混合动力系统的双线性状态转移能量管理控制方法及系统

本发明涉及新能源汽车动力总成控制和混合动力能量管理，特别是涉及混合动力系统的双线性状态转移能量管理控制方法及系统。

背景技术：

1、在新能源混合动力汽车中，动力总成通常配置有多种离散运行模式，例如纯电模式、串联模式、并联模式等。为提高燃油经济性，上层能量管理策略需要根据当前车辆工况动态选择最佳运行模式，并在各动力源之间分配功率或扭矩。

2、传统ecms/a-ecms主要依据不同候选模式在当前时刻的稳态等效能耗进行模式选择，未将发动机启停、离合器结合滑摩、动力源转速同步以及退出机械直驱时的驱动电机扭矩补偿等真实转换过程统一纳入上层决策。因而在模式代价接近的区域，容易因载荷波动或测量噪声频繁改变运行模式，使瞬时计算所得的稳态经济性优势被额外的启停能耗、滑摩损耗、补偿电耗和动力中断所抵消，并造成动力总成冲击及驾驶平顺性下降。

3、现有技术通常采用以下一种或多种方式限制模式频繁变化：设置固定延时或最短驻留时间；在模式边界设置迟滞阈值；在目标函数中叠加固定经验惩罚常数；使用规则状态机禁止部分直接转移；或者在上层模式确定后，由独立的底层动态协调控制器对发动机、离合器和电机进行扭矩交接。该类方式能够在一定程度上改善模式切换频率或平顺性，但上层能量管理所评价的仍主要是稳态收益，底层为完成模式转换实际消耗的能量往往没有以统一物理量反馈到上层目标函数。经验阈值与固定惩罚还可能随车型、温度、车速及部件状态变化而失配。

4、综上所述，现有技术存在以下缺陷：首先，现有技术将模式切换近似为无代价瞬时过程，稳态代价只反映目标模式建立后的燃油和电能消耗，未反映建立该模式前必须完成的启停、同步、结合或扭矩交接过程；其次，现有技术稳态瞬时最优不等于包含切换过程后的实际综合能效最优，当稳态收益小于本次切换引起的启动电耗、滑摩损耗或补偿电耗时，执行切换反而可能增加实际能耗；其次，现有技术代价接近区域容易发生高频跳变，车速、需求扭矩及传感器信号的小幅波动可能使两个候选模式的稳态代价排序反复改变，造成模式震荡；其次，现有技术发动机频繁启停带来附加能耗和部件负担；并且离合器频繁结合带来滑摩能量损耗和寿命影响。

5、除此之外，现有技术退出机械直驱时的平顺性控制产生额外电耗，但传统上层算法常把该补偿视为底层控制器的独立任务，未评价其电池能量代价；现有技术的经验迟滞或固定惩罚缺乏统一物理量化依据，固定参数难以同时适应不同车速、soc、温度、负荷及部件老化状态；上层ems与底层执行过程缺少统一接口，上层只输出模式，底层承担真实切换代价，导致决策模型与被控对象的物理响应不一致。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了混合动力系统的双线性状态转移能量管理控制方法及系统，本发明实现稳态能量管理与瞬态模式协调控制的闭环结合，克服现有技术因忽略瞬态切换损耗导致频繁跳变、实际能效降低的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供混合动力系统的双线性状态转移能量管理控制方法，包括以下步骤：

4、在每一控制周期，获取并校验车辆与动力总成的当前运行状态，确定当前运行模式，并将混合动力系统预定义的离散运行模式确定为候选目标运行模式集合；

5、根据轮端需求，对候选目标运行模式集合中的各候选目标运行模式进行模式内部扭矩或功率寻优，计算各候选目标运行模式的稳态运行代价；

6、根据当前运行模式与各候选目标运行模式之间的状态差异，识别完成相应模式转换所需发生的物理切换事件，并计算各物理切换事件对应的附加能量，构建模式转移代价矩阵；

7、根据当前运行模式，从模式转移代价矩阵中提取对应的模式转移代价，将模式转移代价与各候选目标运行模式的稳态运行代价相结合，形成各候选目标运行模式的综合代价；

8、从候选目标运行模式集合中选择综合代价最小的模式作为目标运行模式；

9、根据当前运行模式与目标运行模式，向发动机、发电机、驱动电机、离合器及传动机构下发分阶段控制指令；根据各执行机构的物理反馈确认目标运行模式的动力传递拓扑已实际建立后，更新当前运行模式。

