李開放　田一鳴

摘 要：以某款PHEV為研究對象，利用DP算法求得UDDS工況下離線最優(yōu)控制序列。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對離線最優(yōu)控制序列及對應(yīng)汽車狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立控制變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線預(yù)測模型。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)了離線最優(yōu)控制變量的良好跟隨，且燃油經(jīng)濟(jì)性提升明顯。

關(guān)鍵詞：PHEV 能量管理策略 DP算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Research on PHEV Energy Management Strategy Based on Neural Network and DP Algorithm

Li Kaifang Tian Yiming

Abstract：Taking a PHEV as the research object， the DP algorithm is used to obtain the offline optimal control sequence under UDDS conditions. The article uses the neural network to learn and train the offline optimal control sequence and the corresponding car state， and establish an online prediction model of the control variable neural network. The simulation results show that the designed strategy achieves a good follow-up of the offline optimal control variables， and fuel economy is significantly improved.

Key words：PHEV， energy management strategy， DP algorithm， neural network

1 引言

能量管理策略是PHEV核心技術(shù)之一[1]，其本質(zhì)是基于工況，發(fā)動機(jī)和電機(jī)的功率分配問題，以期獲得最佳的整車燃油經(jīng)濟(jì)性。與其他策略相比，全局最優(yōu)策略能獲得理論上最小的燃油消耗值[2]，但其必須在工況已知的情況下，預(yù)先求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)控制序列，然后在仿真或?qū)嶋H實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格對照時間步長，一一離線調(diào)用上述最優(yōu)序列。本文首先利用動態(tài)規(guī)劃（DP）算法求得PHEV在UDDS工況下的離線最優(yōu)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和傳動比序列，該序列與當(dāng)前所對應(yīng)的汽車狀態(tài)構(gòu)成離線數(shù)據(jù)庫，然后基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立控制變量在線預(yù)測模型，該模型實(shí)現(xiàn)了離線最優(yōu)控制序列的在線應(yīng)用，而不需要依照仿真步長，嚴(yán)格一一對應(yīng)調(diào)用離線最優(yōu)控制序列，為后續(xù)進(jìn)一步PHEV基于不同工況的在線能量管理策略研究提供一定理論依據(jù)。

2 基于DP算法的離線最優(yōu)控制序列獲取

DP算法又稱為Bellman優(yōu)化算法[3]，該算法通過將某個復(fù)雜系統(tǒng)求解問題拆分成若干相互關(guān)聯(lián)子問題，從而將整體求解步驟化，通過局部求解逆推獲得全局最優(yōu)解。本文所研究PHEV是一款雙軸并聯(lián)式混合動力汽車，具有發(fā)動機(jī)和電機(jī)兩套動力源。動力系統(tǒng)需求功率與發(fā)動機(jī)功率和電機(jī)功率關(guān)系如公式（1）所示。

Preq（t）=Pe（t）+Pm（t）? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Preq（t）為每一時刻車輪需求功率;Pe（t）為發(fā)動機(jī)功率，Pm（t）為電機(jī)功率。

在整車參數(shù)及動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知，汽車行駛工況確定的前提下，決定動力系統(tǒng)總需求轉(zhuǎn)矩的只有傳動比。且根據(jù)公式（1）可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩二者在一個確定的前提下另一個自然確定。因此，本文選擇傳動比和電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為DP算法中的控制變量。狀態(tài)變量反應(yīng)汽車當(dāng)前的一種狀態(tài)，本文選擇選擇蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）以及傳動比作為狀態(tài)變量。

本文主要研究PHEV的燃油經(jīng)濟(jì)性，不涉及排放問題，因此以全局燃油消耗作為最終的目標(biāo)函數(shù)。基于上述原理，編寫DP算法程序，以UDDS工況作為實(shí)驗(yàn)工況，求得該工況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩和傳動比序列如圖1所示。

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制變量在線預(yù)測模型設(shè)計(jì)

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由大量神經(jīng)元（節(jié)點(diǎn)）通過一定的連接方式構(gòu)成，是一種模仿人腦處理信息方式的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，具有學(xué)習(xí)、記憶和智能處理計(jì)算的功能[4]。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理分析能力，目前已經(jīng)成為了許多專業(yè)領(lǐng)域一種必不可少的分析工具。根據(jù)神經(jīng)元連接方式不同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可分為多種結(jié)構(gòu)。其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用較為普遍的一種網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性能好，并且還具備良好的魯棒性和泛化能力，理論成熟，因此本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對上述所獲得的離線最優(yōu)控制變量序列及對應(yīng)的汽車狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，設(shè)計(jì)控制變量在線預(yù)測模型。

3.2 在線預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

對于單隱含層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)庫樣本個數(shù)確定的前提下，為保證網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的精度，還應(yīng)確定合適的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)。本文研究中，通過試湊法，分別以最高網(wǎng)絡(luò)回歸值和訓(xùn)練準(zhǔn)確率為目標(biāo)來獲得最佳的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過試驗(yàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)為12，其模型的回歸值為0.96;傳動比網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)為15;其模型的訓(xùn)練精度為97%，學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)果較為合理。在此基礎(chǔ)上，建立電機(jī)轉(zhuǎn)矩和傳動比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線預(yù)測Simulink模型，如圖2所示。

4 策略仿真及結(jié)果分析

本文所建立控制策略模型核心部分如圖3所示，將圖3所搭建模型嵌入到整車模型之中，使用UDDS工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。基于DP算法的離線最優(yōu)能量管理策略和本文所搭建策略下SOC變化過程對比;圖4為兩種策略下電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化過程對比。

由圖4可知，在本文設(shè)計(jì)策略下，SOC變化范圍為0.661至0.706，范圍波動較小。且SOC變化軌跡與DP策略下軌跡大致相同。圖5電機(jī)轉(zhuǎn)矩值進(jìn)一步驗(yàn)證了圖中10中SOC變化過程，且本文策略下電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化過程與DP策略下也大致相同。綜上所述，表明所設(shè)計(jì)的控制變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型性能良好，實(shí)現(xiàn)了對離線最優(yōu)序列的良好跟隨。將SOC末值修正至同一水平后燃油消耗對比可知[5]，本文所設(shè)計(jì)策略燃油消耗為9.18 L/100km，相比于離線最優(yōu)策略的7.30 L/100km，燃油消耗有一定幅度提升，但相比于默認(rèn)的電機(jī)助力控制策略的11.51 L/100km，其燃油消耗仍然節(jié)約了14.8%，燃油經(jīng)濟(jì)性提升明顯。

5 結(jié)束語

本文針對某款PHEV，基于DP算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立一種能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了離線最優(yōu)控制序列的在線應(yīng)用，SOC離線最優(yōu)軌跡的良好跟隨，且整車燃油經(jīng)濟(jì)性提升明顯，為后續(xù)進(jìn)一步的研究提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦大同，趙新慶，蘇嶺，楊官龍.插電式混合動力汽車變參數(shù)能量管理策略[J].中國公路學(xué)報(bào)，2015，28（02）：112-118.

[2]蘇嶺，曾育平，秦大同.插電式混合動力汽車能量管理策略研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，40（02）：10-15.

[3]勾華棟. 基于動態(tài)規(guī)劃的并聯(lián)混合動力客車能量管理策略研究[D].吉林大學(xué)，2015.

[4] 李友坤. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究分析及改進(jìn)應(yīng)用[D].安徽理工大學(xué)，2012.

[5]趙春陽. 基于行駛工況辨識的混合動力客車控制策略研究[D].吉林大學(xué)，2015.