一种串联式混合动力汽车的能量管理方法

1.本发明属于混合动力汽车能量管理领域，具体涉及一种串联式混合动力汽车的能量管理方法。


背景技术：

2.串联式混合动力汽车结合了传统内燃机汽车和电动汽车的优点，在保证车辆动力性能的前提下，减少了燃油消耗量和废气排放量。串联式混合动力汽车的能量管理策略可以实现多个动力源之间的合理利用，合理的能量管理策略能使各个工况处于效率较高的状态。因此，能量管理策略是串联式混合动力汽车设计中的关键一步。模糊逻辑算法由于不需要精确的数学模型、鲁棒性强和适应性好等特点，在串联式混合动力汽车的能量管理策略方面得到了广泛地应用。
3.模糊逻辑算法控制下的传统能量管理策略仅考虑电池soc值与整车需求功率这两个因素作为输入，来决定串联式混合动力汽车发动机需求功率的大小。当电池soc值过低时时，发动机会通过发电机向动力电池充电，但若此时电池温度过高，会使电池的电化学反应加快，电解液蒸发快，极板易损坏，继续充电则会严重缩短电池寿命。此外，串联式混合动力汽车在制动会进行制动能量回收，将此能量以电能的形式存储到动力电池内，但电池温度过高时进行制动能量回收同样会缩短电池寿命。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种串联式混合动力汽车的能量管理方法，能够避免电池在温度过高时继续进行充放电，提高混合动力汽车动力电池的使用寿命。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种串联式混合动力汽车的能量管理方法，在所述混合动力汽车驱动过程中，包括以下步骤：
7.s1，通过所述混合动力汽车的整车需求功率、电池soc值和电池温度得到调节系数和功率分配系数；
8.s2，将调节系数和标准调节功率相乘得到调节功率，将调节功率和所述混合动力汽车发动机上一时刻功率相加得到所述混合动力汽车发动机输出功率，根据所述混合动力汽车发动机输出功率，结合所述混合动力汽车发动机最小燃油消耗特性曲线确定所述混合动力汽车发动机转速；
9.s3，将功率分配系数与所述混合动力汽车发动机输出功率p
engine_i
相乘得到所述混合动力汽车发动机向动力电池输出的功率pb，p
engine_i
与pb的差值为所述混合动力汽车的发动机发出的用于整车驱动的功率；
10.在所述混合动力汽车制动过程中，当电池温度小于温度阈值且电池soc值小于soc阈值时，采用制动能量回收方法进行制动。
11.优选的，s1中所述混合动力汽车的整车需求功率按如下公式计算得到：
[0012][0013]
其中p
req
为整车需求功率，v为行驶车速，m为整车整备质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为路面坡度，cd为空气阻力系数，a为车辆迎风面积，δ为质量换算系数，η
t
为传动轴的机械效率。
[0014]
优选的，s2所述的标准调节功率在所述混合动力汽车发动机峰值功率的70％至90％内取值。
[0015]
优选的，s1先将所述混合动力汽车的整车需求功率、电池soc值和电池温度模糊化后变为模糊矢量，之后进行模糊推理，求解模糊推理对应的模糊控制规则得到调节系数和功率分配系数的模糊控制量，最后结合重心法将调节系数和功率分配系数的模糊控制量进行反模糊化，得到调节系数和功率分配系数。
[0016]
进一步，所述的整车需求功率模糊化时，基本论域取[0，p
max
]，对应的模糊语言值分别为极小、小、中、大和极大；
[0017]
所述的电池soc值模糊化时，基本论域取[5％，95％]，对应的模糊语言值分别为低、中和高；
[0018]
所述的电池温度模糊化时，基本论域取[0℃，40℃]，对应的模糊语言值分别为低、中和高。
[0019]
进一步，所述调节系数的基本论域对应的模糊语言值分别为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，功率分配系数的基本论域对应的模糊语言值分别为极小、小、中、大和极大。
[0020]
进一步，s1中所述的模糊推理采用mamdani算法进行，之后利用if-then规则在整车需求功率p
req
、电池soc值soci、电池温度ti与对应的调节系数k1和功率分配系数k2之间依次建立90条模糊控制规则。
[0021]
进一步，s1中采用mamdani模糊推理法得到k1和k2的模糊控制量，具体过程如下：
[0022]
s11，设ti、soci、p
req
的模糊子集形成的集合分别为集合a、集合b、集合c，k1、k2的模糊子集形成的集合分别为集合x、集合y，
[0023]
根据mamdani模糊推理法，有：
[0024]
r(k1)＝μa(x)λμb(y)λμc(z)λμ
x
(k1)
[0025]
r(k2)＝μa(x)λμb(y)λμc(z)λμy(k2)
