本發(fā)明涉及一種車輛技術，特別涉及一種通過在線控制來實現汽車電能優(yōu)化的控制系統(tǒng)及方法，具體地說是一種基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制系統(tǒng)及方法。

背景技術：

為了應對政府日益嚴格的汽車燃油經濟性以及有害氣體排放的標準，同時滿足車輛動力性以及駕駛人員舒適性的需求，汽車制造業(yè)正在不遺余力地開發(fā)和實施多種管理策略和控制策略提升發(fā)動機能量轉化效率，減少能量耗散，盡可能地在保證汽車動力性的同時提升汽車燃油經濟性。電能作為整車能量消耗中的重要組成部分，需要進行節(jié)能控制。

汽車電能的節(jié)能方法研究主要集中混合動力汽車中，一般是在特定行駛工況以及負載需求前提下離線制定最優(yōu)控制策略。Stockar和Serrao等通過運用節(jié)能控制策略為混合動力汽車和插電式混合動力汽車設計了對應的節(jié)能方法；Namwook Kim等人基于相關合理假設設計了基于優(yōu)化策略的來提升車輛的燃油經濟性；Hanane Hemi等人通過馬爾科夫鏈在某一行駛工況下預測未來的負載需求，對燃料電池/超級電容器混合動力汽車進行負載需求分配。由于真實的駕駛工況與設定工況無法一致，同時混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車在結構上的不同，這些方法無法在真實的燃油汽車得到應用。

因此，在汽車行駛工況信息以及負載功率需求信息事先未知的情況下，如何針對傳統(tǒng)燃油汽車，設計燃油汽車在線電能控制系統(tǒng)及其方法，實現汽車電能的節(jié)能控制，已經成為燃油汽車電能管理技術的重要研究方向。

技術實現要素：

本發(fā)明為了克服上述現有技術的不足，提出了一種基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制系統(tǒng)及方法，以期能在負載需求以及行駛工況事先未知的情況下，實時在線地計算發(fā)電機和蓄電池的目標輸出功率值，調節(jié)發(fā)電機輸出功率，從而實現汽車電能在線優(yōu)化控制。

為實現上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

本發(fā)明一種基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制系統(tǒng)的特點是：設置節(jié)能控制器、車載網關、智能電池傳感器、發(fā)電機控制器通過LIN總線相互聯結；

所述智能電池傳感器用于實時采集燃油汽車的蓄電池電量狀態(tài)LIN幀并傳遞給所述節(jié)能控制器；所述車載網關用于實時采集燃油汽車的用電負載開關狀態(tài)LIN幀和發(fā)動機狀態(tài)LIN幀并傳遞給所述節(jié)能控制器；

所述節(jié)能控制器根據所述蓄電池電量狀態(tài)LIN幀獲得蓄電池電量狀態(tài)系數，根據所述用電負載開關狀態(tài)LIN幀獲得用電負載需求功率，再根據所述發(fā)動機狀態(tài)LIN幀獲得發(fā)動機燃油消耗變化率；從而利用所述蓄電池電量狀態(tài)系數、用電負載需求功率和發(fā)動機燃油消耗變化率建立節(jié)能輔助函數，并對所述節(jié)能輔助函數進行計算，獲得發(fā)電機目標輸出功率；

所述節(jié)能控制器將所述發(fā)電機目標輸出功率封裝為發(fā)電機控制LIN幀，并發(fā)送給所述發(fā)電機控制器用于調節(jié)發(fā)電機輸出功率，從而實現燃油汽車電能的在線優(yōu)化控制。

本發(fā)明所述的基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制系統(tǒng)的特點也在于：

所述蓄電池電量狀態(tài)LIN幀的定義為：幀ID＝34，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為蓄電池電量狀態(tài)SOC，第二個字節(jié)為蓄電池電流I和響應錯誤標識符E_R；

所述用電負載開關狀態(tài)LIN幀的定義為：幀ID＝32，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為用電負載及其開關狀態(tài)ON/OFF，第二個字節(jié)為用電負載保護門限ON_CD；

所述發(fā)動機狀態(tài)LIN幀的定義為：幀ID＝33，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為發(fā)動機轉速N_e，第二個字節(jié)為發(fā)動機扭矩T_e；

