符合业界对增程式电动车的传统认知。

本发明采用的就是耗尽维持策略。附图2是耗尽维持策略示意图，其基本思路为：动力电池在开始阶段使用纯电行驶，即耗尽(Charge-Depleting，CD)阶段；当电池的荷电状态(SOC)降低至一定限度后启动APU发电，将SOC维持在最低允许限度之上，即维持(Charge-Sustaining，CS)阶段。

国内外学者已经对增程式电动汽车能量控制策略进行了相关研究，目前主要分为基于规则的控制策略和基于优化的控制策略两种方向，在实际工程中使用的主要是基于规则的控制策略，主要包括恒温器控制策略、功率跟随控制策略等。

恒温器控制策略又称为单点控制策略。增程器起动后，发动机在预设的工作点按照恒功率输出，输出功率不随工况的变化而变化，该功率点是最佳功率点，亦可以是保证动力性前提下的最低油耗点，工作点的选取应兼顾发动机的燃油消耗、功率及转速。传统的恒温器控制策略中在CDCS模式下通过预先确定增程式电动汽车的工作工况(例如NEDC)，并结合整车重量、风阻、滚动优化后计算出整车驾驶功率需求，并以此设定APU的最佳工作功率。其中，NEDC是指New European Driving Cycle，新标欧洲循环测试，一种汽车运行工况。当SOC充足时，APU不工作，纯电动行驶，汽车为零排放，此时处于CD阶段。当SOC低于SOC_csmin时，APU开启并设定发动机工作在固定的最佳工作点，其输出的功率一部分传送到驱动电机，多余的储存到电池中，直到SOC上升到SOC_csmax后关闭APU，再次由电池输出功率到驱动电机，并让SOC保持在SOC_csmin和SOC_csmax之间，此时处于CS阶段。

功率跟随控制策略，即发动机的运行沿着固定的曲线变化，可以连续的改变发动机功率值，一般选择最佳燃油经济性时候的发动机功率曲线为目标跟随曲线。该控制策略是由车辆行驶工况决定的，发动机的特性已知，车辆在某一时刻工况下的需求功率，决定了在这一功率下的最低燃油消耗率点的数值。当SOC达到最低限值时，APU系统开启，并沿着最低燃油消耗率曲线运行。

现有技术中的传统恒温器控制策略和功率跟随控制策略都存在一些缺点，其中传统恒温器控制策略的缺点是：

(1)在传统的恒温器控制策略中，APU工作在设定好的恒定功率点，恒定功率点是按照某种工况设计。当车辆工况改变时，因为没有工况自适应能力，APU工作功率点无法改变，车辆无法适应新的工况，整车能量效率降低。

(2)在传统的恒温器控制策略中，为了保证车辆能在电量维持状态下保持车速，设定的恒功率点功率较高。较高的工作功率，使得APU运行时动力电池大功率充电，APU关闭时动力电池大功率放电，导致电池的寿命降低。

(3)在传统的恒温器控制策略中，恒定功率点功率较高，导致APU运行时的噪声和震动较大。

功率跟随控制策略的缺点是：

(1)在功率跟随控制策略下，发动机沿着高效曲线的设定区间运行。发动机大部分时间工作在非最高效点上，综合效率较低。

(2)在功率跟随控制策略下，发动机的输出功率根据需求功率变化，输出功率切换会导致发动机转速和转矩的突变，导致发动机工作状态不稳定，降低发动机效率、增加发动机污染物排放。

(3)APU运行时间长，发动机噪声大且声量不稳定。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法，克服传统恒温器控制策略和功率跟随控制策略中存在的上述缺点。

发明内容

本发明用于增程式电动机车的APU控制策略。有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明设计了一种基于工况预测的自适应恒温器控制策略。具体来说，本发明所要解决的技术问题是：

(1)解决传统恒温器控制策略中APU工作功率点无法随实际工况调整的问题，通过预测未来短时间的需求功率，实现APU工作功率点的动态调整，使得本发明中的控制策略具有工况自适应能力。

(2)解决传统恒温器控制策略中APU工作功率下充放电电流过大影响电池寿命问题，在APU工作功率点的计算中，综合考虑动力系统燃油消耗率和电池电流，得到的APU工作功率点小于传统恒温器控制策略，综合并且通过在控制规则中加入低速、制动能量回收、APU起停间隔等因素，兼顾降低发动机油耗和保护电池寿命。