[0026]
式中：r(k1)、r(k2)分别为模糊推理中输入的soci、ti、p
req
和输出的k1、k2之间的模糊关系，λ对应的运算为取小，μa(x)、μb(y)、μc(z)、μ
x
(k1)、μy(k2)分别为ti、soci、p
req
、k1和k2的隶属度函数；
[0027]
s12，根据r(k1)得到k1的模糊推理总输出根据r(k2)得到k2的模糊推理总输出
[0028]
s13，将和利用重心法，对调节系数和功率分配系数的模糊控制量进行反模糊化，得到k1和k2。
[0029]
进一步，s13中k1和k2依次按如下公式得到：
[0030][0031][0032]
式中：x1为调节系数基本论域内的值，x2为功率分配系数基本论域内的值。
[0033]
优选的，在所述混合动力汽车制动过程中，当出现以下两种情况中的一种时，采用机械制动方法进行制动：第一种情况为电池温度大于或等于温度阈值，第二种情况为电池soc值大于或等于soc阈值。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035]
本发明一种串联式混合动力汽车的能量管理方法，先通过电池soc值、整车需求功率和电池温度得到调节系数和功率分配系数，之后利用调节系数、标准调节功率和发动机上一时刻功率可得到发动机输出功率p
engine_i
，p
engine_i
可结合发动机最小燃油消耗特性曲线确定发动机转速，进而达到在动力源控制串联式混合动力汽车的目的。功率分配系数与p
engine_i
相乘可得发动机向动力电池输出的功率pb，p
engine_i
与pb的差值即为发动机发出的用于整车驱动的功率，通过这样的方式决定了发动机需求功率的大小及分配情况，实现了在电池温度过高时拒绝对动力电池进行充电。在汽车制动时，通过设置的电池温度与电池温度阈值，以及电池soc值与电池soc阈值比较，通过逻辑门限值控制方法判断是否进行制动能量回收，进而保证了电池的使用寿命。
附图说明
[0036]
图1为本发明所述的模糊逻辑控制流程图；
[0037]
图2为本发明的电池soc值隶属度函数图；
[0038]
图3为本发明的电池温度隶属度函数图；
[0039]
图4为本发明的整车需求功率隶属度函数图；
[0040]
图5为本发明的调节系数隶属度函数图；
[0041]
图6为本发明的功率分配系数隶属度函数图；
[0042]
图7为本发明所述的逻辑门限值控制方法的流程图；
[0043]
图8为本发明所述的x
i*
对应的模糊推理的输出图；
[0044]
图9为本发明所述的发动机最小燃油消耗特性曲线图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保
护的范围。
[0046]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0047]
本发明一种串联式混合动力汽车的能量管理方法，在汽车驱动过程中，控制发动机的输出功率并进行发动机输出功率的分配，在汽车制动过程中，通过逻辑门限值控制方法来控制是否进行制动能量回收。
[0048]
第一，参见图1，在汽车驱动过程中，先计算得到整车需求功率，以整车需求功率、电池soc值和电池温度作为模糊控制模块的输入量，其中本发明的模糊控制模块包括模糊化接口、知识库、推理机和解模糊接口，模糊化接口将输入值模糊化变为模糊矢量，知识库包括数据库和规则库，数据库存放所有输入输出变量的隶属度函数，用于向推理机提供数据，规则库存放着基于专家知识或长期累积经验的模糊规则，推理机能根据模糊控制规则完成模糊推理从而获得模糊控制量，解模糊接口用于将得到的模糊控制量转换为清晰的控制量输出。模糊化接口将输入量模糊化后变为模糊矢量，推理机进行模糊推理求解模糊关系方程得到模糊控制量，解模糊接口将模糊控制量进行转换得到调节系数k1和功率分配系数k2的控制输出值并作为模糊控制模块的输出量；以调节系数k1和标准调节功率p
sr
相乘的结果作为调节功率pr，标准调节功率p
sr
在发动机峰值功率的70％至90％内取值，最后将调节功率pr和发动机上一时刻功率pf相加作为发动机输出功率p
engine_i
。根据发动机输出功率p
engine_i
，结合发动机最小燃油消耗特性曲线确定发动机转速ni。将功率分配系数k2与发动机输出功率p
engine_i
相乘作为发动机向动力电池输出的功率pb。
[0049]
第二，参见图7，在汽车制动过程中，设置动力电池温度阈值t
th
和动力电池soc阈值soc
th
，动力电池工作的适宜温度在0-40℃之间，动力电池过度充电，电池内部形成结晶击穿正负极隔膜，可能会引起动力电池短路起火，故将动力电池温度阈值t
th
设置为40℃，动力电池soc阈值soc
th
设置为95％。当出现以下两种情况中的一种时，采用机械制动方法进行制动，第一种情况：电池温度ti大于或等于温度阈值t