所述發(fā)電機控制LIN幀的定義為：幀ID＝44，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為電壓設定值U_set，第二個字節(jié)為勵磁電流限制參數I_ECL。

本發(fā)明一種基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制方法的特點是按如下步驟進行：

步驟1、實時采集燃油汽車的蓄電池電量狀態(tài)信息，并利用式(1)計算t時刻下蓄電池電量狀態(tài)系數δ(t)：

式(1)中，δ_soc表示與蓄電池電量狀態(tài)有關的常數，SOC(t)表示t時刻下的蓄電池電量狀態(tài)；SOC_max表示理想狀態(tài)下蓄電池工作區(qū)間的最大值，SOC_min表示理想狀態(tài)下蓄電池工作區(qū)間的最小值；

步驟2、實時采集燃油汽車的用電負載開關狀態(tài)信息，并利用式(2)計算t時刻下用電負載需求功率P_l(t)：

式(2)中，α_i(t)表示t時刻第i個車載用電負載的開關狀態(tài)系數，當第i個車載用電負載開啟時，令α_i(t)＝1，反之，令α_i(t)＝0；p_bas表示維持所述燃油汽車運轉所必需的基本電功率；p_i表示第i個車載用電負載的需求功率；i＝1,2,...,N，N為車載用電負載總數；

步驟3、實時采集燃油汽車的發(fā)動機狀態(tài)信息，并利用式(3)計算t時刻下發(fā)動機燃油消耗變化率q(t)：

式(3)中，k為與發(fā)動機有關的常數，γ為發(fā)動機燃油密度，Q(Δt)為Δt時間內的發(fā)動機燃油消耗量，N_e(t)為t時刻下發(fā)動機轉速，T_e(t)為t時刻下發(fā)動機扭矩；

步驟4、利用式(4)建立t時刻下節(jié)能輔助函數

式(4)中，P_b(t)為t時刻的蓄電池輸出功率，L為蓄電池標定容量，V₀為蓄電池開路電壓，R為蓄電池內阻，為t時刻的電能控制參數，并有：

式(5)中，K_l為與用電負載需求功率有關的常數，K_SOC為與蓄電池的電量狀態(tài)有關的常數，SOC_r為蓄電池電量狀態(tài)參考值；

步驟5、利用式(6)獲得t時刻的蓄電池輸出功率范圍[P_bmin(t),P_bmax(t)]：

式(6)中，為蓄電池最小輸出功率，為蓄電池最大輸出功率，為發(fā)電機最大輸出功率；

步驟6、利用式(7)將所述蓄電池輸出功率范圍[P_bmin(t),P_bmax(t)]進行離散化處理，得到如式(8)所示的t時刻蓄電池可能輸出的功率值集合

ΔP_b(t)＝[P_bmax(t)-P_bmin(t)]/n (7)

式(7)中，ΔP_b(t)表示t時刻下蓄電池輸出功率范圍的離散化單位值；

式(8)中，表示t時刻下蓄電池第j個可能輸出的功率值；

步驟7、令j＝1；

步驟8、將t時刻下蓄電池第j個可能輸出的功率值代入所述t時刻下的節(jié)能輔助函數中進行計算，得到t時刻下第j個節(jié)能輔助函數值

步驟9、將j+1賦值給j，并返回步驟8執(zhí)行，直到j＝n+1為止，從而獲得t時刻下的節(jié)能輔助函數值集合

步驟9、從所述t時刻下的節(jié)能輔助函數值集合中選出最小值，以所述最小值所對應的蓄電池輸出功率值作為最優(yōu)目標值

步驟10、利用式(9)獲得發(fā)電機目標輸出功率值

與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果在：

1、現有的汽車電源系統(tǒng)中，發(fā)電機調節(jié)器原理決定了其輸出電壓值一般為固定值，并且只要發(fā)動機開始運行，發(fā)電機也一直處于發(fā)電工作狀態(tài)，無法進行調節(jié)。當蓄電池虧電時，不會提高發(fā)電機輸出電壓從而為蓄電池充電。當電池電量充足且負載較小時，發(fā)電機無法降低輸出電壓以節(jié)省一定的能耗，同時讓蓄電池為負載供電防止蓄電池過充。

