本發(fā)明涉及一種基于分層博弈的純電動汽車能熱協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化方法，屬于電動汽車熱管理。

背景技術(shù)：

1、動力電池作為純電動汽車唯一的能量來源，能量利用效率決定汽車動力性能和續(xù)航里程。精準(zhǔn)的能量管理可以動態(tài)分配能量，還可以控制電池充放電節(jié)奏，提高電池使用壽命。動力電池在工作時會產(chǎn)生熱量，若不進(jìn)行有效調(diào)控，容易引起熱失控。合理的熱量管理可以有效的將電池溫度控制在理想?yún)^(qū)間，保障電池安全性。此外，熱量管理還需關(guān)聯(lián)整車熱平衡，將電池?zé)峁芾砗蛙囕v其他熱管理需求相協(xié)同，可以優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的能量需求，間接提升能量的利用率。

2、面對純電動汽車復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境，現(xiàn)有的能量管理與熱管理技術(shù)體系仍存在不足。當(dāng)前的能量管理策略大多聚焦于電能的分配與回收，極少將熱管理需求的能耗納入到優(yōu)化目標(biāo)；在熱管理領(lǐng)域，整車熱管理各子系統(tǒng)相對獨立，缺乏協(xié)同控制，導(dǎo)致整車熱管理能耗高、響應(yīng)滯后，難以適應(yīng)復(fù)雜工況下的動態(tài)熱需求，存在電動汽車動力性、電池安全性及乘員舒適性問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于分層博弈的純電動汽車能熱協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化方法，本發(fā)明通過將電動汽車能量管理和熱管理雙向耦合問題轉(zhuǎn)化為博弈問題，通過分層博弈系統(tǒng)解決電動汽車能量管理和熱管理雙向耦合系統(tǒng)的技術(shù)問題，達(dá)到提升整車能效的目的。

2、技術(shù)方案：一種基于分層博弈的純電動汽車能熱協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1、建立耦合系統(tǒng)和協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)：建立車輛的能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，將能量管理系統(tǒng)與熱管理系統(tǒng)通過能量流和熱流進(jìn)行雙向耦合連接，完成車輛耦合系統(tǒng)的建立；同時建立協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的執(zhí)行策略；將相對獨立的系統(tǒng)耦合建立，使能量傳遞和熱量的調(diào)控形成動態(tài)關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，利用協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)避免能量管理與熱管理系統(tǒng)產(chǎn)生目標(biāo)沖突，有效達(dá)成在能耗控制、電池安全與乘員舒適綜合性能的協(xié)同控制；

4、s2、獲取溫度和當(dāng)前工況：基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)lstm建立工況-溫度識別系統(tǒng)并融合能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，得出當(dāng)前環(huán)境溫度、乘員艙溫度和電池溫度以及車輛當(dāng)前所處工況；

5、s3、建立分層博弈系統(tǒng)，確定博弈均衡解：通過第一層stackelberg博弈模型和第二層nash博弈模型建立分層博弈系統(tǒng)，?將s2得出的當(dāng)前環(huán)境溫度，乘員艙溫度和電池溫度以及當(dāng)前所處工況，輸入至分層博弈系統(tǒng)，進(jìn)行各層級博弈求解，輸出滿足各層級目標(biāo)的功率分配；確保功率在能量管理與熱管理系統(tǒng)之間的流動始終與工況相適配，實現(xiàn)綜合性能的協(xié)同提升；

6、s4、迭代調(diào)整：能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)執(zhí)行s3中的所分配的功率，將輸出數(shù)據(jù)發(fā)送至工況-溫度識別系統(tǒng)，得出當(dāng)前車輛所處工況、乘員艙溫度和電池溫度，分別判斷工況是否與上一時刻車輛所處工況相同、電池溫度是否同時符合第一約束條件和第二約束條件、乘員艙溫度是否同時符合第一約束條件和第二約束條件，若任一不符合，則對其進(jìn)行目標(biāo)權(quán)重系數(shù)調(diào)整，調(diào)整完畢后回到s3，若均符合，則不進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測過程中出現(xiàn)任一不符合，則進(jìn)行調(diào)整后回到s3。

7、優(yōu)選項，所述s1中的耦合系統(tǒng)包括正向耦合和反向耦合，在正向耦合中，能量管理系統(tǒng)運(yùn)行中電池的能量損耗直接轉(zhuǎn)化成熱量，能量管理系統(tǒng)的耦合接口定義為電池?zé)嵘山涌?，作為熱管理系統(tǒng)的輸入，正向耦合能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)；

