技术领域
[0001] 本
发明属于混合动力车辆技术领域，具体涉及一种温差发电的ISG轻度混合动力车模式切换优化方法。
背景技术
[0002] 基于
塞贝克效应的尾气温差发电器能够直接将尾气
热能转化为
电能，节省燃油消耗、减少环境污染，并且由于其
稳定性好、工作安静、无需定期维护、不消耗额外
能量等优势得到了广泛关注。区别于温差发电器在传统燃油车上有限的应用途径，其产生的电能可作用于混合动力车的启停、电动助力、
电池电量平衡等多个模
块。同时，轻度混合动力车的
发动机只有在启动、停止和部分低速低载工况才停止工作，能够有效克服混合动力车发动机间断的工作导致尾气废热总量较少的
缺陷，作为温差发电器的应用平台十分适合。
现有技术得出了温差发电器能够有效提高轻度混合动力车燃油经济性的结论，但是并未针对整车模式切换策略进行研究，没能进一步挖掘温差发电器的节能潜力，综合提高整车效率与燃油经济性。
[0003] ISG轻度混合动力车主要存在四种工作模式，包括发动机单独工作模式、
电动机助力模式、充电模式和电动模式。除电动模式外，另外三个模式下，温差发电器都正常工作。传统混合动力车能量管理策略的主要任务是根据
汽车工作模式的不同，控制CVT
变速器最佳速比，分配发动机和
电机间的功率，确保
传动系统实时效率最高。在整车中集成温差发电器，一方面温差发电器自重在不同行车工况下会带来不同程度的功率损耗；另一方面，温差发电器输出的功率也将影响整车功率分配，原有的模式切换依据由于温差发电器的存在已不再适用，需要在综合考虑温差发电器工作特征的
基础上，建立整车纵向动力学方程，优化不同工作模式下轻度混合动力车系统效率。
发明内容
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于温差发电的ISG轻度混合动力车模式切换优化方法，提高整车效率与温差发电器能量利用率。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现上述目的的。
[0006] 一种基于温差发电的ISG轻度混合动力车模式切换优化方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤(1)，结合整车参数，通过试验建立车辆速度、
加速度与发动机排气
温度关系模型；
[0008] 步骤(2)，基于平均值发动机模型，得到温差发电器的热端
工作温度与排气温度关系，输入PC机；
[0009] 步骤(3)，在PC机中建立车辆速度、加速度与温差发电器输出功率关系模型；
[0010] 步骤(4)，建立温差发电器净功率分析模型；
[0011] 步骤(5)，确定ISG轻度混合动力车工作模式，建立各工作模式下的整车纵向动力学模型；
[0012] 步骤(6)，构建各个工作模式下整车修正效率模型；
[0013] 步骤(7)，二次规划得到各个工作模式下随车辆速度、加速度变化的最优整车修正效率；
[0014] 步骤(8)，根据最优整车修正效率确定ISG轻度混合动力车模式切换准则，由PC机传输给ECU，进行模式切换。
[0015] 进一步，所述整车参数为发动机参数。
[0016] 更进一步，所述车辆速度、加速度与发动机排气温度关系模型由发动机参数确定。
[0017] 进一步，所述车辆速度、加速度与温差发电器输出功率关系模型的建立为方法：由发动机排气温度得到温差发电器的热端工作温度，基于
热电效应，得到温差发电器输出功率与热端工作温度的关系，基于建立的车辆速度、加速度与发动机排气温度关系模型，即可得到车辆速度、加速度与温差发电器输出功率关系模型。
[0018] 更进一步，所述温差发电器净功率分析模型为：PTEG＝P1-Pcomsume，其中Pcomsume为温差发电器自重引起的功率损耗，且 式中u为车速，fr为滚动阻尼系数，α为坡度
角，δ为
质量系数，mTEG为温差发电器质量，g是
重力加速度。
[0019] 进一步，所述ISG轻度混合动力车工作模式包括发动机单独驱动模式、电动助力模式和行车充电模式。
[0020] 更进一步，所述各工作模式下整车纵向动力学模式分别为：
[0021] 发动机单独驱动模式：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 行车充电模式：
[0026]
[0027]
[0028] 电动助力模式：
[0029]
[0030] 其中：Ir为
车轮处等效
转动惯量，ωr为车轮
角速度，Ie为发动机转动惯量，ωe为发动机角速度，Im为电机转动惯量，ωm为电机转速，ig为变速器速比，ηg为变速器效率，i0为
