內(nèi)燃混合動力能量管理

1、車用混合動力系統(tǒng)能量管理車用混合動力系統(tǒng)能量管理2005前言前言清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室混合動力存在兩類核心的控混合動力存在兩類核心的控制問題制問題 穩(wěn)態(tài)或動態(tài)過程中多個動力源的能量穩(wěn)態(tài)或動態(tài)過程中多個動力源的能量分配和效率優(yōu)化分配和效率優(yōu)化 動態(tài)過程中動力源的動態(tài)控制或動力動態(tài)過程中動力源的動態(tài)控制或動力源間的協(xié)調(diào)控制源間的協(xié)調(diào)控制能量管理與動態(tài)協(xié)調(diào)司機(jī)轉(zhuǎn)矩需求內(nèi)燃機(jī)目標(biāo)扭矩內(nèi)燃機(jī)節(jié)氣門目標(biāo)開度電機(jī)目標(biāo)扭矩內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)變速器輸入端的總扭矩需求內(nèi)燃機(jī)的目標(biāo)扭矩內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速X內(nèi)燃機(jī)的目標(biāo)功率內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)態(tài)功率穩(wěn)態(tài)功率MAP圖圖內(nèi)燃機(jī)節(jié)氣門目標(biāo)值估計的內(nèi)燃機(jī)輸出扭矩內(nèi)燃機(jī)扭矩內(nèi)燃機(jī)扭矩

2、估計算法估計算法電機(jī)電機(jī)電機(jī)的目標(biāo)扭矩內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)功率限制功率限制功率限制后內(nèi)燃機(jī)的目標(biāo)功率- -協(xié)調(diào)控制算法協(xié)調(diào)控制算法內(nèi)燃機(jī)工作最小扭矩電機(jī)助力最小扭矩基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)扭矩管理策略整車控制器的功能框圖整車控制器的功能框圖APPS Acceleration Pedal Position SensorBPPS Brake Pedal Position Sensor (master cylinder pressure)motor &controlengine& controldrivers torquecommandBPPSPRND+acceleratortorquedetermi

3、negear moderegentorquevehicle mode+-APPSgear modeKEYdeterminekey positionEnergyManagementSequentialcontrolInterpret Drivers IntentsTransxalebattery& controltrans. cmmdeng. cmmdmotor. cmmdkey positionVSCsubsystems所有混合動力系統(tǒng)所有混合動力系統(tǒng)能量管理的共性問題能量管理的共性問題整車控制器整車控制器子系統(tǒng)子系統(tǒng)任務(wù)：任務(wù)：1 車輛行駛模式選擇車輛行駛模式選擇2 車輛行駛檔位選擇

4、車輛行駛檔位選擇3 車輛行駛方向選擇車輛行駛方向選擇4 加速轉(zhuǎn)矩解釋加速轉(zhuǎn)矩解釋5 制動轉(zhuǎn)矩解釋制動轉(zhuǎn)矩解釋駕駛意圖解釋駕駛意圖解釋RegenerativeBraking ControlPRND/Rolling DirectionPRND & Speed+-APS & SpeedAPS/TorqueTransformationDrivers TorqueCommandMCP & SpeedAccel Torque CmdRegenTorque CmdDrivers Torque Cmd行駛模式切換行駛模式切換停車(0)純電動(1)功率輔助(4)發(fā)動機(jī)驅(qū)動(3)6,3充電

5、(6)3,63,44,36,44,61,2,66,7,11,2,33,7,1停機(jī)(8)8,2,33,7,88,11,80,10,2,36,7,8能量回饋(5)6,7,55,88,58,0運(yùn)行狀態(tài)分類及狀態(tài)切換示意圖信號流多點(diǎn)電噴汽油機(jī)電機(jī)變速器離合器車輪主減速器ISAISA控制器汽油機(jī)控制器整車控制器AMT控制器電池電池控制器電機(jī)控制器機(jī)械功率流電功率流混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖變速箱變速箱電動機(jī)電動機(jī)蓄電池蓄電池發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)整車控制器整車控制器電池控制器電池控制器電機(jī)控制器電機(jī)控制器APU控制器控制器串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)工作模式切換示意圖串聯(lián)式混合

