一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略

摘要

本发明提供一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略，通过计算发动机的功率损耗，计算电机的功率损耗，计算动力电池的功率损耗，设定动力电池荷电状态变化的附加功率损耗；设定工作模式切换的附加功率损耗；设定满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗；计算混合动力系统瞬时功率损耗，提高整车控制策略对不同工况的适应性。

权利要求

1.一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、计算发动机的功率损耗PICE_cost，

PICE_cost＝Pg_max-Pg   (1)

式中，Pg是由燃油消耗率ge(g/kWh)计算得到单位质量燃油所能发出的功率，

(kW/g)；发动机最低燃油消耗率点对应的Pg_max与发动机万有特性其余各点对应Pg的差值即作为发动机的功率损耗；

步骤2、计算电机的功率损耗PEM_cost，当混合动力系统只有一个电机时，电机的功率损耗算法为：PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech   (2)

式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM_elec＝a·Tm2+b·Tm+c，a、b、c为基于电机的效率特性试验数据拟合系数；PEM_mech为某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM_mech＝Tm·nm/9550；根据电机转速nm和电机总扭矩需求Tm，通过查拟合系数表得到PEM_elec，通过公式计算得到PEM_mech，则由式(2)计算得到电机的功率损耗PEM_cost；

当混合动力系统有两个电机时，电机的功率损耗算法为：

式中，PEM1_elec和PEM2_elec分别为ISG电机和驱动电机在某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM1_elec＝a1·Tm12+b1·Tm1+c1，PEM2_elec＝a2·Tm22+b2·Tm2+c2，a1、b1、c1为基于ISG电机的效率特性试验数据拟合系数，a2、b2、c2为基于驱动电机的效率特性试验数据拟合系数；PEM1_mech和PEM2_mech分别为ISG电机和驱动电机某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM1_mech＝Tm1·nm1/9550，PEM2_mech＝Tm2·nm2/9550；根据电机转速nm1、nm2和电机扭矩指令Tm1、Tm2，通过查拟合系数表得到PEM1_elec、PEM2_elec，通过公式计算得到PEM1_mech、PEM2_mech，则由式(3)计算得到电机的功率损耗PEM1_cost、PEM2_cost；

步骤3、计算动力电池的功率损耗PBAT_cost；

PBAT_cost＝I2·R   (4)

式中，I为动力电池充放电电流；R为动力电池的充放电内阻；

步骤4、设定动力电池荷电状态变化的附加功率损耗PSOCControl_cost；设定工作模式切换的附加功率损耗PStateTransfer_cost；设定满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗PSatisfyDriveReq_cost；则混合动力系统瞬时功率损耗PTotal_cost为：PTotal_cost＝PICE_cost+PEM1_cost+PEM2_cost+PBAT_cost+PSOCControl_cost+PStateTransfer_cost+PSatisfyDriveReq_cost混合动力系统瞬时功率损耗PTotal_cost最终表达为发动机扭矩TICE的二次多项式，通过黄金分割搜索法，经过n次搜索，得到混合动力系统瞬时功率损耗最低点对应的发动机扭矩T*ICE，再根据驾驶员扭矩需求进一步得到某一状态点的电机总扭矩需求T*m＝TDriverReq-T*ICE，其中TDriverReq是指驾驶员扭矩需求，即根据油门踏板和车速解析的扭矩需求；

对上述求得的电机总扭矩需求采用二次多项式求解电机功率损耗最小时的电机扭矩分配，得到一ISG电机的扭矩需求和另一驱动电机的扭矩需求：式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率；d表示微积分计算，Tm为电机总扭矩需求；Tm1、Tm2分别为ISG电机和驱动电机的扭矩需求；当电机电功率PEM_elec取得最小值时，电机功率损耗PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech也取得最小值；

由式(5)求解得到 式中，T*m为某一状态点的电机总扭矩需求；T

*m1、T*m2分别为使得电机功率损耗PEM_elec最小时ISG电机和驱动电机的扭矩，根据T*m1和T*m2的值进行扭矩分配。

2.根据权利要求1所述的一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略，其特征在于：所述扭矩分配采用黄金分割搜索法求解混合动力系统瞬时功率损耗最小时的发动机扭矩，其中设定黄金比例系数0.382，最大迭代次数20，允许扭矩误差1Nm。