主减速器速比，Te为发动机转矩，Treq为车轮处需求转矩。
[0031] 更进一步，所述各工作模式下整车修正效率模型为： 整车系统的输入功率Pin＝Teωe/ηe；其中：ηe为发动机热效率。
[0032] 进一步，所述ISG轻度混合动力车模式切换准则具体为：综合各工作模式下最优整车修正效率，将各模式下最优整车修正效率进行对比，取各个车速、加速度下最大的最优整车修正效率值，对应工作模式即为当前工况下的最优模式。
[0033] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0034] 1、本发明提出的模式切换优化方法，在综合考量温差发电器输出功率与自重消耗的基础上，确立了电动机助力、发动机单独工作、行车充电三种工作模式下的最优整车修正效率，实现了ISG轻度混合动力车模式切换的优化，提高了整车效率与温差发电器能量利用率，从而进一步提高了整车燃油经济性，具有一定实用价值。
[0035] 2、本发明建立了车辆速度、加速度与温差发电器输出功率关系模型，提出了一种综合衡量温差发电器净功率与自重消耗的整车修正效率，不仅适用于ISG轻度混合动力车，对所有使用温差发电器的车辆都有一定借鉴意义。
附图说明
[0036] 图1为本发明一种基于温差发电的ISG轻度混合动力车模式切换优化方法的实施
流程图；
[0037] 图2为本发明发动机单独驱动模式下，整车修正效率随车速和加速度变化的关系图；
[0038] 图3为本发明行车充电模式下，整车修正效率随车速和加速度变化的关系图；
[0039] 图4为本发明电动助力模式下，整车修正效率随车速和加速度变化的关系图；
[0040] 图5为本发明具体
实施例中优化后模式切换结果图。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
[0042] 如图1所示，一种基于温差发电的ISG轻度混合动力车模式切换优化方法，包括以下步骤：
[0043] 步骤(1)，在PC机中输入ISG轻度混合动力车整车参数与温差发电器参数，ISG型轻度混合动力车整车参数包括
车身参数、发动机参数(本实施例中发动机的型号为：JL475Q3)、ISG电机参数；如表1所示。
[0044] 表1 整车参数、温差发电器参数
[0045]
[0046] 步骤(2)，通过建立测定发动机建立车辆速度、加速度与发动机排气温度关系模型，输入PC机。建立方法为：使发动机分别稳定工作在所有工作点(单个工作点包含车辆速度与加速度信息)，测量各个工作点的发动机排气温度，从而建立车辆速度、加速度与发动机排气温度关系模型。由于不同ISG轻度混合动力车的发动机型号不同，建立的车辆速度、加速度与发动机排气温度关系模型也不同。
[0047] 步骤(3)，平均值发动机模型(MVEM)通过已知尾气管进口温度(即发动机排气温度)，根据沿管温度降模型估计尾气管任意
位置温度，得到温差发电器的热端工作温度，输入PC机(参考文献为：Eriksson L.Mean value models for exhaust system temperatures.Agents&Actions 2002；18:89-91.)。
[0048] 步骤(4)，在PC机中建立车辆速度、加速度与温差发电器输出功率的关系；
[0049] 建立方法为：由步骤(3)中得到的热端工作温度与车辆发动机
冷却水管温度(可由ECU读取)的差值得到温差，基于热电效应，温差与热电材料的
塞贝克系数(通
过热电材料手册获得)的乘积即为温差发电器
输出电压，输出电压除以温差发电器内阻(通过仪器测得)与负载
电阻(通常设定为与内阻相等)可得温差发电器输出
电流，温差发电器输出电压与温差发电器输出电流的乘积即可得到温差发电器输出功率P1，由以上过程就可以得到温差发电器输出功率与热端工作温度的关系。基于步骤(2)建立的车辆速度、加速度与发动机排气温度关系模型，以及步骤(3)得到的温差发电器的热端工作温度，即可得到车辆速度、加速度与温差发电器输出功率关系模型。
[0050] 步骤(5)，建立温差发电器净功率分析模型；
[0051] 温差发电器自重引起的功率损耗Pcomsume和车速、车身加速度存在如下关系：
[0052]
[0053] 其中，u为车速，fr为滚动阻尼系数，α为坡度角，δ为质量系数，mTEG为温差发电器质量，g是重力加速度。
[0054] 通过温差发电器输出功率和Pcomsume的差值可用来表示温差发电器净功率，即：
[0055] PTEG＝P1-Pcomsume
[0056] 步骤(6)，确定ISG轻度混合动力车工作模式；