6、動力系統(tǒng)工作模式切換示意圖能量管理目標(biāo)能量管理目標(biāo) 燃料消耗率最小燃料消耗率最小 排放最低排放最低 盡量不損失動力性能盡量不損失動力性能 保證電池組壽命保證電池組壽命能量管理的必要性能量管理的必要性 內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、電池的特性及其互補(bǔ)性內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、電池的特性及其互補(bǔ)性電機(jī)模型電機(jī)模型電機(jī)的效率特性、動態(tài)特性一階慣性環(huán)節(jié)：(,)invfnTinvmm(,)motmotmmfnT()max_maxfnmTm/()min(,)_max_smmTTTmmm request電機(jī)特性與控制通過工況研究，匹配單驅(qū)動電機(jī)高效率區(qū)間；同時利用特殊減速箱與適當(dāng)功率等級的雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組合，來達(dá)到電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)最佳效

7、率控制。s 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)高效率區(qū)匹配研究電池特性與控制蓄電池蓄電池RintRint模型模型RoRdVVoc(, )(, )VVSOC TR SOC TIocbatbat0()/00tSOCSOCCIdtCinitbat(/ )00tIdt tbatCK電池特性與控制模型.公交工況下傳統(tǒng)車與串聯(lián)式混合動力車發(fā)動機(jī)的工作效率對比傳統(tǒng)車大型柴油機(jī)平均工作效率15-20混合動力車小型柴油機(jī)平均工作效率30-36混合動力系統(tǒng)能量管理策略混合動力系統(tǒng)能量管理策略 能量管理就是對能量裝置的能量特性進(jìn)行綜合能量管理就是對能量裝置的能量特性進(jìn)行綜合優(yōu)化優(yōu)化. .是迄今為止混合動力系統(tǒng)控制算法中研究的是迄今為止混

8、合動力系統(tǒng)控制算法中研究的最為廣泛的內(nèi)容。最為廣泛的內(nèi)容。 混合動力能量管理策略具有一定的共性，大部混合動力能量管理策略具有一定的共性，大部分文獻(xiàn)提出的方法對不同類型的混合動力均適用分文獻(xiàn)提出的方法對不同類型的混合動力均適用 基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)能量管理策略已經(jīng)相對成熟，基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)能量管理策略已經(jīng)相對成熟，如何利用優(yōu)化理論最大限度發(fā)揮混合動力的潛力一如何利用優(yōu)化理論最大限度發(fā)揮混合動力的潛力一直是研究者追求的目標(biāo)直是研究者追求的目標(biāo)文獻(xiàn)綜述能量管理策略 基于規(guī)則的能量分配策略負(fù)載跟隨式 主動力源工作在優(yōu)化區(qū)域，負(fù)載跟隨 蓄電池提供輔助瞬時功率 蓄電池SOC控制在一定的優(yōu)化范圍開關(guān)式控制 基于蓄電

9、池SOC的滯環(huán)控制 APU工作在最高效率點(diǎn)附近基于模糊邏輯的能量分配策略文獻(xiàn)綜述能量管理策略 瞬時優(yōu)化能量分配策略 基于系統(tǒng)功率損失的目標(biāo)函數(shù) 基于系統(tǒng)等價燃料消耗的目標(biāo)函數(shù) 全局優(yōu)化能量分配策略 根據(jù)既定的駕駛循環(huán)對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化得到的控制輸出是時間的函數(shù)，不能直接應(yīng)用于實(shí)時控制中 典型優(yōu)化方法：動態(tài)規(guī)劃（時間長度選擇為完整循環(huán)工況長度，則優(yōu)化問題成為一個全局最優(yōu)控制問題。選擇為采樣步長，則優(yōu)化問題成為瞬時優(yōu)化問題）基于優(yōu)化的能量分配策略串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略 基于穩(wěn)態(tài)規(guī)則的能量管理基于穩(wěn)態(tài)規(guī)則的能量管理 開關(guān)式控制開關(guān)式控制 On-offAPU

