内燃混合动力能量管理讲义课件

车用混合动力系统能量管理2005车用混合动力系统能量管理前言清华大学汽车安全与节能国家重点实验室混合动力存在两类核心的控制问题稳态或动态过程中多个动力源的能量分配和效率优化动态过程中动力源的动态控制或动力源间的协调控制前言清华大学汽车安全与节能国家重点实验室能量管理与动态协调司机转矩需求内燃机目标扭矩内燃机节气门目标开度电机目标扭矩协调控制算法内燃机工作最小扭矩电机助力最小扭矩①②③基于规则的稳态扭矩管理策略能量管理与动态协调司机转矩需求内燃机内燃机节气门目标开度电机整车控制器的功能框图APPS–AccelerationPedalPositionSensorBPPS–BrakePedalPositionSensor(mastercylinderpressure)motor&controlengine&controldriver’storquecommandBPPSPRND+acceleratortorquedeterminegearmoderegentorquevehiclemode+-APPSgearmodeKEYdeterminekeypositionEnergyManagementSequentialcontrolInterpretDriver’sIntentsTransxalebattery&controltrans.cmmdeng.cmmdmotor.cmmdkeypositionVSCsubsystems所有混合动力系统能量管理的共性问题整车控制器子系统整车控制器的功能框图APPS–Acceleration任务：1车辆行驶模式选择2车辆行驶档位选择3车辆行驶方向选择4加速转矩解释5制动转矩解释驾驶意图解释RegenerativeBrakingControlPRND/RollingDirectionPRND&Speed++-APS&SpeedAPS/TorqueTransformationDriver’sTorqueCommandMCP&SpeedAccelTorqueCmdRegenTorqueCmdDriver’sTorqueCmd驾驶意图解释RegenerativePRND/PRND&行驶模式切换运行状态分类及状态切换示意图混联式混合动力系统结构图行驶模式切换运行状态分类及状态切换示意图混联式混合动力系统结变速箱电动机蓄电池发电机整车控制器电池控制器电机控制器APU控制器串联式混合动力系统结构图串联式混合动力系统工作模式切换示意图变速箱电动机蓄电池发电机整车控制器电池控制器电机控制器APU能量管理目标

燃料消耗率最小

排放最低

尽量不损失动力性能

保证电池组寿命能量管理的必要性内燃机、电机、电池的特性及其互补性能量管理目标能量管理的必要性电机模型电机的效率特性、动态特性一阶惯性环节：电机模型电机的效率特性、动态特性一阶惯性环节：电机特性与控制电机特性与控制－－通过工况研究，匹配单驱动电机高效率区间；－－同时利用特殊减速箱与适当功率等级的双电机驱动系统组合，来达到电机驱动系统最佳效率控制。电机驱动系统高效率区匹配研究－－通过工况研究，匹配单驱动电机高效率区间；电机驱动系统高效电池特性与控制电池特性与控制蓄电池Rint模型蓄电池Rint模型电池特性与控制模型.电池特性与控制模型.公交工况下传统车与串联式混合动力车发动机的工作效率对比传统车大型柴油机平均工作效率15-20％混合动力车小型柴油机平均工作效率30-36％公交工况下传统车与串联式混合动力车发动机的工作效率对比传统车混合动力系统能量管理策略

能量管理就是对能量装置的能量特性进行综合优化.是迄今为止混合动力系统控制算法中研究的最为广泛的内容。混合动力能量管理策略具有一定的共性，大部分文献提出的方法对不同类型的混合动力均适用基于规则的稳态能量管理策略已经相对成熟，如何利用优化理论最大限度发挥混合动力的潜力一直是研究者追求的目标混合动力系统能量管理策略文献综述－能量管理策略基于规则的能量分配策略负载跟随式主动力源工作在优化区域，负载跟随蓄电池提供辅助瞬时功率蓄电池SOC控制在一定的优化范围开关式控制基于蓄电池SOC的滞环控制APU工作在最高效率点附近基于模糊逻辑的能量分配策略文献综述－能量管理策略基于规则的能量分配策略文献综述－能量管理策略瞬时优化能量分配策略基于系统功率损失的目标函数基于系统等价燃料消耗的目标函数全局优化能量分配策略根据既定的驾驶循环对目标函数进行优化，优化得到的控制输出是时间的函数，不能直接应用于实时控制中典型优化方法：动态规划（时间长度选择为完整循环工况长度，则优化问题成为一个全局最优控制问题。选择为采样步长，则优化问题成为瞬时优化问题）基于优化的能量分配策略文献综述－能量管理策略瞬时优化能量分配策略（时间长度选择为完串联式混合动力系统能量管理策略