th
，第二种情况：电池soc值soci大于或等于soc阈值soc
th
时。当电池温度ti小于温度阈值t
th
且电池soc值soci小于soc阈值soc
th
时，采用制动能量回收方法进行制动。
[0050]
具体包括以下步骤：
[0051]
步骤1，确定模糊控制模块的输入量；
[0052]
利用串联式混合动力汽车上的电池监测系统测得动力电池soc值记为soci、利用温度传感器测得此时电池温度记为ti。
[0053]
测得串联式混合动力汽车在行驶状态时的整车整备质量、路面坡度、滚动阻力系数、空气阻力系数、行驶车速参数，则整车需求功率的计算公式为：
[0054][0055]
p
req
为整车需求功率，v为行驶车速，m为整车整备质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为路面坡度，cd为空气阻力系数，a为车辆迎风面积，δ为质量换算系数，η
t
为传动轴的机械效率。
[0056]
步骤2，确定基本论域及模糊子集；
[0057]
以电池soc值soci、电池温度ti、整车需求功率p
req
作为模糊控制模块的输入变量，以调节系数k1和功率分配系数k2作为模糊控制模块的输出变量。
[0058]
对于输入：电池soc值的基本论域取[5％，95％]，将其划分为3个模糊子集，本发明选用低(l)、中(m)、高(h)作为模糊语言值，每一个模糊语言值对应一个模糊子集；电池温度的基本论域取[0℃，40℃]，将其划分为3个模糊子集，本发明选用低(l)、中(m)、高(h)作为模糊语言值，每一个模糊语言值对应一个模糊子集；串联式混合动力汽车的发动机峰值功率p
max
，本发明以常见的110kw进行说明，因此整车需求功率的基本论域取[0，110]，将其划分为5个模糊子集，本发明选用极小(vs)、小(s)、中(m)、大(b)、极大(vb)作为模糊语言值，每一个模糊语言值对应一个模糊子集。
[0059]
对于输出：调节系数k1在其基本论域上分为7个模糊子集，本发明选用负大(nb)、负中(nm)、负小(nl)、零(zo)、正小(pl)、正中(pm)、正大(pb)作为模糊语言值，每一个模糊语言值对应一个模糊子集；功率分配系数k2在其基本论域上分为5个模糊子集，本发明选用极小(vl)、小(l)、中(m)、大(b)、极大(vb)作为模糊语言值，每一个模糊语言值对应一个模糊子集。
[0060]
步骤3，设计模糊规则；
[0061]
本发明设计的能量管理方法的运行过程描述如下：
[0062]
当电池soc值较小时，发动机作为主要的动力源，若电池温度过高，则发动机发出的功率大部分用来驱动整车；若电池温度适中或者过低，则发动机发出的功率部分用来驱动整车，剩余的功率用来给动力电池充电。
[0063]
当电池soc值适中时，发动机和电池共同作为动力源，若电池温度过高，则整车驱动主要由发动机承担；若电池温度适中或者过低，则整车动力由两者共同承担。
[0064]
当电池soc值较大且电池温度适中时，电池作为主要动力源，发动机进行整车辅助驱动。
[0065]
依据上述工作过程制定模糊控制规则，推理方法采用mamdani算法，采用if-then规则共建立90条模糊控制规则，当电池soc值为l时，模糊控制规则如表1所示。当电池soc值为m时，模糊控制规则如表2所示。当电池soc值为h时，模糊控制规则如表3所示。
[0066]
表1电池soc值为l时的模糊规则
[0067][0068]
表2电池soc值为m时的模糊规则
[0069][0070]
表3电池soc值为h时的模糊规则
[0071][0072]
表1、表2和表3中，t对应电池温度，p对应整车需求功率，电池温度和整车需求功率的模糊语言值均对应2个模糊语言值，从左往右分别为k1、k2的模糊语言值。由隶属度函数图可以确定电池soc值、电池温度、整车需求功率的隶属度，例如，当输入的电池温度为25℃时，由图3可以得到，此时电池温度为中(m)的隶属度为0.8，电池温度为高(h)的隶属度为0.2。电池soc值隶属度函数图、电池温度隶属度函数图、整车需求功率隶属度函数图、调节系数隶属度函数图和功率分配系数隶属度函数依次如图2、图3、图4、图5和图6所示。
[0073]
步骤4，模糊推理；
[0074]
采用mamdani模糊推理法，令电池温度、电池soc值、整车需求功率的模糊子集形成的集合分别为集合a、集合b、集合c，调节系数k1、功率分配系数k2的模糊子集形成的集合分别为集合x、集合y。
[0075]
根据mamdani模糊推理法，有：
[0076]
r(k1)＝μa(x)λμb(y)λμc(z)λμ
x
(k1)
[0077]
r(k2)＝μa(x)λμb(y)λμc(z)λμy(k2)
[0078]
式中：r(k1)、r(k2)分别为模糊推理中输入的soci、ti、p