10、stateconditionPower flowstartkeepDrive workingSOC=SOC_lowSOC（MOTORBAT）（APUBAT）- MOTORstopSOC=SOC_highSOCSOC_lowBAT - MOTORbrakeworkingSOC=SOC_lowSOC BATand Ubattery=SOC_highSOCSOC_lowMOTOR- BATOr UbatteryUlimitIdle workingSOC=SOC_lowSOC BATstopSOC=SOC_highSOCSOC_low-stopstop-APU工作在最高效率點(diǎn)附近工作在最高效率點(diǎn)附近

11、，基于蓄電池基于蓄電池SOC的開關(guān)控制的開關(guān)控制發(fā)動機(jī)功率跟隨發(fā)動機(jī)功率跟隨Power followAPUstateconditionPowerflowdriveworkingSOC（MOTORBAT）SOC_lowSOC（MOTORBAT）（APUBAT）- MOTORSOC=SOC_highPem=Pmax（APUBAT）- MOTORPminPem MOTORstopSOC=SOC_highPem MOTORbrakeworkingSOCSOC_highAnd Ubattery BATstopSOC=SOC_highOr UbatteryUlimitMOTOR- BATidleworki

12、ngSOC BATstopSOC=SOC_high-stopstop-APU一般在最佳運(yùn)行線附近運(yùn)行，跟隨負(fù)載功率變化一般在最佳運(yùn)行線附近運(yùn)行，跟隨負(fù)載功率變化 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的模擬串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的模擬Energy ManagementDriver Need RecognitionMode Selection串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理的特點(diǎn)串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理的特點(diǎn)p 主動力源工作在效率、排放優(yōu)化的范圍內(nèi)主動力源工作在效率、排放優(yōu)化的范圍內(nèi)p 蓄電池提供輔助瞬時功率蓄電池提供輔助瞬時功率p 蓄電池蓄電池SOCSOC控制在一定的優(yōu)化范圍控制在一定的優(yōu)化范圍 串聯(lián)式動力系統(tǒng)平臺試驗(yàn)結(jié)

13、果 APU試驗(yàn)臺架內(nèi)燃機(jī)串聯(lián)式混合動力能量管理 能量管理策略框架整車道路試驗(yàn)結(jié)果時間 (s)l串聯(lián)式系統(tǒng)在城市公交道路情況下，驅(qū)動效率提高,可節(jié)油1015l輔助動力系統(tǒng)電動化改造，可節(jié)油1012l實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)，可節(jié)油58l電制動能量回收，可節(jié)油1015 理論節(jié)油可達(dá)50以上！能量優(yōu)化的潛力能量優(yōu)化的潛力發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)離合器離合器變速箱變速箱驅(qū)動橋驅(qū)動橋e20c95t94總效率17.8發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)整流器整流器電機(jī)電機(jī)減速箱減速箱驅(qū)動橋驅(qū)動橋電池電池g92r97m80t96b85系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線e36總效率21.2對比車傳動系統(tǒng)串聯(lián)式傳動系統(tǒng)城市道路工況下應(yīng)用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)動力傳動系統(tǒng)可節(jié)油

14、1015電制動能量回收可實(shí)現(xiàn)節(jié)油1012 工況中，制動時間占工況總運(yùn)行時間20 總制動能量占牽引總能量的53，經(jīng)回收可用于牽引的能量可達(dá)牽引總能量14怠速停機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)油58 工況中，發(fā)動機(jī)怠速時間占總運(yùn)行時間49.4 采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)怠速停機(jī)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性58，并減少發(fā)動機(jī)排放輔助系統(tǒng)電動化可實(shí)現(xiàn)節(jié)油1015傳統(tǒng)車串聯(lián)式混合動力輔助系統(tǒng)（空壓機(jī)、助力轉(zhuǎn)向等）功率56kW56kW空調(diào)功率1318kW58kW工作模式發(fā)動機(jī)驅(qū)動，一直工作電動化，隨時起停節(jié)油比例相較傳統(tǒng)車提高10傳統(tǒng)車傳統(tǒng)車串聯(lián)式混合動力串聯(lián)式混合動力車重（kg）1550116384工況消耗能量（kJ）1298