[0057] ISG轻度混合动力车工作模式包括：发动机单独驱动模式、电动助力模式、行车充电模式和纯电动模式。根据实际设计需要，可以取消纯电动模式，取消纯电动模式不影响本发明所提出的模式切换优化方法。
[0058] 步骤(7)，根据汽车动力学理论，建立各工作模式下的整车纵向动力学模型；
[0059] ①发动机单独驱动模式，：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] ②行车充电模式，区别于发动机单独工作模式，此模式下的动力学模型需要考虑电机的工作，具体形式为：
[0064]
[0065]
[0066] ③电动助力模式，电动助力模式主要用于高速高载工况，此时发动机负荷率高，动力性差，温差发电器自重带来的额外功率变大，且其并不处于最佳工作温区，输出功率下降，此模式下的动力学模型为：
[0067]
[0068] 上述各式中：Ir为车轮处等效转动惯量，kg·m2；ωr为车轮角速度，rad/s；Ie为发动机转动惯量，kg·m2；ωe为发动机角速度，rad/s；Im为电机转动惯量，kg·m2；ωm为电机转速，rad/s；ig为变速器速比；ηg为变速器效率；i0为主减速器速比；Te为发动机转矩，N·m；Treq为车轮处需求转矩，N·m。
[0069] 步骤(8)，构建各个工作模式下整车修正效率模型；
[0070] ①通过下式可以得到发动机单独驱动模式下的整车输出功率Pout，Pout为下述五项功率的和，分别为：克服整车
滚动阻力的功率，克服整车
风阻的功率，克服电机加速而产生的加速阻力的功率，克服整车加速阻力的功率以及温差发电器的输出功率，各个功率的计算方式由汽车动力学理论可以得到：
[0071]
[0072] ②行车充电模式
[0073] 将充电功率Pm等同于作为输出功率的
蓄电池充电能量，则整车输出功率为：
[0074]
[0075] 其中前四项功率与发动机单独驱动模式相同，但第五项需要考虑电机的输出功率，此时电机为整车充电，所以为正。
[0076] ③电动助力模式下的整车输出功率为：
[0077]
[0078] 其中前四项功率与发动机单独驱动模式相同，但第五项需要考虑电机的输出功率，并且此时的电机消耗整车能量所以为负。
[0079] 整车系统的输入功率，如下公式：
[0080] Pin＝Teωe/ηe
[0081] 则温差发电器影响的整车修正效率为：
[0082]
[0083] 其中：r为车轮半径，m；m为整车质量，kg；Cd为
空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ηe为发动机热效率；ηbat_charge为充电能量效率。
[0084] 步骤(9)，确定各工作模式下的约束条件，进行二次规划，得到各个工作模式下随车辆速度、加速度变化的最优整车修正效率。
[0085] 二次规划采用序列二次规划，为现有技术，通过Matlab
软件进行实现，在给定车速u([5-160]km/h)、加速度 和电池
荷电状态的情况下，使得ig在0.4-4.2之间以0.01为步长变化，寻找最大整车效率ηsys。
[0086] ①发动机单独驱动模式的约束条件和优化目标函数分别为：
[0087]
[0088] J＝maxηsys(t)
[0089] 进行仿真可得整车修正效率在发动机单独驱动模式下随车速和加速度变化的关系，如图2所示，由图2得出发动机单独驱动模式下的最优整车修正效率。
[0090] ②行车充电模式的约束条件和优化目标函数分别为：
[0091]
[0092] J＝maxηsys(t)
[0093] 式中Tm为电机转矩，N·m。
[0094] 进行仿真可得整车修正效率在行车充电模式下随车速和加速度变化的关系，如图3所示，由图3得出行车充电模式下的最优整车修正效率。
[0095] ③电动助力模式与行车充电模式的约束条件和优化目标函数相同，进行仿真可得整车修正效率在电动助力模式下随车速和加速度变化的关系，如图4所示，由4得出电动助力模式下的最优整车修正效率。
[0096] 步骤(10)，确定ISG轻度混合动力车模式切换准则，具体为：综合各工作模式下最优整车修正效率，将各模式下最优整车修正效率进行对比，取各个车速、加速度下最大的最优整车修正效率值，其对应工作模式即为当前工况下的最优模式，基于所得结果可以得到模式划分边界，如图5所示，将模式划分结果由PC机传输给ECU，以此作为ISG轻度混合动力车模式切换依据。
[0097] 以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