req
和输出的k1、k2之间的模糊关系，λ为取小运算，μa(x)、μb(y)、μc(z)、μ
x
(k1)、μy(k2)分别为电池温度、电池soc值、整车需求功率、调节系数和功率分配系数的隶属度函数。
[0079][0080]
[0081]
式中：a
*
、b
*
、c
*
表示既定事实，x
*
、y
*
表示推理结果；是a∩a
*
隶属度函数的最大值，表示a
*
对a的适配度，ωb和ωc含义与ωa类似，分别表示b
*
对b的适配度和c
*
对c的适配度；∨为取大运算。
[0082]
例如，当输入的电池温度为25℃，电池soc值为0.8，整车需求功率为100kw时，电池温度为中(m)的隶属度为0.8，电池温度为高(h)的隶属度为0.2；电池soc值为中(m)的隶属度为0.3，电池soc值为高(h)的隶属度为0.7；需求功率为大(b)的隶属度为0.2，整车需求功率为极大(vb)的隶属度为0.8。
[0083]
当电池温度为中(m)、电池soc值为中(m)且整车需求功率为大(b)时，根据表2可知，调节系数k1为正中(pm)，功率分配系数k2为小(l)。该情况对应的模糊推理的输出为，如图8所示：
[0084][0085]
式中：表示调节系数k1为正中(pm)时的隶属度函数。
[0086]
同理，得到所有模糊推理的输出，进而得到k1的模糊推理总输出，即取所有模糊推理输出的并集：
[0087][0088]
按照相同的过程可以得到k2的模糊推理总输出μ
y*
(k2)。
[0089]
步骤5，反模糊化；
[0090]
选择重心法计算调节系数k1和功率分配系数k2的控制输出值，其计算公式如下：
[0091][0092][0093]
式中：x1为调节系数基本论域内的值，x2为功率分配系数基本论域内的值。
[0094]
步骤6，发动机转速确定；
[0095]
将调节系数k1和标准调节功率p
sr
相乘作为调节功率pr，最后将调节功率pr和发动机上一时刻功率pf相加作为发动机输出功率p
engine_i
，发动机上一时刻功率pf是发动机在上一时刻输出的功率p
engine_i-1
。根据发动机输出功率p
engine_i
，结合发动机最小燃油消耗特性曲线确定发动机转速ni，从而保证汽车的燃油经济性。
[0096]
具体的，由发动机输出功率p
engine_i
和发动机最小燃油消耗特性曲线确定出此时发动机转速n
i。
发动机输出功率p
engine_i
和发动机转速ni是一一对应的，例如，如图9所示的由
a1、a2和a3所对应的发动机最小燃油消耗特性曲线，当发动机输出功率p
engine_i
为p1时，所对应的发动机转速为n1。
[0097]
步骤7，发动机功率分配；
[0098]
根据功率分配系数k2可以求得发动机的功率分配，具体地，功率分配系数k2与发动机输出功率p
engine_i
相乘得到发动机向动力电池输出的功率pb，即发动机通过发电机向动力电池充电的功率pb，剩余的功率为发动机发出的用于整车驱动的功率pd，具体如下式所示：
[0099][0100]
式中：pb为发动机向动力电池输出的功率，pd为发动机发出的用于整车驱动的功率。
[0101]
例如，功率分配系数k2为0.6且发动机输出功率p
engine_i
为80kw时，此时发动机向动力电池输出的功率pb为48kw，用于整车驱动的功率pd为32kw。

技术特征：
1.一种串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，在所述混合动力汽车驱动过程中，包括以下步骤：s1，通过所述混合动力汽车的整车需求功率、电池soc值和电池温度得到调节系数和功率分配系数；s2，将调节系数和标准调节功率相乘得到调节功率，将调节功率和所述混合动力汽车发动机上一时刻功率相加得到所述混合动力汽车发动机输出功率，根据所述混合动力汽车发动机输出功率，结合所述混合动力汽车发动机最小燃油消耗特性曲线确定所述混合动力汽车发动机转速；s3，将功率分配系数与所述混合动力汽车发动机输出功率p
engine_i
相乘得到所述混合动力汽车发动机向动力电池输出的功率p
b
，p
engine_i
与p
b
的差值为所述混合动力汽车的发动机发出的用于整车驱动的功率；在所述混合动力汽车制动过程中，当电池温度小于温度阈值且电池soc值小于soc阈值时，采用制动能量回收方法进行制动。2.根据权利要求1所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，s1中所述混合动力汽车的整车需求功率按如下公式计算得到：其中p
req
为整车需求功率，v为行驶车速，m为整车整备质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为路面坡度，c
d
为空气阻力系数，a为车辆迎风面积，δ为质量换算系数，η