15、413776制動回收能量（kJ）N/A1786.8柴油燃燒總能量（kJ）128638114709離合器效率0.95N/A變速箱效率0.940.96發(fā)電機(jī)效率N/A0.92電機(jī)及控制器效率N/A0.9電池效率N/A0.9輔助系統(tǒng)消耗能量（kJ）2687716147系統(tǒng)總效率0.1010.120油耗（L/100km）55.245.4串聯(lián)式混合動力車與傳統(tǒng)車的對比（相同公交工況下仿真結(jié)果）實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)和發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)匹配可大大減少發(fā)動機(jī)排放傳統(tǒng)車大型柴油機(jī)顆粒排放圖混合動力車小型柴油機(jī)顆粒排放圖城市道路工況特征 低速 重載 頻繁啟停 城市運(yùn)行串聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢 發(fā)動機(jī)與傳動系解耦 發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū) 發(fā)動

16、機(jī)可實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī) 再生制動能量回饋 輔助系統(tǒng)電動化 可無變速機(jī)構(gòu) 較好節(jié)油性能大幅度改善排放指標(biāo)降低整車噪音操作簡單、靈活城市道路工況 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢 ？城市道路工況是制動能耗最高的工況串聯(lián)式是制動能量回收能力最大的一種混合動力結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)式也是降低排放潛力最大的一種混合動力結(jié)構(gòu)形式Why? 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢以11米高級以上等級城市客車為例進(jìn)行成本分析： 部件名稱傳統(tǒng)車動力系統(tǒng)價格（萬元）串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)價格（萬元）目前研發(fā)成本串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)價格（萬元）年產(chǎn)1000套批量成本發(fā)動機(jī) 8 8 5 54 4發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 0 03 32 2電機(jī)及控制器 0 09 96.56.5變速箱8 8(加緩速

17、器AMT)0.5空調(diào)系統(tǒng) 5 59 96.56.5輔助系統(tǒng) 0.1 0.20.2電源系統(tǒng) 0.1 1 1控制總成系統(tǒng) 0 01.3電池系統(tǒng) 0 010109 9 總 計 21.2 21.241.841.83131 串聯(lián)式動力系統(tǒng)平臺成本分析 部件名稱傳統(tǒng)車動力系統(tǒng)重量（kg）HFF6112GK50第三代串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)重量（kg）發(fā)動機(jī)及附件680200 (YC6L240-30) 250140(SOFIM8140.43N) 離合器140(晉南JL420) 0發(fā)電機(jī)0170電池及電池箱037480電動機(jī)及控制器0 4508

18、0整車控制總成柜060變速器/齒輪箱195(綦江QJ805) 110離合/換檔機(jī)構(gòu)400電渦流緩速器 180(特爾佳FL71-40) 0電動輔助動力系統(tǒng)0 80120 總 計1435 191411米高級以上等級城市客車串聯(lián)式動力系統(tǒng)較傳統(tǒng)動力系統(tǒng)僅增重479kg 串聯(lián)式動力系統(tǒng)平臺重量分析車速 Va km/h020406080100 120 140 160 180-1000100200300400500600100%變速器輸出端驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求 Td_req_bt Nm不同檔位下最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩曲線不同檔位驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求曲線0%部分負(fù)荷變速器輸出端驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求識別總需求轉(zhuǎn)矩確定目標(biāo)轉(zhuǎn)矩確定狀態(tài)切換條件識

19、別電池對充電轉(zhuǎn)矩需求識別駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求（驅(qū)動和制動）低效區(qū)1高效區(qū)低效區(qū)2可用區(qū)不可用區(qū)充電效率放電效率最小值(20%)高效區(qū)下限值(40%-60%)高效區(qū)上限值(60%-80%)0100SOCminSOClowSOChighSOC %效率 b %100電池充放電效率曲線示意圖根據(jù)踏板行程根據(jù)踏板行程和車速等識別和車速等識別以發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)效以發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)效率率MAPMAP圖為基礎(chǔ)圖為基礎(chǔ)劃分發(fā)動機(jī)和電劃分發(fā)動機(jī)和電動機(jī)工作模式動機(jī)工作模式1000200030004000500010203040506070809010010.280.280.280.2