8、在反向耦合中，由于熱管理系統(tǒng)在制冷或制熱時同樣需要能量消耗，溫度也會影響能量管理系統(tǒng)的效率，因此熱管理系統(tǒng)的耦合接口定義為各子系統(tǒng)的溫度反饋接口和能耗接口，作為能量管理系統(tǒng)的輸入，反向耦合熱管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)，二者雙向耦合，綜合考慮整車能效優(yōu)化、電池?zé)岚踩统藛T艙舒適性；

9、所述能量管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)包括駕駛員系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、動力學(xué)系統(tǒng)，所述熱管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)包括乘員艙系統(tǒng)、電池?zé)嵯到y(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)；

10、熱管理系統(tǒng)進(jìn)行制冷或制熱時需要的能量消耗包含空調(diào)系統(tǒng)能耗、乘員艙獨自能耗和電池?zé)嵯到y(tǒng)獨自消耗功率，能量消耗具體公式如下：

11、

12、

13、

14、式中：為電池輸出功率，為能量管理系統(tǒng)實際功率，為熱管理系統(tǒng)實際功率，為空調(diào)系統(tǒng)消耗功率，為電池?zé)嵯到y(tǒng)獨自消耗功率，為乘員艙獨自消耗功率，為壓縮機(jī)消耗功率，為鼓風(fēng)機(jī)消耗功率。

15、優(yōu)選項，所述s2中能量管理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)為車速、加速度、坡度、充放電電流、soc，熱管理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)為乘員艙溫度、環(huán)境溫度和電池溫度；長短期記憶網(wǎng)絡(luò)lstm融合能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，得出當(dāng)前環(huán)境溫度、乘員艙溫度和電池溫度以及車輛當(dāng)前所處工況，具體過程為：

16、數(shù)據(jù)收集與處理，收集能量管理系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)為車速、加速度、坡度、充放電電流、soc，熱管理系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)為乘員艙溫度、環(huán)境溫度和電池溫度，并對收集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；

17、構(gòu)建時間序列，將處理后的數(shù)據(jù)融合成時間序列數(shù)據(jù)集，時間步t的特征向量，公式如下：

18、

19、式中：為時間步t的車速，為時間步t的加速度，為時間步t的坡度，為時間步t的充放電電流，為時間步t的電池荷電狀態(tài)，為時間步t的乘員艙溫度，為時間步t的電池溫度，為時間步t的環(huán)境溫度；

20、數(shù)據(jù)融合：長短期記憶網(wǎng)絡(luò)lstm通過隱藏狀態(tài)是實現(xiàn)多源參數(shù)融合，公式如下：

21、

22、式中：為在時間步t的隱藏狀態(tài)，為輸入序列，為遺忘門權(quán)重，為輸入門權(quán)重，為細(xì)胞狀態(tài)權(quán)重，為輸出門權(quán)重，為遺忘門偏置向量，為輸入門偏置向量，為細(xì)胞狀態(tài)偏置向量，為輸出門偏置向量；

23、工況識別：長短期記憶網(wǎng)絡(luò)lstm將融合的隱藏狀態(tài)通過softmax激活函數(shù)映射到工況類別的概率分布，選擇概率最高的類別為當(dāng)前工況，公式如下：

24、

25、式中：為給定輸入的條件下，輸出屬于類別k的概率，為輸出層中對應(yīng)類別k的權(quán)重，為輸出層中對應(yīng)類別k的偏置向量，k為工況類別總數(shù)。

26、優(yōu)選項，所述s3具體為：

27、第一層stackelberg博弈模型的博弈參與者為協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，第二層nash博弈模型的博弈參與者為熱管理系統(tǒng)、電池?zé)嵯到y(tǒng)和乘員艙系統(tǒng)；

28、通過第一層stackelberg博弈模型和第二層nash博弈模型建立分層博弈系統(tǒng)，利用空調(diào)系統(tǒng)對二者進(jìn)行熱負(fù)荷交換，具體集合為：

29、

30、

31、式中：和分別為第一層博弈和第二層博弈，p為參與者，ω和u分別為對應(yīng)參與者的策略空間和效用收益函數(shù)；為協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)的策略空間，為能量管理系統(tǒng)策略空間，為熱管理系統(tǒng)策略空間，為電池?zé)嵯到y(tǒng)策略空間，為乘員艙系統(tǒng)策略空間；u1為協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)的效用收益函數(shù)，u2為能量管理系統(tǒng)的效用收益函數(shù)，u3為熱管理系統(tǒng)的效用收益函數(shù)，為電池?zé)嵯到y(tǒng)效用收益函數(shù)，為乘員艙效用收益函數(shù)；

