一、混動(dòng)能量管理發(fā)展背景與意義
混合動(dòng)力汽車能夠在不同工作模式下耦合利用多種能源(油、電、氫以及碳中性燃料)，從而顯著提升能源利用效果，同時(shí)，快速發(fā)展的智能與網(wǎng)聯(lián)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車的能量高效利用提供了信息輸入。根據(jù)ITRC團(tuán)隊(duì)研究，通過制定合適的能量管理策略能夠有6%~15%的節(jié)能空間，當(dāng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，能量管理技術(shù)能夠帶來極大的社會(huì)效益和生態(tài)效益。然而，混合動(dòng)力汽車能源消耗表現(xiàn)受駕駛工況影響，大部分具有優(yōu)化、智能和網(wǎng)聯(lián)計(jì)算功能的能量管理策略未能搭載實(shí)車進(jìn)行在線應(yīng)用，目前普遍采用基于規(guī)則的能量管理策略，在不同駕駛場(chǎng)景下的適應(yīng)能力較低。事實(shí)上，如果能夠提前預(yù)知駕駛工況，就能夠適時(shí)調(diào)整工作模式并實(shí)現(xiàn)能源/能量的合理分配利用。隨著智能與網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，多源信息的獲取、駕駛工況的預(yù)測(cè)、控制能力的提升使得混合動(dòng)力汽車能量高效利用成為了可能。因此，利用智能與網(wǎng)聯(lián)技術(shù)賦能動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，明確混動(dòng)能量管理的技術(shù)發(fā)展路徑是十分必要的。
二、典型混動(dòng)能量管理策略及發(fā)展階段劃分
混動(dòng)能量管理的主要任務(wù)是根據(jù)車輛功率需求確定不同動(dòng)力源的功率輸出。從算法原理出發(fā)，能量管理策略主要包括基于規(guī)則的能量管理策略、基于優(yōu)化的能量管理策略和基于學(xué)習(xí)的能量管理策略。基于規(guī)則的能量管理策略主要依賴工程化經(jīng)驗(yàn)提前標(biāo)定好輸出控制量，當(dāng)滿足條件時(shí)按設(shè)定值執(zhí)行，優(yōu)勢(shì)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但能源利用改善效果并不顯著，工況適應(yīng)性差，主要典型代表是適用于PHEV的CD-CS控制策略。基于優(yōu)化的能量管理策略主要包括瞬時(shí)優(yōu)化，滾動(dòng)優(yōu)化與全局優(yōu)化三種方法，瞬時(shí)優(yōu)化算法的典型代表為ECMS和PMP，主要特點(diǎn)是能夠在線實(shí)時(shí)應(yīng)用，通過辨識(shí)駕駛?cè)孙L(fēng)格、意圖及交通狀態(tài)信息，調(diào)整瞬時(shí)優(yōu)化自適應(yīng)因子;滾動(dòng)優(yōu)化算法的典型代表為MPC，通過在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)求解車輛功率輸出控制序列，能夠適應(yīng)不同駕駛場(chǎng)景，但對(duì)信息獲取實(shí)時(shí)性要求較高，在線應(yīng)用難度較大;全局優(yōu)化的典型代表算法為DP，通過預(yù)知出行工況可獲得理論上最優(yōu)控制序列，但算力負(fù)擔(dān)大，目前僅作為基準(zhǔn)與其它策略進(jìn)行對(duì)比。基于學(xué)習(xí)的能量管理策略主要代表為RL和DRL，該算法可通過車輛智能體與環(huán)境實(shí)時(shí)交互，不斷學(xué)習(xí)并調(diào)整能量管理策略，由于涉及行車安全性，目前仍處于SiL和HiL仿真階段。上述規(guī)則型或瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略能夠搭載實(shí)車進(jìn)行應(yīng)用，而效果更好的能量管理控制策略需要更加豐富的信息，更高算力的芯片以及實(shí)時(shí)、可靠的通信與響應(yīng)能力。綜上，上述能量管理過程中最關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節(jié)為信息獲取與決策和能量管理與控制，ITRC團(tuán)隊(duì)根據(jù)決策信息豐富度與能量管理效果表現(xiàn)將混合動(dòng)力汽車能量管理發(fā)展劃分為4個(gè)階段。
圖1 不同發(fā)展階段特征與關(guān)鍵技術(shù)
S1階段：基于瞬時(shí)工況的能量管理階段。S1階段的能量管理基于駕駛?cè)吮孀R(shí)瞬時(shí)工況作為信息輸入，控制器基于規(guī)則或瞬時(shí)優(yōu)化的能量管理策略分配混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的功率輸出，這一階段僅能調(diào)整瞬時(shí)工況下的能量分配。本階段動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型、分布式電子電氣架構(gòu)等硬件配置與能量管理策略、基于信號(hào)通訊的軟件架構(gòu)等軟件配置在出廠時(shí)已固定，能量管理策略無法實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)，芯片算力僅能滿足車內(nèi)能量管理規(guī)則的計(jì)算需求。