t
为传动轴的机械效率。3.根据权利要求1所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，s2所述的标准调节功率在所述混合动力汽车发动机峰值功率的70％至90％内取值。4.根据权利要求1所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，s1先将所述混合动力汽车的整车需求功率、电池soc值和电池温度模糊化后变为模糊矢量，之后进行模糊推理，求解模糊推理对应的模糊控制规则得到调节系数和功率分配系数的模糊控制量，最后结合重心法将调节系数和功率分配系数的模糊控制量进行反模糊化，得到调节系数和功率分配系数。5.根据权利要求4所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，所述的整车需求功率模糊化时，基本论域取[0，p
max
]，对应的模糊语言值分别为极小、小、中、大和极大；所述的电池soc值模糊化时，基本论域取[5％，95％]，对应的模糊语言值分别为低、中和高；所述的电池温度模糊化时，基本论域取[0℃，40℃]，对应的模糊语言值分别为低、中和高。6.根据权利要求5所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，所述调节系数的基本论域对应的模糊语言值分别为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，功率分配系数的基本论域对应的模糊语言值分别为极小、小、中、大和极大。7.根据权利要求6所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，s1中所述的模糊推理采用mamdani算法进行，之后利用if-then规则在整车需求功率p
req
、电池soc值
soc
i
、电池温度t
i
与对应的调节系数k1和功率分配系数k2之间依次建立90条模糊控制规则。8.根据权利要求7所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，s1中采用mamdani模糊推理法得到k1和k2的模糊控制量，具体过程如下：s11，设t
i
、soc
i
、p
req
的模糊子集形成的集合分别为集合a、集合b、集合c，k1、k2的模糊子集形成的集合分别为集合x、集合y，根据mamdani模糊推理法，有：r(k1)＝μ
a
(x)λμ
b
(y)λμ
c
(z)λμ
x
(k1)r(k2)＝μ
a
(x)λμ
b
(y)λμ
c
(z)λμ
y
(k2)式中：r(k1)、r(k2)分别为模糊推理中输入的soc
i
、t
i
、p
req
和输出的k1、k2之间的模糊关系，λ对应的运算为取小，μ
a
(x)、μ
b
(y)、μ
c
(z)、μ
x
(k1)、μ
y
(k2)分别为t
i
、soc
i
、p
req
、k1和k2的隶属度函数；s12，根据r(k1)得到k1的模糊推理总输出根据r(k2)得到k2的模糊推理总输出s13，将和利用重心法，对调节系数和功率分配系数的模糊控制量进行反模糊化，得到k1和k2。9.根据权利要求8所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，s13中k1和k2依次按如下公式得到：依次按如下公式得到：式中：x1为调节系数基本论域内的值，x2为功率分配系数基本论域内的值。10.根据权利要求1所述的串联式混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，在所述混合动力汽车制动过程中，当出现以下两种情况中的一种时，采用机械制动方法进行制动：第一种情况为电池温度大于或等于温度阈值，第二种情况为电池soc值大于或等于soc阈值。

技术总结
本发明一种串联式混合动力汽车的能量管理方法，在驱动过程中，通过整车需求功率、电池SOC值和电池温度得到调节系数和功率分配系数；将调节系数和标准调节功率相乘得到调节功率，将调节功率和发动机上一时刻功率相加得到发动机输出功率，根据发动机输出功率，结合发动机最小燃油消耗特性曲线确定发动机转速；将功率分配系数与发动机输出功率相乘得到发动机向动力电池输出的功率，差值为发动机发出的用于整车驱动的功率。在制动过程中，当电池温度小于温度阈值且电池SOC值小于SOC阈值时，采用制动能量回收方法进行制动。本发明能够避免电池在温度过高时继续进行充放电，提高混合动力汽车动力电池的使用寿命。力汽车动力电池的使用寿命。力汽车动力电池的使用寿命。


技术研发人员：王建锋 尹义壮 马建 刘臻玮 王经波 刘乘泓 刘晟 董金卫
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/6/28