在自适应恒温器控制策略中，在短时间预测车辆需求功率的基础上，设计一种以动力系统燃油消耗率和电池电流作为目标函数的优化方程，同时综合考虑噪声与振动、发动机排放、动力电池寿命等因素，通过调节APU工作效率，使得车辆在不同工况下，APU与动力电池始终工作在高效区间，并且提高动力电池寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于工况预测的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法，在APU处于运行状态时，通过考虑动力系统综合燃油消耗率J_z和电池电流I_b确定目标函数，并求解所述目标函数得到所述APU的最优工作功率；

所述目标函数如式(1)所示：

min J＝J_z+αJ_i (1)

其中，J_z可表示为式(2)：

所述式(2)的分子部分表示从t₀到t₀+T时间内发动机的燃油消耗量，其中P_APU为所述APU的输出功率，

表示所述APU的所述输出功率为P_APU时，所述APU的最优燃油消耗率；

所述式(2)的分母部分表示所述APU输出的有效功率；所述APU的输出功率共流向两个部分，第一部分流向电机的需求功率，第二部分流向动力电池；流向所述动力电池的所述第二部分由于所述动力电池的内阻，产生一部分功率损耗；其中，I_b为所述动力电池的充放电电流，R_b为所述动力电池的内阻；

其中，α为目标函数中的权重系数；

其中，J_i表示从t₀到t₀+T时间内动力电池充电和放电的电荷总和。

进一步地，所述

可表示为式(3)：

其中，b_e为所述APU中的发动机在转矩Te、转速ne下的燃油消耗率；η_g是所述APU中的发电机在转矩T_e、转速n_e下的效率。

进一步地，所述I_b可表示为式(4)：

其中，E_b为所述动力电池的开路电压；R_b为所述动力电池的内阻；P_m为所述动力电池向外供电的有效功率或者充电时外部提供的功率。

进一步地，所述α可以根据具体车辆参数进行优化；所述α设定的越高越偏向于降低平均电流，延长电池寿命；所述α设定的越低越偏向于让所述APU工作在高效区域。

进一步地，所述J_i可以通过对所述式(4)做积分表示，如式(5)：

其中，P_d表示对未来需求功率的预测。

进一步地，在所述式(5)中设定当前时间为t₀，当前需求功率为

以所述t₀时刻向前T₁为记录时域，向后T₂为预测时域；使用线性方式预测T₂时间内的需求功率为式(6)：

进一步地，所述APU也可能处于关闭状态。

进一步地，所述APU可在运行状态和关闭状态之间进行转换；T_on是所述APU处于运行状态的单次运行持续时间，T_off是所述APU处于关闭状态的单次运行关闭持续时间。

进一步地，SOC_csmax和SOC_csmin是CS阶段下，所述APU正常工作的上下限。

进一步地，当SOC低于SOC_low时，所述APU启动；当SOC＜SOC_csmin时启动所述APU，当SOC＞SOC_csmax时关闭所述APU；当SOC处于SOC_csmin与SOC_csmax两者之间时，所述APU的开关状态保持不变。

本发明提供的一种基于工况预测的增程式电动汽车自适应恒温器控制方法具有以下技术效果：

(1)有工况自适应能力：

在本发明的控制策略中，APU工作功率点不再是一个定值，而是根据需求功率预测系统和以动力系统燃油消耗率和电池电流作为目标函数的优化方程求解出的变化值。当车辆工况改变时，系统将相应的修改APU工作功率点。

(2)提高动力电池寿命：

以动力系统燃油消耗率和电池电流作为目标函数的优化方程综合考虑了车辆燃油经济性和充放电电流，相比传统恒温器控制策略完全没有考虑电池电流，本发明所提供的技术方案具有较小的充电电流，提高了动力电池寿命。

(3)较小的噪声、振动：

在控制规则中加入低速关闭APU、制动能量回收关闭APU、设定APU起停间隔等因素，在低速环境下降低车辆的噪声、振动。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是增程式电动汽车基本结构和能量流示意图；

