基于道路坡度信息的混合動力汽車節能預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于道路坡度信息的混合動力汽車節能預測控制方法，特別涉 及一種實時最優的混合動力汽車控制方法。
【背景技術】
[0002] 全球能源與環境形勢的日益嚴峻，特別是國際金融危機對汽車產業的巨大沖擊， 推動世界各國加快汽車產業戰略轉型。為開發出更加節能環保的汽車，解決上述兩大問題， 混合動力汽車目前已被產業化。與傳統汽車相比，混合動力汽車具有電池和燃油雙系統驅 動的冗余性，運用這種冗余性可以調節驅動裝置工作點到最優位置，從而實現節能減排目 標。預計未來汽車的主流將是這種混合動力汽車。由于混合動力汽車可以回收伴隨車輛減 速產生的再生制動能量；利用驅動系統的冗余性（發動機和電機）優化驅動裝置工作點，因 此可以極大地發揮節能減排效用。但是最優工作點隨發動機的特性，周圍車輛的行駛狀態， 道路交通條件的改變而時刻改變著。而且，旋轉系（發動機和電機）具有轉速轉矩極限，電 池具有荷電狀態極限，超出這些極限對于車輛關鍵零部件的性能影響很大。因此，混合動力 汽車的節能減排效果很大程度上依賴于其能量管理策略（滿足約束條件）。而其關鍵技術 為能量管理中央控制器中的實時最優化，以期實現控制策略的商業化，產業化。
[0003] 混合動力汽車能量管理系統的控制策略是其研發的技術核心和設計難點。目前已 經提出的控制策略大致可以分為4類：數值最優控制，解析最優控制，瞬時最優控制和啟發 式控制。數值最優控制的典型代表是動態規劃和模型預測控制。解析最優控制的典型代表 是龐特里亞金極小值原理控制策略。瞬時最優控制的典型代表是瞬時等效油耗最低控制 策略。啟發式控制策略的典型代表是基于規則的控制策略。傳統的全局最優控制算法動態 規劃和龐特里亞金極小值原理控制方法，由于需要事先知道未來全部工況信息，無法實現 實時最優。傳統的基于規則的控制策略無法實現效率最大化。一般的前饋型控制（假定車 輛速度模式一定）無法實現實時最優。傳統的瞬時最優控制參數受未來車輛工況變化影響 太大，無法滿足控制性能。自20世紀90年代初以來，世界各國對混合動力汽車的研發給予 了高度重視，并取得了一些重大的成果和進展。日本豐田汽車公司于1997年實現了混合動 力汽車的量產化，2012年實現了插電式混合動力汽車的量產化。美國總統奧巴馬2009年宣 布了下一代先進蓄電池和插電式混合動力汽車計劃。在國內，國家"十一五" 863計劃設立 了節能與新能源汽車重大項目。申請者在日本九州大學攻讀博士學位期間，掌握了日本企 業和大學普遍采用的模型預測控制方法以及日本學者大塚敏之提出的C/GMRES快速控制 方法。這兩種方法結合可解決模型預測控制這種先進控制方法的實際應用問題。
[0004] 在此背景下，提高能源利用效率，減少汽車對環境的污染已成為當今汽車工業發 展的首要任務。同時利用道路坡度信息，進一步提高驅動裝置效率也成為當今社會發展的 現實需要。為了解決上述問題，需要設計一種基于道路坡度信息的可產業化的混合動力汽 車模型預測控制方法，從而實現節能減排目標。
【發明內容】
[0005] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠對未來車輛工況進行實時預測的基 于道路坡度信息的混合動力汽車節能預測控制方法，以達到最大限度地節能減排，產業化 混合動力汽車能量管理中央控制器。
[0006] 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：
[0007] 一種基于道路坡度信息的混合動力汽車節能預測控制方法，第一步為信息采集， 第二步為車輛建模，第三步為公式化控制策略，第四步為在線最優控制，第五步為權重參數 調節，第六步為是否目標滿足判斷；包括以下步驟：
[0008] 步驟1)信息采集：由全球定位系統和google地圖采集車輛的位置信息，實際道路 的位置信息，海拔高度和地形信息，作為實時車輛狀態反饋；由車載雷達測速裝置采集前方 車輛速度，用于跟蹤控制；由卡爾曼濾波器利用采集的蓄電池信息對蓄電池荷電狀態進行 估計。
[0009] 步驟2)車輛建模：行星齒輪式混聯混合動力汽車包含5大動態部件，它們是發動 機，蓄電池，2個發電電動一體機和車輪；行星齒輪作為動力分配裝置既有速度耦合器的作 用，又有電子無極變速器作用；根據車輛機械耦合和電子耦合關系，可以列寫系統動力學方 程。對動力學方程解耦，最終可以獲得系統的狀態空間模型，如式（1)所示。
【主權項】
1. 一種基于道路坡度信息的混合動力汽車節能預測控制方法，其特征在于：具體步驟 如下： 步驟1)信息采集：由全球定位系統和google地圖采集車輛的位置信息，實際道路的 位置信息，海拔高度和地形信息，作為實時車輛狀態反饋，由車載雷達測速裝置采集前方車 輛速度，用于跟蹤控制，由卡爾曼濾波器利用采集的蓄電池信息對蓄電池荷電狀態進行估 計； 步驟2)車輛建模：行星齒輪式混聯混合動力汽車包含發動機、蓄電池、兩個發電電動 一體機和車輪五大動態部件，行星齒輪作為動力分配裝置具有速度耦合器和電子無極變速 器的作用，根據車輛機械耦合和電子耦合關系，列寫系統動力學方程，對動力學方程解耦， 獲得系統的狀態空間模型公式（1)如下： X = f (x,u) X - [WengPWM/G2XS0C] U - [TengTM/G2TM/GlTbrake]
M,N,PG 式中，X為狀態量，U為控制量，S和R是太陽輪和齒圈齒數，TM/el，Tj^，Trasist，TbMke 和Tmg是第一發電電動一體機，第二發電電動一體機，車輛行駛阻力，車輛摩擦制動和發動 機轉矩，^M/d，《1!/(；2和Wmg是第一發電電動一體機，第二發電電動一體機和發動機的角轉 速度，gf是主減速器速比，Im/mIM/e2, 1￥和1_是第一發電電動一體機，第二發電電動一體 機，車輪和發動機的轉動慣量，rw是車輪半徑，參數p，CD，A，m