32、將s2得出的當(dāng)前環(huán)境溫度，乘員艙溫度和電池溫度以及當(dāng)前所處工況，輸入至第一層stackelberg博弈模型，第一層stackelberg博弈模型輸出能量管理系統(tǒng)需求功率、熱管理系統(tǒng)需求功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度及與其分別對應(yīng)的目標(biāo)權(quán)重系數(shù)，即全局能耗權(quán)重系數(shù)、電池安全權(quán)重系數(shù)、舒適性權(quán)重系數(shù)；

33、即，協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度，乘員艙溫度和電池溫度以及當(dāng)前所處工況，確定目標(biāo)權(quán)重系數(shù)，進(jìn)而分配出能量管理系統(tǒng)需求功率、熱管理系統(tǒng)需求功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度，能量管理系統(tǒng)根據(jù)能量管理系統(tǒng)需求功率進(jìn)行決策，得出能量管理系統(tǒng)實際功率，熱管理系統(tǒng)根據(jù)熱管理系統(tǒng)需求功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度進(jìn)行決策，得到熱管理系統(tǒng)實際功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度；

34、設(shè)定第一約束條件，判斷能量管理系統(tǒng)實際功率、熱管理系統(tǒng)實際功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度是否符合第一約束條件，若滿足，則將熱管理系統(tǒng)實際功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度輸入至第二層nash博弈模型，若不滿足，則回到協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)重新調(diào)整目標(biāo)權(quán)重系數(shù)，重新分配，直至滿足第一約束條件停止；

35、將熱管理系統(tǒng)實際功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度輸入至第二層nash博弈模型，熱管理系統(tǒng)通過非合作博弈得出空調(diào)系統(tǒng)分配給電池?zé)嵯到y(tǒng)功率、空調(diào)系統(tǒng)分配給乘員艙系統(tǒng)功率，設(shè)定第二約束條件，判斷電池溫度差、乘員艙溫度差是否滿足第二約束條件，若不滿足，則回到熱管理系統(tǒng)重新調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)分配給電池?zé)嵯到y(tǒng)功率、空調(diào)系統(tǒng)分配給乘員艙系統(tǒng)功率的目標(biāo)權(quán)重系數(shù)，重新進(jìn)行分配，直至滿足第二約束條件停止；若滿足則輸出能量管理系統(tǒng)需求功率、熱管理系統(tǒng)需求功率、空調(diào)系統(tǒng)分配給電池?zé)嵯到y(tǒng)功率、空調(diào)系統(tǒng)分配給乘員艙系統(tǒng)功率。

36、優(yōu)選項，所述s3中第一層stackelberg博弈模型、第二層nash博弈模型的策略空間具體為：

37、協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)的策略空間包含能量管理系統(tǒng)需求功率、熱管理系統(tǒng)需求功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度的約束集合，具體集合為：

38、

39、式中：、分別為電池目標(biāo)溫度安全范圍的最小值和最大值，、分別為乘員艙目標(biāo)舒適性溫度范圍的最小值和最大值，為電池輸出功率，為能量管理系統(tǒng)需求功率，為熱管理系統(tǒng)需求功率；

40、能量管理系統(tǒng)的策略空間包含功率分配參數(shù)電池輸出功率、能量管理系統(tǒng)實際功率的約束集合，具體集合為：

41、

42、式中：為電池輸出功率，為能量管理系統(tǒng)實際功率，為電池輸出最大功率；

43、熱管理系統(tǒng)的策略空間包含熱管理功率和溫度控制參數(shù)：熱管理系統(tǒng)實際功率、電池目標(biāo)溫度、乘員艙目標(biāo)溫度的約束集合，具體集合為：

44、

45、式中：、分別為電池目標(biāo)溫度安全范圍的最小值和最大值，、分別為乘員艙目標(biāo)溫度范圍的最小值和最大值，為電池輸出功率，為熱管理系統(tǒng)實際功率；

46、電池?zé)嵯到y(tǒng)的策略空間包含電池?zé)嵯到y(tǒng)獨自消耗功率、空調(diào)系統(tǒng)分配給電池?zé)嵯到y(tǒng)功率、電池目標(biāo)溫度的約束集合，具體集合為：

47、

48、式中：為電池?zé)嵯到y(tǒng)獨自消耗功率，為空調(diào)系統(tǒng)分配給電池?zé)嵯到y(tǒng)功率，、分別為電池目標(biāo)溫度安全范圍的最小值和最大值；

49、乘員艙系統(tǒng)的策略空間包含空調(diào)系統(tǒng)分配給乘員艙系統(tǒng)功率、乘員艙獨自消耗功率、乘員艙目標(biāo)溫度的約束集合，具體集合為：