基于稳态规则的能量管理

开关式控制

On-offAPUstateconditionPowerflowstartkeepDriveworkingSOC<=SOC_lowSOC<SOC_highAPU--->（MOTOR＋BAT）（APU＋BAT）--->MOTORstopSOC>=SOC_highSOC>SOC_lowBAT--->MOTORbrakeworkingSOC<=SOC_lowSOC<SOC_high（APU＋MOTOR）--->BATandUbattery<UlimitstopSOC>=SOC_highSOC>SOC_lowMOTOR--->BATOrUbattery>UlimitIdleworkingSOC<=SOC_lowSOC<SOC_highAPU--->BATstopSOC>=SOC_highSOC>SOC_low---stopstop------APU工作在最高效率点附近，基于蓄电池SOC的开关控制串联式混合动力系统能量管理策略On-offAPUcondi发动机功率跟随PowerfollowAPUstateconditionPowerflowdriveworkingSOC<=SOC_lowAPU--->（MOTOR＋BAT）SOC_low<SOC<SOC_highAPU--->（MOTOR＋BAT）（APU＋BAT）--->MOTORSOC>=SOC_highPem>=Pmax（APU＋BAT）--->MOTORPmin<Pem<PmaxAPU--->MOTORstopSOC>=SOC_highPem<=PminBAT--->MOTORbrakeworkingSOC<SOC_highAndUbattery<Ulimit（APU＋MOTOR）--->BATstopSOC>=SOC_highOrUbattery>UlimitMOTOR--->BATidleworkingSOC<SOC_highAPU--->BATstopSOC>=SOC_high---stopstop------APU一般在最佳运行线附近运行，跟随负载功率变化

PowerfollowAPUconditionPowerS串联式混合动力系统的模拟EnergyManagementDriverNeedRecognitionModeSelection串联式混合动力系统的模拟EnergyManagementD串联式混合动力系统能量管理的特点主动力源工作在效率、排放优化的范围内蓄电池提供辅助瞬时功率蓄电池SOC控制在一定的优化范围

串联式混合动力系统能量管理的特点

串联式动力系统平台串联式动力系统平台试验结果APU试验台架试验结果APU试验台架内燃机串联式混合动力能量管理能量管理策略框架内燃机串联式混合动力能量管理能量管理策略框架整车道路试验结果时间(s)整车道路试验结果时间(s)串联式系统在城市公交道路情况下，驱动效率提高,可节油10％－15％辅助动力系统电动化改造，可节油10－12％实现怠速停机，可节油5％－8％电制动能量回收，可节油10－15％理论节油可达50％以上！能量优化的潜力串联式系统在城市公交道路情况下，驱动效率提高,可节油10％－发动机离合器变速箱驱动桥ηe＝20％ηc＝95％ηt＝94％总效率η＝17.8％发动机发电机整流器电机减速箱驱动桥电池ηg＝92％ηr＝97％ηm＝80％ηt＝96％ηb＝85％系统总线ηe＝36％总效率η＝21.2％对比车传动系统串联式传动系统城市道路工况下应用串联式结构动力传动系统可节油10％－15％发动机离合器变速箱驱动桥ηe＝20％ηc＝95％ηt＝94％电制动能量回收可实现节油10％－12％工况中，制动时间占工况总运行时间20％总制动能量占牵引总能量的53％，经回收可用于牵引的能量可达牵引总能量14％电制动能量回收可实现节油10％－12％工况中，制动时间占工况怠速停机可实现节油5％－8％工况中，发动机怠速时间占总运行时间49.4％采用串联式混合动力系统，可实现发动机怠速停机，提高燃油经济性5％～8％，并减少发动机排放怠速停机可实现节油5％－8％工况中，发动机怠速时间占总运行时辅助系统电动化可实现节油10％－15％传统车串联式混合动力辅助系统（空压机、助力转向等）功率5~6kW5~6kW空调功率13～18kW5～8kW工作模式发动机驱动，一直工作电动化，随时起停节油比例相较传统车提高10％辅助系统电动化可实现节油10％－15％传统车串联式混合动力辅传统车串联式混合动力车重（kg）1550116384工况消耗能量（kJ）1298413776制动回收能量（kJ）N/A1786.8柴油燃烧总能量（kJ）128638114709离合器效率0.95N/A变速箱效率0.940.96发电机效率N/A0.92电机及控制器效率N/A0.9电池效率N/A0.9辅助系统消耗能量（kJ）2687716147系统总效率0.1010.120油耗（L/100km）55.245.4串联式混合动力车与传统车的对比（相同公交工况下仿真结果）传统车串联式混合动力车重（kg）1550116384工况消耗实现怠速停机和发动机工作点匹配可大大减少发动机排放传统车大型柴油机颗粒排放图混合动力车小型柴油机颗粒排放图实现怠速停机和发动机工作点匹配可大大减少发动机排放传统车大型城市道路工况特征低速重载频繁启停城市运行串联式结构优势发动机与传动系解耦发动机工作在高效区发动机可实现怠速停机再生制动能量回馈辅助系统电动化可无变速机构