S2階段：考慮前向工況的能量管理階段。S2階段能量管理基于S1階段增加了預(yù)測(cè)前向駕駛工況信息的任務(wù)環(huán)節(jié)，控制器基于滾動(dòng)優(yōu)化或智能學(xué)習(xí)策略分配混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的功率輸出。本階段動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，域控電子電氣架構(gòu)等硬件配置在出廠時(shí)已經(jīng)固定，軟件架構(gòu)從基于信號(hào)的通訊架構(gòu)向基于服務(wù)的架構(gòu)轉(zhuǎn)變，支持能量管理策略實(shí)現(xiàn)OTA在線升級(jí)。這一階段，隨著路側(cè)邊緣計(jì)算單元的快速發(fā)展，能夠?qū)λ采w路段的交通狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析并通信交互至車載控制器，車載控制器與邊緣計(jì)算單元之間能夠完成實(shí)時(shí)通信交互。
S3階段：融合全局工況的能量管理階段。相比于S1與S2階段，S3階段的能量管理策略將車輛能量狀態(tài)與出發(fā)地至目的地之間的全程交通信息進(jìn)行實(shí)時(shí)融合考慮，從而獲取近似全局最優(yōu)的能量分配方案，駕駛?cè)巳詾檐囕v速度的控制主體。這一階段信息決策過程與能量管理過程呈現(xiàn)明顯的解耦狀態(tài)，車端控制器無法完成最優(yōu)能量管理任務(wù)，需有效結(jié)合邊緣設(shè)備計(jì)算平臺(tái)和云平臺(tái)聯(lián)合決策分析，并通過5G/6G通信技術(shù)，與車端控制器完成信息交互。這一階段動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型、中央計(jì)算機(jī)電子電氣架構(gòu)等硬件配置在出廠時(shí)已經(jīng)固定，但基于SOA的服務(wù)架構(gòu)不僅能夠支持能量管理策略在線調(diào)整，而且還能接收實(shí)時(shí)信息。S3階段的關(guān)鍵技術(shù)在于：車端-邊緣端-云端之間的架構(gòu)設(shè)計(jì)，通信交互接口設(shè)定以及協(xié)同任務(wù)部署。
S4階段：面向速度自主規(guī)劃的能量管理階段。在上述S1~S3發(fā)展階段的基礎(chǔ)上，隨著自動(dòng)駕駛車輛、智能道路基礎(chǔ)設(shè)施以及智能計(jì)算平臺(tái)技術(shù)的成熟，S4階段由自動(dòng)駕駛車輛為控制主體，能夠按照規(guī)劃的速度序列完成出行任務(wù)，能量利用可達(dá)到最優(yōu)，在出行過程中幾乎不再受駕駛?cè)擞绊?駕駛?cè)私庸苘囕v除外)。這一階段能量管理框架重新被定義，不同計(jì)算平臺(tái)的接口協(xié)議也實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。云平臺(tái)、邊緣計(jì)算平臺(tái)端以及車端計(jì)算平臺(tái)能夠系統(tǒng)且分層完成信息交互與決策控制。這一階段動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型、電子電氣架構(gòu)等硬件配置在出廠時(shí)已固定，端邊云軟件架構(gòu)靈活度更高，自動(dòng)駕駛車輛能夠自主感知、自主決策以及自主學(xué)習(xí)，以最優(yōu)能量利用適應(yīng)不同的出行任務(wù)。
圖2 S4發(fā)展階段示意圖
上述不同發(fā)展階段并不是相互孤立的，未來發(fā)展階段會(huì)保留已發(fā)展階段的價(jià)值要素。同時(shí)，各個(gè)階段的發(fā)展特征各不相同，從能量管理效果分析，上述四個(gè)發(fā)展階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)最優(yōu)，局部最優(yōu)，近似全局最優(yōu)以及全局最優(yōu)的能量管理效果。
三、混動(dòng)能量管理發(fā)展過程中的應(yīng)用挑戰(zhàn)
混合動(dòng)力汽車能量管理策略實(shí)車應(yīng)用具有系統(tǒng)性強(qiáng)、協(xié)同性廣、高度復(fù)雜等特征，目前大多數(shù)能量管理策略停留在理論研究層面、未能實(shí)現(xiàn)實(shí)車應(yīng)用，這是由于能量管理不僅需要算法原理的創(chuàng)新，還包括多源信息的獲取、未來駕駛工況的預(yù)測(cè)、控制目標(biāo)的約束、控制平臺(tái)與軟件架構(gòu)所能支持的功能、芯片算力與通信機(jī)制等多維度的工程技術(shù)問題，主要包括以下幾個(gè)方面：
(1)多源信息獲取與處理：交通信息具有高度的時(shí)空雙變性、隨機(jī)性以及不確定性，對(duì)于不同感知設(shè)備所獲取的信息數(shù)據(jù)具有不規(guī)則、無關(guān)聯(lián)以及非標(biāo)準(zhǔn)化的特征。此外，如何獲取多源信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾融合，進(jìn)而滿足計(jì)算平臺(tái)所需的信息格式要求?對(duì)于所處理的復(fù)雜信息，如何將不同任務(wù)部署于合適的計(jì)算單元，如車載計(jì)算平臺(tái)、邊緣計(jì)算平臺(tái)、云計(jì)算平臺(tái)等?混合動(dòng)力汽車能量管理涉及人-車-路-云等不同決策與控制平臺(tái)，各個(gè)平臺(tái)之間需保證低時(shí)延、高可靠的實(shí)時(shí)交互，確定不同異質(zhì)平臺(tái)之間的通信機(jī)制是十分重要的。因此，信息的準(zhǔn)確獲取和高效處理是能量高效利用的重要前提。