本發(fā)明以節(jié)能控制器為核心，設計了一種燃油汽車電能控制系統(tǒng)及方法，計算蓄電池和發(fā)電機的輸出功率值，對發(fā)電機輸出功率進行調節(jié)，進而實現了汽車電能優(yōu)化管理與控制。引入蓄電池電量狀態(tài)系數，使蓄電池電量狀態(tài)維持在其合理區(qū)間內，延長了蓄電池的使用壽命。同時，本發(fā)明通過針對負載需求以及理想蓄電池狀態(tài)追蹤實現了節(jié)能策略的實時性和自適應性，不依賴于對車輛行駛工況以及用電負載功率的提前了解，因而能夠實車在線實施。

2、本發(fā)明節(jié)能控制器實時獲取車輛的用電負載需求功率、蓄電池電量狀態(tài)系數和發(fā)動機燃油消耗變化率；利用蓄電池電量狀態(tài)系數、用電負載需求功率和發(fā)動機燃油消耗變化率建立節(jié)能輔助函數，并對節(jié)能輔助函數進行計算，獲得發(fā)電機目標輸出功率；節(jié)能控制器將發(fā)電機目標輸出功率值封裝成發(fā)電機控制LIN幀，并發(fā)送給發(fā)電機控制器用于調節(jié)發(fā)電機輸出功率，進而實現了汽車電能在線優(yōu)化管理與控制。

3、本發(fā)明引入蓄電池電量狀態(tài)系數δ(t)，將其作為節(jié)能輔助函數的一個參數，節(jié)能控制器實時采集燃油汽車的蓄電池電量狀態(tài)信息，通過δ(t)控制蓄電池電量狀態(tài)維持在其理想工作區(qū)間內，從而一方面在蓄電池虧電時提高發(fā)電機電壓為蓄電池充電，一方面在蓄電池電量充足時讓蓄電池更多的為負載供電防止其過充。

4、本發(fā)明定義為t時刻的電能控制參數，該參數為用電負載需求功率以及蓄電池電量狀態(tài)的函數。節(jié)能控制器實時獲取車輛的負載需求功率以及蓄電池電量狀態(tài)。引入與負載需求功率有關的常數K_l，基于負載需求功率實時校正電能控制參數值。同時，基于蓄電池電量狀態(tài)反饋，將與蓄電池電量狀態(tài)有關的常數K_SOC加入基于蓄電池電量狀態(tài)實時校正電能控制參數值。通過對電能控制參數的定義，實現了節(jié)能策略的實時性和自適應性，不依賴于對車輛行駛工況以及用電負載功率的提前了解，因而能夠實車在線實施。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電能控制系統(tǒng)架構圖；

圖2為本發(fā)明蓄電池電量狀態(tài)幀信號封裝定義示意圖；

圖3為本發(fā)明用電負載開關狀態(tài)幀信號封裝定義示意圖；

圖4為本發(fā)明發(fā)動機狀態(tài)幀信號封裝定義示意圖；

圖5為本發(fā)明發(fā)電機控制幀信號封裝定義示意圖；

圖6為本發(fā)明發(fā)電機和蓄電池目標輸出功率計算流程圖；

圖7為本發(fā)明電能控制方法流程圖。

具體實施方式

本實施例中，一種基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制系統(tǒng)如圖1所示，是設置節(jié)能控制器、車載網關、智能電池傳感器、發(fā)電機控制器通過LIN總線相互聯結；智能電池傳感器實時采集燃油汽車的蓄電池電量狀態(tài)LIN幀并傳遞給節(jié)能控制器；車載網關實時采集燃油汽車的用電負載開關狀態(tài)LIN幀和發(fā)動機狀態(tài)LIN幀并傳遞給節(jié)能控制器。

節(jié)能控制器根據蓄電池電量狀態(tài)LIN幀獲得蓄電池電量狀態(tài)系數，根據用電負載開關狀態(tài)LIN幀獲得用電負載需求功率，再根據發(fā)動機狀態(tài)LIN幀獲得發(fā)動機燃油消耗變化率；從而利用蓄電池電量狀態(tài)系數、用電負載需求功率和發(fā)動機燃油消耗變化率建立節(jié)能輔助函數，并對節(jié)能輔助函數進行計算，獲得發(fā)電機目標；