20、80.280.20.30.310.35發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 ne r/min發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩 Te Nm功率輔助工作模式功率輔助工作模式純電動工作模式純電動工作模式(b)(a)(c)發(fā)動機(jī)工作模式發(fā)動機(jī)工作模式發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)效率MAP圖發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩由總需發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩由總需求轉(zhuǎn)矩和求轉(zhuǎn)矩和MAPMAP圖確定圖確定電動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩由總電動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩由總需求轉(zhuǎn)矩和需求轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機(jī)目發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩計算標(biāo)轉(zhuǎn)矩計算計算制動系計算制動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩管理策略的組成主要根據(jù)電池主要根據(jù)電池SOC和電動機(jī)和電動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速識別識別并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

21、能量管理策略基于MAP圖的并聯(lián)混合動力能量管理基于MAP圖的并聯(lián)混合動力能量管理IF minSOCSOC , TrueFlagch,chreqtotPPP IF minSOCSOC , FalseFlagch,reqtotPP (A) Normal Mode (If FalseFlagch and 0reqP) IF onetotPP_, 0eP,totmPP IF amtotonePPP_, totePP ,0mP IF max_mamtotamPPPP, amePP_,amtotmPPP_ IF max_mamtotPPP, max_mtotePPP,max_mmPP (B) Chargi

22、ng Mode (If TrueFlagch and 0reqP) IF onetotPP_, 0eP,reqmPP IF max_etotonePPP, totePP ,chmPP IF max_etotPP, max_eePP ,max_ereqmPPP (C) Braking Mode (If 0reqP) IF min_mreqPP, 0eP,reqmPP,0bP IF min_mreqPP, 0eP,min_mmPP,min_mreqbPPP 全局優(yōu)化能量分配策略全局優(yōu)化能量分配策略 根據(jù)既定的駕駛循環(huán)對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化根據(jù)既定的駕駛循環(huán)對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 混合動力對汽車性能提高的最

23、大潛力混合動力對汽車性能提高的最大潛力 在簡單的基于直覺的控制策略中，我們難于包含多個目標(biāo)，總是通過經(jīng)驗(yàn)，由試驗(yàn)到糾錯，再來驅(qū)動。這種簡單的控制策略通常不是最優(yōu)的，因?yàn)樗腔诓考腔谙到y(tǒng)。 與基于規(guī)則的控制策略相反，動態(tài)優(yōu)化方法依賴于動態(tài)模型來計算最優(yōu)控制策略。對于給定的駕駛循環(huán)，優(yōu)化控制策略最小化燃料消耗，或者綜合考慮燃料消耗和排放。 全局優(yōu)化能量分配策略全局優(yōu)化能量分配策略問題的數(shù)學(xué)描述問題的數(shù)學(xué)描述(1)( ( ), ( )( )( ( ), ( )x kf x ku ky kh x ku k1()0min( ( ), ( )( ()Nu kkJg x ku kG x N目標(biāo)函數(shù)：

24、目標(biāo)函數(shù)：對象狀態(tài)方程：對象狀態(tài)方程：求解步驟求解步驟約束條件約束條件目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)狀態(tài)方程狀態(tài)方程全局優(yōu)化能量分配策略全局優(yōu)化能量分配策略優(yōu)化算法優(yōu)化算法 1.1.引入引入LagrangeLagrange乘子進(jìn)行分析最優(yōu)求解乘子進(jìn)行分析最優(yōu)求解 S. DelpratS. Delprat等首先應(yīng)用于并聯(lián)式混合動力等首先應(yīng)用于并聯(lián)式混合動力 G. PaganelliG. Paganelli等將其應(yīng)用于燃料電池混合動力等將其應(yīng)用于燃料電池混合動力2. SQP2. SQP優(yōu)化優(yōu)化: :梯度搜索算法梯度搜索算法 Ryan FelliniRyan Fellini等等應(yīng)用于并聯(lián)式混合動力應(yīng)用于并聯(lián)式混合