50、

51、式中：為空調(diào)系統(tǒng)分配給乘員艙系統(tǒng)功率，為乘員艙獨自消耗功率，、分別為乘員艙目標(biāo)溫度范圍的最小值和最大值。

52、優(yōu)選項，所述s3中第一層stackelberg博弈模型、第二層nash博弈模型的效用收益函數(shù)具體為：

53、協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)的效用收益函數(shù)：

54、

55、式中：、、分別為權(quán)衡能量消耗、電池溫度偏離程度、乘員艙溫度偏離程度的權(quán)重系數(shù)，為能量管理系統(tǒng)需求功率，為熱管理系統(tǒng)需求功率，為電池溫度，為電池目標(biāo)溫度，為乘員艙溫度，為乘員艙目標(biāo)溫度；

56、能量管理系統(tǒng)的效用收益函數(shù)：

57、

58、式中：為電池輸出功率，為能量管理系統(tǒng)實際功率，為電池輸出最大功率，、為權(quán)衡電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的權(quán)重系數(shù)；

59、熱管理系統(tǒng)的效用收益函數(shù)：

60、

61、式中：為權(quán)衡電池溫度偏離程度的權(quán)重系數(shù)，為電池溫度，為電池目標(biāo)溫度，為權(quán)衡乘員艙溫度偏離程度的權(quán)重系數(shù)，為乘員艙溫度，為乘員艙目標(biāo)溫度，為權(quán)衡熱管理實際功率的權(quán)重系數(shù)；

62、電池?zé)嵯到y(tǒng)的效用收益函數(shù)：

63、

64、式中：為電池?zé)嵯到y(tǒng)權(quán)衡電池溫度偏離程度的系數(shù)，為電池溫度，為電池目標(biāo)溫度，為權(quán)衡電池?zé)嵯到y(tǒng)獨自消耗功率的系數(shù)，為權(quán)衡空調(diào)系統(tǒng)分配給電池?zé)嵯到y(tǒng)功率的系數(shù)；

65、乘員艙系統(tǒng)的效用收益函數(shù)：

66、

67、式中：為乘員艙系統(tǒng)權(quán)衡乘員艙溫度偏離程度的系數(shù)，為乘員艙溫度，為乘員艙目標(biāo)溫度，為權(quán)衡空調(diào)系統(tǒng)分配給乘員艙系統(tǒng)功率的系數(shù)，為權(quán)衡乘員艙系統(tǒng)獨自消耗功率的系數(shù)；

68、根據(jù)所述的效用收益函數(shù)，將協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)定義為收益函數(shù)的最大化，能量管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)定義為收益函數(shù)相反數(shù)的最小化、，電池?zé)嵯到y(tǒng)和乘員艙系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)定義為收益函數(shù)的最大化、，將收益函數(shù)通過最大化自身效益和最小化自身效益的相反數(shù)交錯定義，有效降低求解過程的復(fù)雜程度。

69、優(yōu)選項，所述第一約束條件具體為：

70、

71、

72、

73、

74、式中：、分別為電池目標(biāo)溫度安全范圍的最小值和最大值，、分別為乘員艙目標(biāo)溫度范圍的最小值和最大值，為電池輸出功率，為能量管理系統(tǒng)實際功率，為熱管理系統(tǒng)實際功率。

75、所述s4中用于判斷乘員艙溫度和電池溫度是否符合第一約束條件與電池目標(biāo)溫度和乘員艙目標(biāo)溫度所使用的第一約束條件相同。

76、優(yōu)選項，所述第二約束條件具體為：

77、

78、

79、式中：、分別為電池溫度和乘員艙溫度目標(biāo)偏差，、為電池溫度和乘員艙溫度設(shè)定的偏差閾值。

80、有益效果：本發(fā)明通過構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)和雙向耦合系統(tǒng)，深度融合能量管理與熱管理系統(tǒng)之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)，并建立分層博弈模型，對協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)各子系統(tǒng)建立目標(biāo)函數(shù)，分析相互關(guān)聯(lián)性，提高能量利用效率，達(dá)到使能量分配更精準(zhǔn)高效；有效改善電池再不同復(fù)雜工況下的熱穩(wěn)定性，降低因電池?zé)崾Э貛淼陌踩珕栴}；同時再協(xié)調(diào)能量流和熱流的過程中，能夠根據(jù)乘員艙需求調(diào)整有關(guān)參數(shù)，提升乘員艙駕乘舒適性；最終通過分層博弈動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)整車全局能耗、電池安全性與乘員艙舒適性的多維平衡，有效突破單一系統(tǒng)優(yōu)化的局限性，能夠滿足對不同環(huán)境和復(fù)雜工況下汽車高效運(yùn)行、安全行駛和舒適性駕乘的綜合性性能的要求。