说明书

一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略

技术领域

[0001] 本发明涉及一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略。

背景技术

[0002] 目前混合动力汽车在我国已大量投入运行，在整车控制策略方面，基于规则的逻辑门限控制策略简单易行、实用性强且具有较好的鲁棒性，被广泛应用，但是这种策略未考虑实际路况的动态变化以及发动机、电机、电池、传动系效率等因素的影响，因而无法达到全局最优和燃油经济性最高，还需要进一步完善。针对固定行驶工况、以全局油耗最低的全局优化算法是混合动力系统最为理想的优化方法，但需要提前知道实际行驶工况，且计算量大，不能直接用于实车实时控制，所以现有控制策略对实际道路工况的适应性较差。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题，在于提供一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略。

[0004] 本发明是这样实现的：一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略，包括如下步骤：

[0005] 步骤1、计算发动机的功率损耗PICE_cost，

[0006] PICE_cost＝Pg_max-Pg    (1)

[0007] 式中，Pg是由燃油消耗率ge(g/kWh)计算得到单位质量燃油所能发出的功率，(kW/g)；发动机最低燃油消耗率点对应的Pg_max与发动机万有特性其余各点对应
Pg的差值即作为发动机的功率损耗；

[0008] 步骤2、计算电机的功率损耗PEM_cost，当混合动力系统只有一个电机时，电机的功率损耗算法为：

[0009] PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech    (2)

[0010] 式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM_elec＝a·Tm2+b·Tm+c，a、b、c为基于电机的效率特性试验数据拟合系数；PEM_mech为某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM_mech＝Tm·nm/9550；根据电机转速nm和电机总扭矩需求Tm，通过查拟合系数表得到PEM_elec，通过公式计算得到PEM_mech，则由式(2)计算得到电机的功率损耗PEM_cost；

[0011] 当混合动力系统有两个电机时，电机的功率损耗算法为：

[0012]

[0013] 式中，PEM1_elec和PEM2_elec分别为ISG电机和驱动电机在某一转速下不同转矩输出所2 2
消耗的电功率，PEM1_elec＝a1·Tm1+b1·Tm1+c1，PEM2_elec＝a2·Tm2+b2·Tm2+c2，a1、b1、c1为基于ISG电机的效率特性试验数据拟合系数，a2、b2、c2为基于驱动电机的效率特性试验数据拟合系数；PEM1_mech和PEM2_mech分别为ISG电机和驱动电机某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM1_mech＝Tm1·nm1/9550，PEM2_mech＝Tm2·nm2/9550；根据电机转速nm1、nm2和电机扭矩指令Tm1、Tm2，通过查拟合系数表得到PEM1_elec、PEM2_elec，通过公式计算得到PEM1_mech、PEM2_mech，则由式(3)计算得到电机的功率损耗PEM1_cost、PEM2_cost；

[0014] 步骤3、计算动力电池的功率损耗PBAT_cost；

[0015] PBAT_cost＝I2·R    (4)

[0016] 式中，I为动力电池充放电电流；R为动力电池的充放电内阻；

[0017] 步骤4、设定动力电池荷电状态变化的附加功率损耗PSOCControl_cost；设定工作模式切换的附加功率损耗PStateTransfer_cost；设定满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗PSatisfyDriveReq_cost；则混合动力系统瞬时功率损耗PTotal_cost为：

[0018] PTotal_cost＝PICE_cost+PEM1_cost+PEM2_cost+PBAT_cost+PSOCControl_cost+PStateTransfer_cost[0019] +PSatisfyDriveReq_cost

[0020] 混合动力系统瞬时功率损耗PTotal_cost最终表达为发动机扭矩TICE的二次多项式，通过黄金分割搜索法，经过n次搜索，得到混合动力系统瞬时功率损耗最低点对应的发动机扭矩T*ICE，再根据驾驶员扭矩需求进一步得到某一状态点的电机总扭矩需求T*m＝TDriverReq-T*ICE，其中TDriverReq是指驾驶员扭矩需求，即根据油门踏板和车速解析的扭矩需求；

[0021] 对上述求得的电机总扭矩需求采用二次多项式求解电机功率损耗最小时的电机扭矩分配，得到一ISG电机的扭矩需求和另一驱动电机的扭矩需求：

[0022]

[0023] 式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率；d表示微积分计算，Tm为电机总扭矩需求；Tm1、Tm2分别为ISG电机和驱动电机的扭矩需求；当电机电功率PEM_elec取得最小值时，电机功率损耗PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech也取得最小值；