25、動力3.3.動態(tài)規(guī)劃動態(tài)規(guī)劃 并聯(lián)式、串聯(lián)式混合動力均有研究并聯(lián)式、串聯(lián)式混合動力均有研究 密歇根大學(xué)密歇根大學(xué)Chan-Chiao Lin,Huei PengChan-Chiao Lin,Huei Peng等等 俄亥俄州立大學(xué)俄亥俄州立大學(xué)A.Brahma,G. PaganelliA.Brahma,G. Paganelli等等3. Huei Peng提到的隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃提到的隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃()11udxkk穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制律：穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制律：(,)1xfxuwkkkkk狀態(tài)函數(shù)：狀態(tài)函數(shù)：10m inlim(,(),)NkkkkNkJEg xdxw 目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)：動態(tài)規(guī)劃在全局優(yōu)化中的應(yīng)用動態(tài)

26、規(guī)劃在全局優(yōu)化中的應(yīng)用實(shí)車實(shí)車ReservoirAccumulatorD-R1TransT / CICMD-R2Tr-CD-FTr-CGearboxP/ MPowerControlModule結(jié)構(gòu)示意圖仿真模型Power (W)Speed (mph)Engine power ratio8001000120014001600180020002200240050100150200250300350400450500Engine Speed (rpm)Engine Torque (Nm)0.270.230.220.2160.2140.260.250.

27、27Motor + EngineVehicle SpeedEngine torqueMotorEngine發(fā)動機(jī)工作區(qū)域發(fā)動機(jī)輸出功率與整車功率比值160180200220240260280300320340050Speed (mph)160180200220240260280300320340010002000Torque (Nm)Motor torqueEngine torque160180200220240260280300320340010002000Time (sec)Torque (Nm)Motor torqueEngine torqueSDP ResultRule-based R

28、esult190200210220230240050Speed (mph)190200210220230240010002000Torque (Nm)Motor torqueEngine torque190200210220230240010002000Time (sec)Torque (Nm)Motor torqueEngine torque不同能量管理策略比較不同能量管理策略比較Rule-based ResultSDP ResultPower assistMotor only0102030405060160170180190200210220230240Vehicle Speed mphT

29、ime s0102030405060050100150200250300350Vehicle Speed mphTime s020406080100120160170180190200210220230240ConventionalHybrid - SDPEngine Command %Time s500100015002000250030003500160170180190200210220230240ConventionalHybrid -SDPEngine Speed rpmTime s500100015002000250030003500160170180190200210220230

30、240ConventionalHybrid -SDPEngine Speed rpmTime s500100015002000250030003500160170180190200210220230240ConventionalHybrid -SDPEngine Speed rpmTime sEngine Speed rpm0102030405060160170180190200210220230240Vehicle Speed mphTime s0102030405060050100150200250300350Vehicle Speed mphTime s02040608010012016

31、0170180190200210220230240ConventionalHybrid - SDPEngine Command %Time s500100015002000250030003500160170180190200210220230240ConventionalHybrid -SDPEngine Speed rpmTime s00.00.25160170180190200210220230240ConventionalHybrid - SDPNOx g/sTime s00.00.25160170180190200210220230240C

32、onventionalHybrid - SDPNOx g/sTime s00.00.25160170180190200210220230240ConventionalHybrid - SDPNOx g/sTime sNOx g/s 結(jié)果結(jié)果1380 Seconds of FTP 751380 Seconds of FTP 75 141% 247% 71.1% 74.7%18.0% 3.5%Fuel Economy02468101214miles/galRule-BasedConventionalSDPNOx Emissions, Total0510152025g/mile

33、ConventionalSDPRule-BasedParticulate Emissions, Total0.0000.400.50g/mileConventionalRule-BasedSDP問題1.模型的不精確性導(dǎo)致優(yōu)化誤差。模型的不精確性導(dǎo)致優(yōu)化誤差。2.對工況循環(huán)的依賴性導(dǎo)致對工況變化對工況循環(huán)的依賴性導(dǎo)致對工況變化的不適應(yīng)。的不適應(yīng)。3.全局優(yōu)化能量分配的結(jié)果是時間的函全局優(yōu)化能量分配的結(jié)果是時間的函數(shù)，不能直接應(yīng)用于實(shí)時控制中。數(shù)，不能直接應(yīng)用于實(shí)時控制中。由于汽車行駛的未知性，還沒有找到由于汽車行駛的未知性，還沒有找到一套完美的優(yōu)化理論解決方案一套完美的優(yōu)化