较好节油性能大幅度改善排放指标降低整车噪音操作简单、灵活城市道路工况＋串联式结构优势＝？城市道路工况是制动能耗最高的工况串联式是制动能量回收能力最大的一种混合动力结构形式串联式也是降低排放潜力最大的一种混合动力结构形式Why?串联式结构优势城市道路工况特征串联式结构优势较好节油性能城市道路工况以11米高级以上等级城市客车为例进行成本分析：

部件名称传统车动力系统价格（万元）串联式混合动力系统价格（万元）目前研发成本串联式混合动力系统价格（万元）年产1000套批量成本发动机854发电机系统032电机及控制器096.5变速箱8(加缓速器＋AMT)1.50.5空调系统596.5辅助系统0.10.30.2电源系统0.11.51控制总成系统02.51.3电池系统0109总计21.241.831串联式动力系统平台成本分析以11米高级以上等级城市客车为例进行成本分析：部件

部件名称传统车动力系统重量（kg）HFF6112GK50第三代串联式混合动力系统重量（kg）发动机及附件680＋200(YC6L240-30)250＋140(SOFIM8140.43N)离合器140(晋南JL420)0发电机0170电池及电池箱0374＋80电动机及控制器0450＋80整车控制总成柜060变速器/齿轮箱195(綦江QJ805)110离合/换档机构400电涡流缓速器180(特尔佳FL71-40)0电动辅助动力系统080＋120总计1435

191411米高级以上等级城市客车串联式动力系统较传统动力系统仅增重479kg串联式动力系统平台重量分析部件名称传统车动力系统重量（kg）第三代串联式混合动力系统车速Va[km/h]020406080100120140160180-1000100200300400500600100%变速器输出端驱动转矩需求