節(jié)能控制器將發(fā)電機目標封裝為發(fā)電機控制LIN幀，并發(fā)送給發(fā)電機控制器用于調節(jié)發(fā)電機，從而實現燃油汽車電能的在線優(yōu)化控制。

節(jié)能控制系統(tǒng)的LIN網絡中，節(jié)能控制器為主節(jié)點，蓄電池智能傳感器、車載網關和發(fā)電機為從機節(jié)點，所有LIN幀都由主節(jié)點發(fā)起，負責從機節(jié)點的管理和監(jiān)控；

具體實施中，如圖2-圖5所示，定義蓄電池電量狀態(tài)LIN幀為：幀ID＝34，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為蓄電池電量狀態(tài)SOC，第二個字節(jié)為蓄電池電流I和響應錯誤標識符E_R；

定義用電負載開關狀態(tài)LIN幀為：幀ID＝32，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為用電負載及其開關狀態(tài)ON/OFF，第二個字節(jié)為用電負載保護門限ON_CD；

定義發(fā)動機狀態(tài)LIN幀為：幀ID＝33，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為發(fā)動機轉速N_e，第二個字節(jié)為發(fā)動機扭矩T_e；

定義發(fā)電機控制LIN幀為：幀ID＝44，數據場為2個字節(jié)，第一個字節(jié)為電壓設定值U_set，第二個字節(jié)為勵磁電流限制參數I_ECL。

本實施例中，如圖6和圖7所示，一種基于電功率在線計算的燃油汽車電能控制方法是按如下步驟進行：

步驟1、實時采集燃油汽車的蓄電池電量狀態(tài)信息，并利用式(1)計算t時刻下蓄電池電量狀態(tài)系數δ(t)：

式(1)中，δ_soc表示與蓄電池電量狀態(tài)有關的正常數，具體實施中，δ_soc＝0.5；SOC(t)表示t時刻下的蓄電池電量狀態(tài)；SOC_max表示理想狀態(tài)下蓄電池工作區(qū)間的最大值，具體實施中，SOC_max取0.9；SOC_min表示理想狀態(tài)下蓄電池工作區(qū)間的最小值，本實施中，SOC_min取0.7；蓄電池電量狀態(tài)表示其實際電量占據其標定容量的比例，控制蓄電池電量狀態(tài)在其理想工作區(qū)間內可以有效的延長蓄電池的使用壽命；

步驟2、實時采集燃油汽車的用電負載開關狀態(tài)信息，并利用式(2)計算t時刻下用電負載需求功率P_l(t)：

式(2)中，α_i(t)表示t時刻第i個車載用電負載的開關狀態(tài)系數，當第i個車載用電負載開啟時，令α_i(t)＝1，反之，令α_i(t)＝0；p_bas表示維持所述燃油汽車運轉所必需的基本電功率；p_i表示第i個車載用電負載的需求功率；i＝1,2,…,N，N為車載用電負載總數；p_bas和p_i的值由燃油汽車車載用電負載功率測試獲得；實際駕駛環(huán)境中第i個車載用電負載可能有多個需求功率，節(jié)能控制器可事實根據該負載當前的使用情況選取p_i值；

步驟3、實時采集燃油汽車的發(fā)動機狀態(tài)信息(主要包括發(fā)電機轉速N_e信息和發(fā)電機扭矩T_e信息)，并利用式(3)計算t時刻下發(fā)動機燃油消耗變化率q(t)：

式(3)中，k為與發(fā)動機有關的常數，γ為發(fā)動機燃油密度，Q(Δt)為Δt時間內的發(fā)動機燃油消耗量，N_e(t)為t時刻下發(fā)動機轉速，T_e(t)為t時刻下發(fā)動機扭矩；