34、理論解決方案結(jié)論結(jié)論 基于能量管理系統(tǒng)在混合動力系統(tǒng)中的重基于能量管理系統(tǒng)在混合動力系統(tǒng)中的重要性，可以通過下列途徑提高管理效率要性，可以通過下列途徑提高管理效率 1）車輛在瞬態(tài)過程中的能量管理優(yōu)化車輛在瞬態(tài)過程中的能量管理優(yōu)化 2）新型控制理論對穩(wěn)態(tài)能量管理的改進(jìn)新型控制理論對穩(wěn)態(tài)能量管理的改進(jìn)實(shí)時優(yōu)化能量分配策略實(shí)時優(yōu)化能量分配策略 根據(jù)瞬時目標(biāo)函數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化控制根據(jù)瞬時目標(biāo)函數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化控制 同時考慮了燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和排放指標(biāo)同時考慮了燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和排放指標(biāo)12345Impact()eqxkFuelkNOkPMkHCkCO優(yōu)化的目標(biāo)和結(jié)果優(yōu)化的目標(biāo)和結(jié)果舉例：何彬博士論文內(nèi)容舉例：何彬

35、博士論文內(nèi)容 謝謝 謝謝! ! 混合動力系統(tǒng)能量管理石英喬石英喬 2005210447問題的提出 混合動力包括至少兩種能量源 如何控制多個能量源協(xié)作滿足車輛的驅(qū)動要求能量管理能量管理的目標(biāo) 基本要求驅(qū)動車輛 優(yōu)化目標(biāo) 燃料經(jīng)濟(jì)性最大 排放最小 系統(tǒng)損失最小 良好的駕駛性能 對象的細(xì)化 串聯(lián)式混合動力 并聯(lián)式混合動力 串并聯(lián)式混合動力 內(nèi)燃機(jī)的混合動力 燃料電池的混合動力Power Management Strategy for a Parallel Hybrid Electric Truck并聯(lián)式混合動力能量管理策略概況 并聯(lián)式混合電動汽車有五種工作模式：純電機(jī)、純發(fā)動機(jī)、助力（發(fā)動機(jī)和電機(jī)）

36、、充電（發(fā)動機(jī)給電池充電）和制動能量回收。 為提高燃料經(jīng)濟(jì)性或減少排放，功率管理控制器必須決定使用哪種模式 適當(dāng)?shù)倪€要在滿足駕駛員需求和維持蓄電池SOC值的條件下決定兩個功率源之間的最優(yōu)分配。 并聯(lián)式混合動力能量管理策略概況 第一種：啟發(fā)式控制技術(shù) 控制規(guī)則/模糊邏輯/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計和進(jìn)行控制算法開發(fā)。 第二種：基于靜態(tài)優(yōu)化 電功率被轉(zhuǎn)化成等價的靜態(tài)燃油速率，來計算整體的燃料消耗。該優(yōu)化辦法使用一張靜態(tài)效率MAP圖計算出兩個動力源之間合適的分配關(guān)系。由于簡單的點(diǎn)范圍的優(yōu)化特性，我們有可能把這種優(yōu)化方案用到同時解決燃料經(jīng)濟(jì)性和排放的優(yōu)化問題上。 第三種：優(yōu)化時考慮系統(tǒng)的動態(tài)特性、優(yōu)化關(guān)于一定時間

37、范圍Power Management Strategy for a Parallel Hybrid Electric Truck 基于規(guī)則的能量管理策略 制動控制模式SOC正常 功率分配控制模式SOC低充電控制模式rP0eqrP0eqrP0eqPower Management Strategy for a Parallel Hybrid Electric Truck 基于規(guī)則的能量管理策略 電機(jī)獨(dú)立發(fā)動機(jī)獨(dú)立電機(jī)輔助發(fā)動機(jī)rPeqe onPrPeqe offPrPe oneqe offPP 優(yōu)化目標(biāo) 綜合考慮燃料消耗和特定排放物 目標(biāo)函數(shù)系統(tǒng)損失函數(shù) (1)( ( ), ( )x kf x k