[0024] 由式(5)求解得到 式中，T*m为某一状态点的电机总扭矩需求；T*m1、T*m2分别为使得电机功率损耗PEM_elec最小时ISG电机和驱动电机的扭矩，根据T*m1和T*m2的值进行扭矩分配。

[0025] 进一步地，所述扭矩分配采用黄金分割搜索法求解混合动力系统瞬时功率损耗最小时的发动机扭矩，其中设定黄金比例系数0.382，最大迭代次数20，允许扭矩误差1Nm。

[0026] 本发明具有如下优点：本发明一种插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略，通过合理地参数标定，可以使车辆在各种行驶工况下维持电池电量和保证整车动力性的同时改善燃油经济性，达到系统全局优化的效果，提高整车控制策略对不同工况的适应性。

附图说明

[0027] 下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

[0028] 图1为一种插电式混联混合动力汽车整车系统构型图。

[0029] 图2为基于混合动力系统瞬时功率损耗最小化的扭矩分配实施流程图。

具体实施方式

[0030] 本发明插电式混合动力瞬时功率损耗最小化扭矩分配策略，包括如下步骤：

[0031] 步骤1、计算发动机的功率损耗PICE_cost，

[0032] PICE_cost＝Pg_max-Pg    (1)

[0033] 式中，Pg是由燃油消耗率ge(g/kWh)计算得到单位质量燃油所能发出的功率，(kW/g)；发动机最低燃油消耗率点对应的Pg_max与发动机万有特性其余各点对应
Pg的差值即作为发动机的功率损耗；

[0034] 步骤2、计算电机的功率损耗PEM_cost，当混合动力系统只有一个电机时，电机的功率损耗算法为：

[0035] PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech    (2)

[0036] 式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM_elec＝a·Tm2+b·Tm+c，a、b、c为基于电机的效率特性试验数据拟合系数；PEM_mech为某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM_mech＝Tm·nm/9550；根据电机转速nm和电机总扭矩需求Tm，通过查拟合系数表得到PEM_elec，通过公式计算得到PEM_mech，则由式(2)计算得到电机的功率损耗PEM_cost；

[0037] 当混合动力系统有两个电机时，电机的功率损耗算法为：

[0038]

[0039] 式中，PEM1_elec和PEM2_elec分别为ISG电机和驱动电机在某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM1_elec＝a1·Tm12+b1·Tm1+c1，PEM2_elec＝a2·Tm22+b2·Tm2+c2，a1、b1、c1为基于ISG电机的效率特性试验数据拟合系数，a2、b2、c2为基于驱动电机的效率特性试验数据拟合系数；PEM1_mech和PEM2_mech分别为ISG电机和驱动电机某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM1_mech＝Tm1·nm1/9550，PEM2_mech＝Tm2·nm2/9550；根据电机转速nm1、nm2和电机扭矩指令Tm1、Tm2，通过查拟合系数表得到PEM1_elec、PEM2_elec，通过公式计算得到PEM1_mech、PEM2_mech，则由式(3)计算得到电机的功率损耗PEM1_cost、PEM2_cost；

[0040] 步骤3、计算动力电池的功率损耗PBAT_cost；

[0041] PBAT_cost＝I2·R    (4)

[0042] 式中，I为动力电池充放电电流；R为动力电池的充放电内阻；

[0043] 步骤4、设定动力电池荷电状态变化的附加功率损耗PSOCControl_cost；设定工作模式切换的附加功率损耗PStateTransfer_cost；设定满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗PSatisfyDriveReq_cost；则混合动力系统瞬时功率损耗PTotal_cost为：

[0044] PTotal_cost＝PICE_cost+PEM1_cost+PEM2_cost+PBAT_cost+PSOCControl_cost+PStateTransfer_cost[0045] +PSatisfyDriveReq_cost

[0046] 混合动力系统瞬时功率损耗PTotal_cost最终表达为发动机扭矩TICE的二次多项式，通过黄金分割搜索法，经过n次搜索，得到混合动力系统瞬时功率损耗最低点对应的发动机扭矩T*ICE，再根据驾驶员扭矩需求进一步得到某一状态点的电机总扭矩需求T*m＝TDriverReq-T*ICE，其中TDriverReq是指驾驶员扭矩需求，即根据油门踏板和车速解析的扭矩需求；

[0047] 对上述求得的电机总扭矩需求采用二次多项式求解电机功率损耗最小时的电机扭矩分配，得到一ISG电机的扭矩需求和另一驱动电机的扭矩需求：

[0048]

