[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

说明书

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，属于混合动力汽车建模技术领域。本发明的目的是以发动机、电动机等动力驱动装置至车轮的动力链中各动力传输结点模块的面向节能控制的混合动力汽车能量与热量一体化模型。本发明步骤是：确定动力链输入，描述动力链中能量流动状态，建立电池模型，建立发动机能耗及温度模型，建立空调热传递模型，接收热力链输入指令，建立驾驶舱温度模型。本发明建立了高寒气候条件下驾驶舱供热需求、驾驶员动力需求和车辆能耗之间的耦合关系，实现部分重要热力学变量的软测量，为驾驶员舒适度评估提供了支撑。

技术领域

本发明属于混合动力汽车建模技术领域。

背景技术

混合动力汽车是实现能量流动、热量传递的复杂“机-电-热”一体化系统。其中，“能量”是指车辆动力链(发动机、电动机等)为驱动车辆行驶提供的机械能，而“热量”是指车辆热力链(发动机冷却系统、空调系统等)中传递的热能。在混合动力车辆中，动力驱动装置(如发动机)既是为车辆行驶提供机械能的动力链源头，也是传递热能的热力链源头。在寒冷天气下车辆的非稳态运行是常态，车辆能耗既和暂态行驶状态下驾驶员的动力需求直接相关，又和车厢空调系统供暖需求耦合严重。混合动力汽车的能量与热量的一体化优化控制技术是在高寒气候条件下进一步挖掘混合动力车辆节能潜力的重要技术和未来发展趋势。在这一技术发展趋势下，如何建立精确反映混合动力车辆的能量与热量的一体化模型，既是开发与设计混合动力汽车能量与热量实时优化控制系统的基础，也是目前混合动力汽车节能控制研究领域的空白。

目前已公开的混合动力汽车模型，通常关注整车动力链中能量流动的单一维度，只考虑名义温度条件下各个结点能量流对油耗增量计算、电池荷电状态(SOC)估计及整车动力学模型方面的影响，并未考虑车辆热力链中涉及的热量传递动态及其与燃油经济性的耦合关系，导致在模型在高寒环境下精度的一致性难以保证。

专利CN 108388746 A公开了一种混合动力汽车油耗理论计算与分析方法，其中涉及了混合动力汽车系统功能模块与能量流动结点划分、系统各结点能量流计算、系统平均综合传动效率计算和油耗理论计算等部分，同时也包含了汽车油耗影响因素细节量化分析。该发明完善了动力链能量单一维度下整车油耗理论计算与分析方法，但在实际模型中却没有考虑整车热量传递效应对燃油经济性的影响。

专利CN 102798422A公开了一种测量混合动力汽车油耗的方法，其中包括动力电池组的净能量变化、据电池组的净能量变化及实测值计算油耗量真实值等计算模块。该发明提出的修正混合动力电动汽车油耗的当量里程法可以简化测试过程,对计算电池的能量转换效率更为简单有效。但是，单纯的“机—电”耦合模型的转化效率同样没有考虑车辆热力链的耦合影响。

专利CN110287526 A公开了一种混合动力汽车模型构建方法。所述方法除构建发动机动力学模型来确定发动机的工作范围和实时燃油消耗率外，也确定电机的工作范围和实时工作效率，动力电池组的电动势、内阻范围，确定动力电池组、电机与车载用电设备用电功率之间的关系及构建整车动力学模型方程等内容。该本发明搭建的仿真平台能够适应控制策略开发的各种实际场景，模型真实、灵活，能根据指令及时变换混合动力车辆动态。但该发明对于全气候条件下的供热需求和燃油经济性的综合考虑仍然具有局限性。

混合动力系统中的热传递机理复杂，为表征准确的传热动态过程，已公开的模型通常具有高阶、分布式(偏微分方程)的特点，其复杂程度并不适用于混合动力汽车的节能控制算法的设计及开发。

例如，专利CN 109815584 A公开了一种单相受热管动态传热量建模方法。该发明根据管内工质的热力学状态方程，分别导出管内工质焓值随管长和时间的偏微分方程；将所得偏微分方程带入管内工质的能量守恒方程；利用单相受热管焓-温通道动态过程特性将时空两维分离，采用解析和集总参数相结合的方法，通过积分获得管壁对管内工质放热量的动态方程。该发明有效提高了集总参数动态数学模型的单段精度，但考虑传热的复杂偏微分方程很难适用于控制系统的设计。并且对于混合动力汽车而言，发动机瞬时油耗和驾驶员热力需求等与温度高度相关的优化控制指标也很难用机理知识精准刻画。