38、 u k 約束條件 目標(biāo)函數(shù) 估算整個駕駛循環(huán)的燃料經(jīng)濟(jì)性和排放主要關(guān)注的是系統(tǒng)級別的動態(tài)過程，因此快于1Hz的動態(tài)過程可以被忽略 分析各個子部件，具體建立函數(shù) 動態(tài)規(guī)劃 規(guī)定最優(yōu)方案的獲得步驟為：先解決最后一步的問題，在解決最后兩步、三步，直至解決了全部的問題。 整個動態(tài)優(yōu)化問題可以被分解成一些簡單優(yōu)化問題的序列。 優(yōu)化結(jié)果 針對給定循環(huán)，使得全局最優(yōu)的換檔MAP圖和功率分配MAP圖 動態(tài)規(guī)劃控制策略在實(shí)際的駕駛條件下應(yīng)用性不強(qiáng)，因?yàn)樗枰孪戎老乱徊降能囁俸吐访鏀?shù)據(jù)。盡管如此，分析它的工作特性有助于我們改進(jìn)基于規(guī)則的控制器。 采用改進(jìn)后的基于規(guī)則的控制策略 在采用動態(tài)規(guī)劃方法的循環(huán)下，性

39、能有提高 在其他循環(huán)下，性能提高不大甚至有退步 動態(tài)規(guī)劃對循環(huán)有依賴 謝謝！謝謝！2. Soon-il Jeon等基于道路工況識別的優(yōu)化能量分配等基于道路工況識別的優(yōu)化能量分配信號獲取信號獲取及儲存及儲存計算道路的特征計算道路的特征參數(shù)C1-C24參數(shù)C1-C24神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識六種典型工況六種典型工況采用相應(yīng)工況的采用相應(yīng)工況的優(yōu)化控制結(jié)果優(yōu)化控制結(jié)果 1. Chan-Chiao Lin,Huei Peng等對多個循環(huán)工況的運(yùn)行等對多個循環(huán)工況的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，優(yōu)化基于規(guī)則的能量分配結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，優(yōu)化基于規(guī)則的能量分配并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理

40、策略全局優(yōu)化能量分配的改進(jìn)全局優(yōu)化能量分配的改進(jìn) 對其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析來優(yōu)化基于規(guī)則的能量對其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析來優(yōu)化基于規(guī)則的能量分配策略分配策略 基于道路工況識別的優(yōu)化能量分配基于道路工況識別的優(yōu)化能量分配 穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制基于優(yōu)化算法的串聯(lián)式混合動力能量管理策略 出發(fā)點(diǎn) 基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)能量分配策略+APU瞬態(tài)行為優(yōu)化 如何利用優(yōu)化理論優(yōu)化以上基于規(guī)則的能量分配策略？ 結(jié)合串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特性，提出了一種新的能量分配優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述及其在線實(shí)時解法混合動力源模型 APU模型 APU工作在最優(yōu)燃油消耗曲線：考慮柴油機(jī)的燃油消耗MAP、發(fā)電機(jī)-整流器的效率特性在內(nèi)的優(yōu)化 最優(yōu)燃油消

41、耗曲線可用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合 發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)燃油消耗模型的修正，以補(bǔ)償動態(tài)燃油效率2apu2apu10apuapuPcPcc)P(C3apu32apu2apu10apuPnPnPnn)P(N)(12apu2apu2apu10apuapuapuPkPcPcc)P,P(C(Pelkmans, EVS 15,1998) 混合動力源模型 蓄電池模型 可變電壓源、可變內(nèi)阻等效電路模型 (SOC的函數(shù)) 充放電效率ocbatdisdisVPR4121211ocbatchgchgVPR412121RIVVbatocbat0PR0PRRbatchgbatdis 蓄電池等效燃油消耗 概念 蓄電池放電過程的等效燃油消耗：將來由APU給蓄電池充電使其獲得相同的能量條件下APU的燃油消耗 蓄電池充電過程的等效燃油消耗：將來蓄電池放電時，APU在輸出相同的能量條件下的燃油消耗 蓄電池充電保持控制策略batocbatdischg,avgchg,avgbatbatPVPR412121C),P(C1SOCbat1ocbatchgdis,avgdis,avgbatbatPVPR412121C),P(CSOCbatbatbatC)SOC1(),P