(2)面向不同時(shí)空域的功率需求預(yù)測(cè)：工況預(yù)測(cè)的效果直接決定了能量管理的表現(xiàn)效果，預(yù)測(cè)場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)性和不確定性增加了預(yù)測(cè)難度，如交通信號(hào)燈狀態(tài)、交通流狀態(tài)、路面狀態(tài)等動(dòng)態(tài)變化因素，在預(yù)測(cè)過程中不僅需要考慮未來時(shí)空域中復(fù)雜交通場(chǎng)景對(duì)能量管理的影響，還需綜合考慮預(yù)測(cè)的邊際效益，預(yù)測(cè)信息越準(zhǔn)確所造成的算力負(fù)擔(dān)和算時(shí)響應(yīng)要求就越嚴(yán)格，即信息獲取和計(jì)算過程所付出的資源成本與能量管理效果之間的平衡點(diǎn)如何界定?其包括多源信息采集與計(jì)算資源成本，以及對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。
(3)車輛控制能力與約束條件：能量管理對(duì)象非線性、時(shí)變，混動(dòng)汽車能量管理屬于多約束條件下的多目標(biāo)優(yōu)化問題。能量管理控制目標(biāo)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、離合器等物理對(duì)象，不同系統(tǒng)的物理特性構(gòu)成了優(yōu)化問題的多維約束條件。保證車輛行駛安全是混合動(dòng)力汽車能量管理的重要前提條件，求解過程發(fā)生卡滯或死機(jī)會(huì)直接影響駕駛過程失穩(wěn)。因此，功能安全、預(yù)期功能安全和信息安全是非常重要的。此外，電子電氣控制架構(gòu)直接決定了計(jì)算實(shí)時(shí)性與可靠性，軟件架構(gòu)直接決定了能量管理策略是否可以持續(xù)在線升級(jí)。
四、混動(dòng)能量管理發(fā)展的實(shí)車應(yīng)用框架
混動(dòng)能量管理發(fā)展的理想目標(biāo)是：通過獲取多源網(wǎng)聯(lián)信息并智能預(yù)測(cè)出行域全程功率需求，將能量管理決策序列實(shí)時(shí)作用于混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量利用的最優(yōu)分配。然而，車載控制器無法完成能量管理過程中的全部任務(wù)環(huán)節(jié)，能量管理所需多源信息感知與決策過程需依賴不同計(jì)算平臺(tái)，從而保證不同任務(wù)部署與相應(yīng)計(jì)算平臺(tái)的資源相匹配。因此，ITRC團(tuán)隊(duì)提出一套適用于混合動(dòng)力汽車能量管理不同發(fā)展階段的工程應(yīng)用框架“基于端邊云任務(wù)協(xié)作的混合動(dòng)力汽車智能能量管理實(shí)車應(yīng)用框架，簡(jiǎn)稱CVEC-IEM”，如圖所示。
圖3 混合動(dòng)力汽車能量管理實(shí)車應(yīng)用實(shí)施框架
五、結(jié)論
1.利用智能和網(wǎng)聯(lián)技術(shù)能夠有效賦能動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力源汽車的能量高效利用，從而推動(dòng)汽車節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展。
2.混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在完成傳統(tǒng)變速變扭的功能基礎(chǔ)上，還要完成多源信息感知和融合、出行時(shí)空域車輛功率需求的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以及集成控制等一系列新的任務(wù)需求，為此，混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)也有了新的功能定義，即實(shí)現(xiàn)能量智能轉(zhuǎn)換與高效控制。
3.混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)也將從傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成為信息物理系統(tǒng)，在涉及機(jī)械、電子、液壓、單一化控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上，融入了網(wǎng)聯(lián)通信、智能決策、集成控制等新技術(shù)。
4.能量管理所涉及的人-車-交通-云之間動(dòng)態(tài)信息通信交互機(jī)制是一項(xiàng)復(fù)雜的工程問題，不僅需要高校加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究并突破共性關(guān)鍵技術(shù)，而且還需要政府、車企、交通基礎(chǔ)設(shè)施商、通信設(shè)備設(shè)施商等多方資源協(xié)同構(gòu)建統(tǒng)一的信息交互標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與接口、芯片、計(jì)算平臺(tái)、車載電子電氣信息架構(gòu)、通信、網(wǎng)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施等一系列新產(chǎn)品，突破一系列新技術(shù)。