[0049] 式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率；d表示微积分计算，Tm为电机总扭矩需求；Tm1、Tm2分别为ISG电机和驱动电机的扭矩需求；当电机电功率PEM_elec取得最小值时，电机功率损耗PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech也取得最小值；

[0050] 由式(5)求解得到 式中，T*m为某一状态点的电机总扭矩需求；T*m1、T*m2分别为使得电机功率损耗PEM_elec最小时ISG电机和驱动电机的扭矩，根据T*m1和T*m2的值进行扭矩分配。

[0051] 其中，所述扭矩分配采用黄金分割搜索法求解混合动力系统瞬时功率损耗最小时的发动机扭矩，其中设定黄金比例系数0.382，最大迭代次数20，允许扭矩误差1Nm。

[0052] 本发明一种具体实施方式如下：

[0053] 如图1所示，所述插电式混联混合动力汽车包括发动机3、减震器4、ISG电机1、离合器5、驱动电机2、减速机构6、集成电机控制器7、动力电池8、电池管理系统9、发动机管理系统10、整车控制器11。一种基于混合动力系统瞬时功率损耗最小化的扭矩分配策略。所述混合动力系统瞬时功率损耗的计算基于发动机的万有特性试验数据、ISG电机和驱动电机的效率特性试验数据、动力电池开路电压和内阻试验数据、动力电池荷电状态变化的附加功率损耗标定、工作模式切换的附加功率损耗标定及满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗标定；基于混合动力系统瞬时功率损耗，进行发动机扭矩和电机扭矩的优化分配。

[0054] 混合动力系统瞬时功率损耗的计算如下：

[0055] A发动机的功率损耗PICE_cost

[0056] PICE_cost＝Pg_max-Pg    (1)

[0057] 式中，Pg是由燃油消耗率ge(g/kWh)计算得到单位质量燃油所能发出的功率，(kW/g)；发动机最低燃油消耗率点对应的Pg_max与发动机万有特性其余各点对应
Pg的差值即作为发动机的功率损耗。

[0058] B电机的功率损耗PEM_cost

[0059] 当混合动力系统只有一个电机时，电机的功率损耗算法为：

[0060] PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech    (2)

[0061] 式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM_elec＝a·Tm2+b·Tm+c，a、b、c为基于电机的效率特性试验数据拟合系数，电机效率特性试验数据，通过试验数据进行二次项拟合即可得到；PEM_mech为某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM_mech＝Tm·nm/9550；根据电机转速nm和电机总扭矩需求Tm，通过查拟合系数表得到PEM_elec，通过公式计算得到PEM_mech，则可以由式(2)计算得到电机的功率损耗PEM_cost。

[0062] 当混合动力系统有两个电机时，电机的功率损耗算法为：

[0063]

[0064] 式中，PEM1_elec和PEM2_elec分别为ISG电机1和驱动电机2在某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率，PEM1_elec＝a1·Tm12+b1·Tm1+c1，PEM2_elec＝a2·Tm22+b2·Tm2+c2，a1、b1、c1为基于ISG电机1的效率特性试验数据拟合系数，a2、b2、c2为基于驱动电机2的效率特性试验数据拟合系数；PEM1_mech和PEM2_mech分别为ISG电机1和驱动电机2某一转速下不同转矩对应的机械功率，PEM1_mech＝Tm1·nm1/9550，PEM2_mech＝Tm2·nm2/9550；根据电机转速nm1、nm2和电机扭矩指令Tm1、Tm2，通过查拟合系数表得到PEM1_elec、PEM2_elec，通过公式计算得到PEM1_mech、PEM2_mech，则可以由式(3)计算得到电机的功率损耗PEM1_cost、PEM2_cost。

[0065] C动力电池的功率损耗PBAT_cost

[0066] PBAT_cost＝I2·R    (4)

[0067] 式中，I为动力电池充放电电流；R为动力电池在不同荷电状态下的充放电内阻。

[0068] D动力电池荷电状态变化的附加功率损耗PSOCControl_cost，该数值是需要在实际运用时进行标定的；当动力电池荷电状态低于某下限值时，荷电状态越低，附加功率损耗越大；当动力电池荷电状态高于某上限值时，荷电状态越高，附加功率损耗也越大。