發(fā)動機燃油消耗變化率的定義為發(fā)動機輸出單位機械能所對應的燃油消耗量。式(3)為t時刻下發(fā)動機燃油消耗變化率q(t)的理想計算公式，在實際應用中無法以求極限的方式計算該值，故節(jié)能控制器實時采集燃油汽車的發(fā)動機轉速和扭矩信息，通過由發(fā)動機動力性試驗獲取的發(fā)動機萬有特性曲線來獲取對應的發(fā)動機燃油消耗變化率值；

步驟4、利用式(4)建立t時刻下節(jié)能輔助函數

式(4)中，P_b(t)為t時刻的蓄電池；L為蓄電池標定容量，V₀為蓄電池開路電壓，R為蓄電池內阻，以上三值均為車載蓄電池的固有屬性，可視為定值；為t時刻的電能控制參數，并有：

式(5)中，K_l為與用電負載需求功率有關的常數，本實施例中，K_l取-0.1；K_SOC為與蓄電池的電量狀態(tài)有關的常數，本實施例中，K_SOC取200；SOC_r為蓄電池電量狀態(tài)參考值，SOC_r可取0.8；

本方法定義為t時刻的電能控制參數，該參數為用電負載需求功率以及蓄電池電量狀態(tài)的函數。節(jié)能控制器實時獲取車輛的負載需求功率以及蓄電池電量狀態(tài)。引入與負載需求功率有關的常數K_l，基于負載需求功率實時校正電能控制參數值。同時，基于蓄電池電量狀態(tài)反饋，將與蓄電池電量狀態(tài)有關的常數K_SOC加入基于蓄電池電量狀態(tài)實時校正電能控制參數值。通過對電能控制參數的定義，實現了節(jié)能策略的實時性和自適應性，不依賴于對車輛行駛工況以及用電負載功率的提前了解，因而能夠實車在線實施。

步驟5、利用式(6)獲得t時刻的蓄電池范圍[P_bmin(t),P_bmax(t)]：

式(6)中，為蓄電池最小，為蓄電池最大，為發(fā)電機最大；以上三值為車載蓄電池和發(fā)電機的固有屬性，可視為定值；

負載需求功率P_l(t)由節(jié)能控制器實時獲取，該蓄電池范圍在滿足蓄電池和發(fā)電機自身的工作限制的同時，也通過蓄電池與發(fā)電機協同供電滿足了用電負載需求功率；

步驟6、利用式(7)將蓄電池范圍[P_bmin(t),P_bmax(t)]進行離散化處理，得到如式(8)所示的t時刻蓄電池可能輸出的功率值集合

ΔP_b(t)＝[P_bmax(t)-P_bmin(t)]/n (7)

式(7)中，ΔP_b(t)表示t時刻下蓄電池范圍的離散化單位值；

式(8)中，表示t時刻下蓄電池第j個可能輸出的功率值；

為了接近完全地針對蓄電池可能的值進行計算選取其最優(yōu)值，同時滿足實際操作時計算次數有限的限制條件，本發(fā)明將蓄電池的范圍進行離散化，即將該區(qū)間均分為n等份，進而獲取n+1個可能的蓄電池離散值，代入節(jié)能輔助函數中進行計算，從中選取蓄電池的目標值；n由實際的計算環(huán)境決定；

步驟7、令j＝1；

步驟8、將t時刻下蓄電池第j個可能輸出的功率值代入節(jié)能輔助函數中進行計算，得到t時刻下第j個節(jié)能輔助函數值

步驟9、將j+1賦值給j，并返回步驟8執(zhí)行，直到j＝n+1為止，從而獲得t時刻下的節(jié)能輔助函數值集合通過n+1次計算獲取t時刻下全部的n+1個節(jié)能輔助函數值；

步驟9、從t時刻下的節(jié)能輔助函數值集合中選出最小值，以所述最小值所對應的蓄電池值作為最優(yōu)目標值

步驟10、利用式(9)獲得發(fā)電機目標值

至此，本方案實現了燃油汽車電能優(yōu)化管理與控制，使蓄電池電量狀態(tài)維持在其合理區(qū)間內，延長了蓄電池的使用壽命。同時，本方案通過針對負載需求以及理想蓄電池狀態(tài)追蹤實現了節(jié)能策略的實時性和自適應性，因而能夠實車在線實施。