10、作为可选择的实施方式，所述各物理切换事件对应的附加能量，包括发动机启动附加能量、离合器滑摩附加能量、动力源同步附加能量、退并联扭矩补偿附加能量。

11、作为可选择的实施方式，所述模式转移代价矩阵以双线性形式构建，构建n×n维模式转移代价矩阵，其中n为候选目标运行模式集合中离散运行模式的数量，矩阵行对应当前运行模式、列对应候选目标运行模式，矩阵元素表示由对应当前运行模式转移至对应候选目标运行模式的等效物理转移代价，对角元素表示维持原模式的转移代价。

12、作为可选择的实施方式，所述综合代价还包括基于驻留时间的模式保持修正量，具体为：获取当前运行模式的连续驻留时间，根据连续驻留时间计算模式保持修正量，且所述模式保持修正量随驻留时间增加而衰减，在驻留时间超过预设有效保持周期后不再提供保持修正。

13、作为可选择的实施方式，所述模式保持修正量采用随驻留时间指数衰减的函数计算，表示为：

14、；

15、其中，为基于驻留时间的模式保持修正量，为模式刚完成切换时的保持修正基准幅值，为无量纲曲率系数，为有效保持周期。

16、作为可选择的实施方式，所述综合代价表示为：

17、；

18、其中，为离散控制周期的时间步索引，即第个控制周期，为全部候选目标运行模式的综合代价，为稳态运行代价向量，为从当前运行模式转移至各候选目标运行模式的转移代价向量，为当前运行模式的模式保持修正量，为可选的车速、负荷、soc、温度、道路坡度或驾驶意图修正向量，为可行性约束向量，和均为配置系数。

19、第二方面，本发明提供混合动力系统的双线性状态转移能量管理控制系统，包括如下模块：

20、状态获取模块，被配置为：在每一控制周期，获取并校验车辆与动力总成的当前运行状态，确定当前运行模式，并将混合动力系统预定义的离散运行模式确定为候选目标运行模式集合；

21、稳态代价计算模块，被配置为：根据轮端需求，对候选目标运行模式集合中的各候选目标运行模式进行模式内部扭矩或功率寻优，计算各候选目标运行模式的稳态运行代价；

22、转移代价构建模块，被配置为：根据当前运行模式与各候选目标运行模式之间的状态差异，识别完成相应模式转换所需发生的物理切换事件，并计算各物理切换事件对应的附加能量，构建模式转移代价矩阵；

23、综合代价形成模块，被配置为：根据当前运行模式，从模式转移代价矩阵中提取对应的模式转移代价，将模式转移代价与各候选目标运行模式的稳态运行代价相结合，形成各候选目标运行模式的综合代价；

24、目标模式决策模块，被配置为：从候选目标运行模式集合中选择综合代价最小的模式作为目标运行模式；

25、目标模式执行模块，被配置为：根据当前运行模式与目标运行模式，向发动机、发电机、驱动电机、离合器及传动机构下发分阶段控制指令；根据各执行机构的物理反馈确认目标运行模式的动力传递拓扑已实际建立后，更新当前运行模式。

26、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

27、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

28、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现完成第一方面所述的方法。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

30、本发明将发动机启动拖转、离合器滑摩、动力源同步及退并联扭矩补偿等真实瞬态物理损耗统一折算为等效燃油代价，与稳态运行代价在同一框架下评价，消除了传统算法仅看目标模式稳态收益的盲区；并且仅当候选目标运行模式的稳态收益能够完全覆盖进入该模式的物理转移代价时才触发切换，从根本上消除了代价接近区域的高频模式震荡。模式转移代价的构成可进一步拓展至其他由模式切换引发的物理损耗，包括但不限于电池充放电损耗、电机与发电机损耗、电池循环寿命代价等，只需将相应能量按统一量纲折算后叠加至对应矩阵元素，即可在不改变上层决策框架的前提下实现更完整的物理损耗覆盖，具有良好的可扩展性。

31、本发明发动机启动所需的拖转电能及附加燃油进入对应矩阵元素，使控制器能够预先权衡一次启动是否具有足够的后续收益；根据转速差、等效转动惯量或实测滑摩功计算结合代价，使转速差较大或热状态不利时的并联进入决策更符合实际物理条件；驱动电机为保持轮端扭矩连续而产生的附加电能不再被隐藏在底层控制中，上层ems在退出并联之前即可评价该项代价。

32、本发明通过发动机卸载、驱动电机扭矩预填充、离合器分离及补偿退出的时序协调，降低发动机机械扭矩突然撤出造成的轮端扭矩跌落；并且模式转移代价可由动力学模型、效率map、台架试验、在线传感器积分或查表获得，并可随车辆状态更新；在候选目标运行模式数量有限时，模式转移代价提取主要为低维矩阵乘法和最小值搜索，计算量低。