[发明专利]面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型

权利要求书

1.一种面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型，其特征在于：其步骤是：

S1.确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态

S101.获取驾驶员动力需求

根据实际工况下的需求车速信息可以得到驾驶员动力需求，参考整车动力学模型如下：

上式中，g是重力加速度，θ是路面坡度；

结合式(1)得到动力需求功率P_req与实际路况下的需求车速v_veh之间的关系，ρ：空气密度；C_d：空气阻力系数；σ：旋转元件的质量系数；η_t：传动效率，引入传动效率可以得到输出轴需求转速ω_req和车速之间的关系：

r_w：车轮半径；i_g：变速箱传动比；i_r：减速比；动力需求功率和需求转速、需求转矩Tr_req的关系如下：

S102.确定动力链输入中的发动机转速和发动机转矩

动力需求功率由发动机功率P_eng和电池提供的牵引功率P_bat，trac组成：

P_req＝P_eng+P_bat，trac (4)

S103.确定动力链输入中的电动机/发电机功率

行星齿轮间的转速及转矩关系为：

式中，ω_MG1、ω_eng和ω_MG2分别对应发电机、发动机和电动机的转速，Tr_req和ω_req分别是需求的动力传动轴上的转矩和转速，Tr_MG1、Tr_eng和Tr_MG2分别对应发电机、发动机和电动机的转矩，R和S分别是行星轮和太阳轮半径，F代表行星齿轮间的内部应力，I_s、I_c和I_r分别对应太阳齿轮、行星架和行星齿轮的转动惯量；

若忽略行星齿轮各部件的转动惯量，则得到发电机和电动机的下列关系：

电池输出牵引力功率与发电机和电动机之间的关系为：

P_bat，trac＝[(η₁·η₁)^k·Tr_MG1·Tr_MG1+(η₂·η₃)^k·Tr_MG2·Tr_MG2]/9550 (7)

式中，η₁，η₂，η₃分别为发电机效率、电动机效率及功率转换器效率，k表示电流方向；

S2.建立电池模型

将电池输出的能量分配为牵引动力和为辅助设备的供能，则存在下列关系：

P_bat＝P_bat，trac+P_bat，aux (8)

式中，P_bat是电池总功率，P_bat，trac和P_bat，aux分别是为牵引动力和辅助设备提供的功率；

另外，电池SOC的动态方程为：

式中，C_bat是电池容量，开路电压U_bat及内阻R_int为电池SOC的函数；

S3.建立发动机能耗及温度模型

在名义温度条件下定义的油耗模型基础上考虑发动机热效应，将实际油耗m_fuel表示为：

m_fuel＝f_fuel，map(ω_eng，Tr_eng)·f_cool，map(T_cool) (10)

式中，f_fuel，map(ω_eng，Tr_eng)是关于发动机转速ω_eng和转矩Tr_eng为输入而进行标定的名义燃油消耗map；f_cool，map(T_cool)是考虑发动机热效应的燃油消耗率标定函数项，即冷却剂温度T_cool对油耗标定影响的修正因子；

S4.建立空调热传递模型

包含能量流动及热量传递的复杂动力链和热力链耦合关系，在发动机的热状态里得到了很好的体现，混合动力车辆中反应发动机热状态的冷却液温度的动态方程表示为：

式中，m_eng和c_eng分别为发动机冷却系统的等效热质量和热容，是燃料燃烧放热率、是排气放热率、是发动机与空气对流的放热率、是散热器风扇的热交换率、Q_heating是换热器排出的热交换率、P_eng是发动机的机械输出功率；

S401.热力链发动机热循环路径建模

1)发动机燃料放热率表示为

式中，LHV是汽油的低热值，m_fuel是上述燃油消耗量，f_fuel，Tcool(T_cool)是按发动机冷却液温度计算的燃料放热率修正系数；

2)排气放热率表示为：

式中，γ_exh是排放气体在常温下的排气放热率系数，f_exh，Tcool(T_cool)是按发动机冷却液温度计算的排气放热率修正系数；

S402.环境热传递路径建模

1)发动机与空气对流的放热率表示为：

其中，α_eng是和车速v_veh相关的比热传递系数的map，A_eng为等效传热面积，空气对流温度近似地处理为与环境温度T_amd和发动机冷却剂温度T_cool相关的静态方程，即T_air＝f_air(T_amd，T_cool)；

2)散热器风扇中热交换率表示为：

式中，f_map，fan是根据仿真和测试数据进行校准的映射，风扇中的热交换率可以处理为冷却液温度的函数；

S5.接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型

驾驶舱平均温度模型考虑为

式中，m_cabin和c_cabin分别为舱内的等效空气质量和热容，为来自太阳的辐射热，为通过热对流传递的热负荷，是换热器排出的热交换率；

连接驾驶舱热循环路径和发动机热循环路径的换热器排出的热交换率表示为：

式中，f_inlet(T_cool，T_cab，set)是相关冷却液温度和驾驶舱温度设定值T_cab，set的发动机进气温度的标定map，T_room为发动机壁面温度，W_blo为通过驾驶舱鼓风机的气流，f_fan(T_amb，)是相关环境温度T_amb和电子水泵转速ω_pump的空调指令修正函数。