Td_req_bt[N·m]不同档位下最大驱动转矩曲线不同档位驱动转矩需求曲线0%部分负荷变速器输出端驱动转矩需求识别总需求转矩确定

目标

转矩

确定状态切换条件识别电池对充电转矩需求识别驾驶员的转矩需求（驱动和制动）低效区1高效区低效区2可用区不可用区充电效率放电效率最小值

(20%)高效区

下限值

(40%-60%)高效区

上限值

(60%-80%)0100SOCminSOClowSOChighSOC[%]效率ηb[%]100电池充放电效率曲线示意图根据踏板行程和车速等识别以发动机稳态效率MAP图为基础划分发动机和电动机工作模式100020003000400050001020304050607080901001100.150.150.150.20.20.20.280.280.280.280.280.280.30.30.30.30.310.310.250.250.25发动机转速ne[r/min]发动机转矩Te[N·m]功率辅助工作模式纯电动工作模式(b)(a)(c)发动机工作模式发动机稳态效率MAP图发动机目标转矩由总需求转矩和MAP图确定电动机目标转矩由总需求转矩和发动机目标转矩计算计算制动系统目标转矩转矩管理策略的组成主要根据电池SOC和电动机转速识别并联式混合动力系统能量管理策略车速Va[km/h]020406080100120140基于MAP图的并联混合动力能量管理基于MAP图的并联混合动力能量管理基于MAP图的并联混合动力能量管理基于MAP图的并联混合动力能量管理全局优化能量分配策略根据既定的驾驶循环对目标函数进行优化混合动力对汽车性能提高的最大潜力全局优化能量分配策略在简单的基于直觉的控制策略中，我们难于包含多个目标，总是通过经验，由试验到纠错，再来驱动。这种简单的控制策略通常不是最优的，因为它是基于部件而非基于系统。与基于规则的控制策略相反，动态优化方法依赖于动态模型来计算最优控制策略。对于给定的驾驶循环，优化控制策略最小化燃料消耗，或者综合考虑燃料消耗和排放。

在简单的基于直觉的控制策略中，我们难于包含多个目标，总是通过全局优化能量分配策略问题的数学描述目标函数：对象状态方程：全局优化能量分配策略问题的数学描述目标函数：对象状态方程：求解步骤约束条件目标函数状态方程求解步骤约束条件目标函数状态方程全局优化能量分配策略优化算法1.引入Lagrange乘子进行分析最优求解

S.Delprat等首先应用于并联式混合动力G.Paganelli等将其应用于燃料电池混合动力2.SQP优化:梯度搜索算法

RyanFellini等应用于并联式混合动力3.动态规划

并联式、串联式混合动力均有研究密歇根大学Chan-ChiaoLin,HueiPeng等俄亥俄州立大学A.Brahma,G.Paganelli等全局优化能量分配策略优化算法3.HueiPeng提到的随机动态规划稳态最优控制律：状态函数：目标函数：3.HueiPeng提到的随机动态规划稳态最优控制律：状动态规划在全局优化中的应用实车结构示意图仿真模型动态规划在全局优化中的应用实车结构示意图仿真模型Power(W)Speed(mph)Enginepowerratio8001000120014001600180020002200240050100150200250300350400450500EngineSpeed(rpm)EngineTorque(Nm)0.270.260.250.240.230.220.2160.2140.2120.230.240.260.250.27Motor+EngineVehicleSpeedEnginetorqueMotorEngine发动机工作区域发动机输出功率与整车功率比值Power(W)Speed(mph)EnginepowSDPResultRule-basedResult不同能量管理策略比较Rule-basedResultSDPResultPowerassistMotoronlySDPResultRule-basedResult不同能传统控制方法和基于SDP方法EngineSpeed[rpm]传统控制方法和基于SDP方法EngineSpeed[rpNOx[g/s]NOx[g/s]

结果—1380SecondsofFTP75141%247%71.1%74.7%18.0%3.5%结果—1380SecondsofFTP75141问题

1.模型的不精确性导致优化误差。2.对工况循环的依赖性导致对工况变化的不适应。3.全局优化能量分配的结果是时间的函数，不能直接应用于实时控制中。由于汽车行驶的未知性，还没有找到一套完美的优化理论解决方案问题

1.模型的不精确性导致优化误差。由于汽车行驶的未知性，结论

基于能量管理系统在混合动力系统中的重要性，可以通过下列途径提高管理效率1）车辆在瞬态过程中的能量管理优化

2）新型控制理论对稳态能量管理的改进结论实时优化能量分配策略

根据瞬时目标函数来进行优化控制同时考虑了燃油经济性指标和排放指标实时优化能量分配策略优化的目标和结果优化的目标和结果举例：何彬博士论文内容举例：何彬博士论文内容

谢谢!

谢谢!混合动力系统能量管理石英乔2005210447混合动力系统能量管理石英乔2005210447问题的提出混合动力包括至少两种能量源如何控制多个能量源协作满足车辆的驱动要求－－能量管理问题的提出混合动力包括至少两种能量源能量管理的目标基本要求－驱动车辆优化目标燃料经济性最大排放最小系统损失最小良好的驾驶性能