[0069] 动力电池实际荷电状态与目标荷电状态差别越大，则附加功率损耗越大。

[0070] E工作模式切换的附加功率损耗PStateTransfer_cost，该数值是需要在实际运用时进行标定的。

[0071] 所述混合动力系统具有以下驱动工作模式：纯电动模式、串联式驱动模式、并联式驱动模式和强制充电模式。所述并联式驱动模式包括纯发动机驱动模式、电机助力模式和发动机驱动发电模式。所述混合动力系统采用驱动电机2和减速机构6直接与驱动轴相连，与采用变速箱的车辆相比，所述混合动力系统发动机3参与驱动的最低稳定车速较高。车速低于发动机3参与驱动的最低稳定车速时，采用纯电动模式或串联式驱动模式，离合器5处于分离状态。车速高于发动机3参与驱动的最低稳定车速时，才可能采用并联式驱动模式；当动力电池荷电状态低于某下限值且驾驶员扭矩需求较低时，车辆处于强制充电模式，即发动机3在满足驾驶员扭矩需求的同时，以尽可能大的输出功率通过ISG电机1发电给动力电池8充电。

[0072] 为了避免不同工作模式之间的频繁切换，需要增加工作模式切换的附加功率损耗：

[0073] a.进入并联式驱动模式的附加功率损耗

[0074] b.离开并联式驱动模式的附加功率损耗

[0075] c.进入串联式驱动模式的附加功率损耗

[0076] d.离开串联式驱动模式的附加功率损耗

[0077] e.进入纯电动模式的附加功率损耗

[0078] f.离开纯电动模式的附加功率损耗

[0079] g.进入强制充电模式的附加功率损耗

[0080] h.离开强制充电模式的附加功率损耗

[0081] 不同工作模式之间的切换，需要根据不同工作模式下的混合动力系统瞬时功率损耗和不同工作模式的允许工作信号进行综合判断。

[0082] F满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗PSatisfyDriveReq_cost，该数值是需要在实际运用时进行标定的；

[0083] 实际驱动扭矩与驾驶员扭矩需求的差别越小，则满足驾驶员扭矩需求的附加功率损耗越小，目的是尽可能满足驾驶员扭矩需求。

[0084] 当驾驶员扭矩需求高，而系统能力受限(如动力电池荷电状态很低或电机故障导致性能受限)时，可以不满足驾驶员扭矩需求。当驾驶员扭矩需求低时，应尽可能满足驾驶员扭矩需求。

[0085] 基于混合动力系统瞬时功率损耗最小化的扭矩分配算法如下：

[0086] 采用黄金分割搜索法求解系统瞬时功率损耗最小时的发动机扭矩，根据驾驶员扭矩需求进一步得到电机总扭矩需求：

[0087] 系统瞬时功率损耗PTotal_cost包含以下六项：

[0088] PTotal_cost＝PICE_cost+PEM1_cost+PEM2_cost+PBAT_cost+PSOCControl_cost+PStateTransfer_cost[0089] +PSatisfyDriveReq_cost

[0090] 系统瞬时功率损耗PTotal_cost最终可以表达为发动机扭矩TICE的二次多项式，通过黄金分割搜索法(设定黄金比例系数0.382，最大迭代次数20，允许扭矩误差1Nm)，经过n(n<20)次搜索，可以得到系统瞬时功率损耗最低点对应的发动机扭矩T*ICE，再根据驾驶员扭矩需求进一步得到某一状态点的电机总扭矩需求T*m＝TDriverReq-T*ICE，是指驾驶员扭矩需求，即根据油门踏板和车速解析的扭矩需求，反映驾驶员的驾驶意图，本领域人员可以获得的。

[0091] 对上述求得的电机总扭矩需求采用二次多项式求解电机功率损耗最小时的电机扭矩分配，得到一ISG电机的扭矩需求和另一驱动电机的扭矩需求：

[0092]

[0093] 式中，PEM_elec为某一转速下不同转矩输出所消耗的电功率；d表示微分计算；Tm为电机总扭矩需求；Tm1、Tm2分别为ISG电机1和驱动电机2的扭矩需求；当电机电功率PEM_elec取得最小值时，电机功率损耗PEM_cost＝PEM_elec-PEM_mech也取得最小值。

[0094] 由式(5)求解得到 式中，T*m为某一状态点的电机总扭矩需求；T*m1、T*m2分别为使得电机功率损耗PEM_elec最小时ISG电机1和驱动电机2的扭矩。

[0095] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。