图2是CDCS策略示意图；

图3是电量维持阶段控制策略流程图；

图4是预测需求功率示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明所采用的策略是基于规则的APU功率控制策略，综合考虑了燃油消耗，噪声以及动力电池寿命等因素，故在电量维持阶段建立了如下控制规则：

(1)为了满足车辆震动与噪声要求，当车速小于V_low时，APU不启动；但是存在某种情况，例如车辆长时间处于拥堵或低速行驶状态，使得车速长时间处在V_low以下；为了防止APU长时间不工作而导致SOC过低，需要另外规定；

(2)当SOC低于SOC_low时，APU启动；SOC_low可以理解为一个相对危险的电量水平，一旦SOC低于它，APU必须无条件启动。

(3)为了保护发动机，减少发动机起动次数，APU每次启动持续时间和关闭持续时间必须大于T_limit；

(4)制动能量回收状态下，为了防止电池充电电流过大，APU应该关闭，保护电池寿命；

(5)设定电量维持区间SOC＜SOC_csmin时启动APU，SOC＞SOC_csmax时关闭APU，处于两者之间时，APU开关状态保持不变。

附图3为增程式电动车在电量维持阶段的控制流程图。SOC_low为APU强制启动的阈值；SOC_csmax和SOC_csmin是电量维持模式下，APU正常工作的上下限。T_on是APU本次运行的持续时间，T_off是APU本次关闭的持续时间；S_APU为APU的运行或者关闭状态。P_APU为系统控制策略给出的APU输出功率。

在传统的恒温器控制下，APU发电功率是通过预先确定增程式电动汽车的工作工况(例如NEDC)结合整车重量、风阻、滚动优化后计算出整车驾驶功率需求并以此设定APU的工作功率。而自适应恒温器策略无需预先知道工作工况，而是在APU处于运行状态时，通过考虑动力系统综合燃油消耗率J_z和电池电流I_b确定目标函数，并求解目标函数得到APU的最优工作功率；

目标函数如式(1)所示：

min J＝J_z+αJ_i (1)

其中，J_z可表示为式(2)：

式(2)的分子部分表示从t₀到t₀+T时间内发动机的燃油消耗量，其中P_APU为APU的输出功率，

表示APU的输出功率为P_APU时，APU的最优燃油消耗率；

式(2)的分母部分表示APU输出的有效功率；APU的输出功率共流向两个部分，第一部分流向电机的需求功率，第二部分流向动力电池；流向动力电池的第二部分由于动力电池的内阻，产生一部分功率损耗；其中，I_b为动力电池的充放电电流，R_b为动力电池的内阻；

其中，α为目标函数中的权重系数；

其中，J_i表示从t₀到t₀+T时间内动力电池充电和放电的电荷总和。

其中，可表示为式(3)：

其中，b_e为APU中的发动机在转矩T_e、转速n_e下的燃油消耗率；η_g是APU中的发电机在转矩T_e、转速n_e下的效率。

其中，I_b可表示为式(4)：

其中，E_b为动力电池的开路电压；R_b为动力电池的内阻；P_m为动力电池向外供电的有效功率或者充电时外部提供的功率。

其中，α可以根据具体车辆参数进行优化；α设定的越高越偏向于降低平均电流，延长电池寿命；α设定的越低越偏向于让APU工作在高效区域。

其中，J_i可以通过对式(4)做积分表示，如式(5)：

其中，P_d表示对未来需求功率的预测。

其中，如图4所示，在式(5)中设定当前时间为t₀，当前需求功率为

以t₀时刻向前T₁为记录时域，向后T₂为预测时域；使用线性方式预测T₂时间内的需求功率为式(6)：

这样，就可以通过计算式(1)中J最小值得出当前工况下最优的输出功率P_APU。

本发明中APU启动的临界车速V_low、APU启动及关闭的最短持续时间T_on，T_off、目标函数中的权重系数α都可以根据具体车辆参数进行优化，具有非常良好通用性。比如在日常使用中V_low可以设置为20km/h以避免低速状态下APU启动带来的噪音问题。T_on，T_off可以设置为20s以避免频繁启动关闭APU造成的发动机寿命缩减。α设定的越高越偏向于降低平均电流，延长电池寿命，设定的越低越偏向于让APU工作在高效区域。

另外，APU也可能处于关闭状态。APU可在运行状态和关闭状态之间进行转换。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。