能量管理的目标基本要求－驱动车辆对象的细化串联式混合动力并联式混合动力串并联式混合动力内燃机的混合动力燃料电池的混合动力《PowerManagementStrategyforaParallelHybridElectricTruck》对象的细化串联式混合动力《PowerManagement并联式混合动力能量管理策略概况并联式混合电动汽车有五种工作模式：纯电机、纯发动机、助力（发动机和电机）、充电（发动机给电池充电）和制动能量回收。为提高燃料经济性或减少排放，功率管理控制器必须决定使用哪种模式适当的还要在满足驾驶员需求和维持蓄电池SOC值的条件下决定两个功率源之间的最优分配。

并联式混合动力能量管理策略概况并联式混合电动汽车有五种工作模并联式混合动力能量管理策略概况第一种：启发式控制技术控制规则/模糊逻辑/神经网络来估计和进行控制算法开发。第二种：基于静态优化电功率被转化成等价的静态燃油速率，来计算整体的燃料消耗。该优化办法使用一张静态效率MAP图计算出两个动力源之间合适的分配关系。由于简单的点范围的优化特性，我们有可能把这种优化方案用到同时解决燃料经济性和排放的优化问题上。第三种：优化时考虑系统的动态特性、优化关于一定时间范围并联式混合动力能量管理策略概况第一种：启发式控制技术PowerManagementStrategyforaParallelHybridElectricTruckPowerManagementStrategyfor基于规则的能量管理策略

制动控制模式SOC正常功率分配控制模式SOC低充电控制模式基于规则的能量管理策略制动控制模式SOC正常功率分配控制模式PowerManagementStrategyforaParallelHybridElectricTruck基于规则的能量管理策略

电机独立发动机独立电机辅助发动机PowerManagementStrategyfor优化目标综合考虑燃料消耗和特定排放物目标函数－系统损失函数

优化目标内燃混合动力能量管理讲义课件约束条件约束条件目标函数目标函数估算整个驾驶循环的燃料经济性和排放主要关注的是系统级别的动态过程，因此快于1Hz的动态过程可以被忽略分析各个子部件，具体建立函数估算整个驾驶循环的燃料经济性和排放主要关注的是系统级别的动态动态规划规定最优方案的获得步骤为：先解决最后一步的问题，在解决最后两步、三步，直至解决了全部的问题。整个动态优化问题可以被分解成一些简单优化问题的序列。

动态规划优化结果针对给定循环，使得全局最优的换档MAP图和功率分配MAP图动态规划控制策略在实际的驾驶条件下应用性不强，因为它需要事先知道下一步的车速和路面数据。尽管如此，分析它的工作特性有助于我们改进基于规则的控制器。

优化结果内燃混合动力能量管理讲义课件采用改进后的基于规则的控制策略在采用动态规划方法的循环下，性能有提高在其他循环下，性能提高不大甚至有退步动态规划对循环有依赖

采用改进后的基于规则的控制策略谢谢！！谢谢！！2.Soon-ilJeon等基于道路工况识别的优化能量分配2.Soon-ilJeon等基于道路工况识别的优化能量分1.Chan-ChiaoLin,HueiPeng等对多个循环工况的运行结果进行统计分析，优化基于规则的能量分配1.Chan-ChiaoLin,HueiPeng等对多并联式混合动力系统能量管理策略并联式混合动力系统能量管理策略全局优化能量分配的改进对其结果进行统计分析来优化基于规则的能量分配策略基于道路工况识别的优化能量分配稳态最优控制全局优化能量分配的改进基于优化算法的串联式混合动力能量管理策略出发点基于规则的稳态能量分配策略+APU瞬态行为优化如何利用优化理论优化以上基于规则的能量分配策略？结合串联式混合动力系统的特性，提出了一种新的能量分配优化问题的数学描述及其在线实时解法基于优化算法的串联式混合动力能量管理策略出发点混合动力源模型APU模型APU工作在最优燃油消耗曲线：考虑柴油机的燃油消耗MAP、发电机-整流器的效率特性在内的优化最优燃油消耗曲线可用多项式进行拟合发动机稳态燃油消耗模型的修正，以补偿动态燃油效率(Pelkmans,EVS15,1998)

混合动力源模型APU模型(Pelkmans,EVS15混合动力源模型蓄电池模型可变电压源、可变内阻等效电路模型(SOC的函数)充放电效率混合动力源模型蓄电池模型蓄电池等效燃油消耗

概念蓄电池放电过程的等效燃油消耗：将来由APU给蓄电池充电使其获得相同