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车载功率控制方法和能量管理
14.1 一个通用的框架，定义和需求
功率和能量管理的术语用在车载系统中几乎是同义词。更精确的来说，功率是一个瞬时的数量，而能量包含了使用动力所消耗的时间。虽然当我们阅读过这一章节之后这一含义会变得明显，但是通常情况下当功率被控制的时候，大体上能量也会被控制好。有关于功率和能量的控制问题总的由以下原因引起。
考虑一下图14.1，它代表了一个非常通用的系统，涉及到多个功率/能量来源和负载，包含功率负荷分配。在这个图中我们有数个能量来源。每一个来源都能成为一个特殊类型。例如，它可能是一个内燃机，即一个将化学能转化为机械能的能量源。它也能是一个储存电能的电池。或者他是一个燃料电池，可以将化学能转化为电能，或者它是一个能以机械能形式储存动能的飞轮。在飞轮的这种情况下，能量通过驱动和加速电动马达被注入飞轮中。当然，这些来源也可以是液压或气动电源。从上面这段话来看，这些来源可能是不同性质的，但它们可能是相似的，甚至是相同的。如，在图14.1中的1和2两者都是内燃机。或者说一个可以是柴油，另外的是汽油发动机。类似的，一个源可以是电池，另一个是燃料电池。荷载也可以是不同类型的。混合动力或电动汽车负载可以是一种推进电机类型的电（或相当的机电）负载，或者它可以是一个电灯或电加热器，也就是说，一些电阻负载。它也可以包括辅助电动机，例如泵、空调、等等。因此很明显在车辆中，出于需求会有各种各样的负载。但问题是：为什么要车载系统中有多个源（引擎）？
即使在普通的非混合动力车中，我们也有内燃机和电池。在这里我们有至少2个来源，以满足不同类型的负载，即，机械推进和电气负载。在混合动力车中，我们至少有2个来源。唯一不同的是，在一个混合动力电动汽车的电池可以大得多（实际上包括若干在常规的非混合动力车单独的电池模块组合在一起）。对于为什么我们有不同类型的来源，这个简单的答案就是我们有一个能使大量机械动力荷载可满足内燃机的方法。当然，我们可以使用电池来提供更小的负载，如电灯，水泵等上。但是对于多个来源的需求这个更复杂的回答是由于事实负载需求（功率）随时间而变化和特性负载（即转矩—机械负载的转速特性）也有随着时间的推移而变化。来源也有他们自己电源配置方面的特点和效率。换句话说，在特定的时刻提供一个特定的负载，如果发现相比于几个特定的源能够以最好的效率这样的来源选择，那么显然应该选择相应的最佳来源。这里一个人必须先看看一个或多个源（单独或集体），可以满足特别是负载性能方面的需求。如果有一个以上的源它可以做的工作，那么就必须选择最有效的来源（或组合最有效的那些）来完成这项工作。
上述情况出现的原因是由于集成电路引擎在其发动机效率图中一定的转矩中有更好的效率，同样也适用于电动马达，但电机相比一个内燃机在范围广泛的转矩-速度区域中，具有更大的效率。同样，对于讨论的缘故，如果我们假设一个系统同时具有柴油和汽油发动机
（多引擎，多燃料系统），那么他们的效率特性会有所不同，并在一定的转矩速度下，柴油发动机会比汽油发动机更好，反之亦然。
这个理念形成了支持从性能和效能看功率控制的观点的基本原理。这同样能被称作能量控制因为这个原理同样增加了整体系统的效率和降低了能量的消耗。
此外，落入功率管理的范围内的其它的事情涉及通过其功率被分配到各种负荷的整体的装置。例如，该机制用于将负载连接到源和在电系统中，用于像短路问题的保护机制也在电源管理的范围之内。
14.2实施方法
我们将从两个不同的角度讨论能源管理和控制，一是涉及优化，另一个分配和控制。优化处理像能源效率，或者像在一些阈值范围内电池保持着充电的状态，并有更多的是发电控制和管理，根据负荷需求。虽然第二个关于分配和控制的观点认为二者之间的存在某些甚至可以说是很强的相互关系，而且这种关系在接下来会很明显。
首先，让我们考虑电力/能源的特点，看看下面的特征：汽油内燃机，柴油机，发电机，电池和燃料电池。
对于这些动力，如图14.2所示的曲线实际上应该包含一系列对应于不同节气门位置或燃料输入的曲线（附加讨论可在本章的结尾处被发现在本章结尾处引用。一可以有另一组曲线显示速度和效率之间的关系在不同的节气门位置（或等价的燃料输入）为每个源。二这些集合，即速度，转矩和速度，效率曲线，共同构成发动机图。
同样，对于电气元件，如电动机和发电机，人们可以有另一组曲线显示出对于给定功率输出（或等同的速度与输入功率在给定的效率）的速度和效率之间的关系。对于静态部件如电池和燃料电池，可以在给定充电状态下绘制电压与电流的关系。就这些设备的工作点，这些特性如发电机和电池组件可以组成必需的信息。
在图14.2中的特征曲线，发动机曲线和负载曲线是给定的。如前面所指出的，涉及一种内燃发动机的曲线是为特定的油门对应于发动机燃料吸入位置。负载之间的交叉点曲线和源（例如，发动机，蓄电池等）曲线决定确切的工作点的负载和源。当我们要驱动一个负载，这意味着我们要生成特定转矩的特定转速。负载及其特性是依赖于引擎（或源）外的东西。为满足负载速度和扭矩，它一般系统中需要包括一些齿轮传动系统，因为发动机一般不能处理大范围的负荷需求，即使控制油门后。一旦节气门位置和变速比被选择，它们就精确了发动机的运行点。在该点的发动机工作在给定的效率或燃油经济性。
图14.3 特性曲线
电气系统的特性和它们的性质示于图14.3，为了便于对比，我们取得了相同的形式来显示哪些变量在每种情况下改变的曲线。变量分别是电压和电流在Y和X轴。固定的参数是电池和燃料确定的情况下的电池片（可以是氢）在燃料电池的情况下的流量。发动机的速度保持不变，而负荷变化恒定。一些电负载可以被连接或应用到这些电源装置中的每个，如所描述的各自的负载曲线。例如，一个电阻（可以是一个光）特性可能是在图中的直线。在这些图中，操作点就是曲线的交叉点。对应于这些图中的每个图，一个伴生图能在可能被画出的操作点表明出实际能量输入，这表明所用的能量将取决于在每个工作点的效率。这可能是在每个点处限定功率生产成本的成分之一。
在这一点上，我们可以用数学方法来定义上述情况：
发动机：
这是对应于一个特定的发动机扭矩，omega;E1，E1，E1是速度油门位置。
如前所述，发动机也将有另一个涉及其功率消耗的方程或能量，或等价的效率，可写成如下：
同样可以写出另一个引擎的方程式：
相比E1它有不同的特点，加起来为发动机可以提供的总负载。
二次引擎可以有一个定义的效率：
假定负载具有的特性：
其中，TL是扭矩，omega;L是负载速度依赖于道路轮廓和外部环境问题和驱动需求。还也取决于在车辆内的任何辅助负载需求，由于驾驶员的直接作用（例如，增加的电负载，这可能会导致对发电机较高转矩）或由于自动车辆内采取对于间接控制动作，例如，一些机械或电动泵激活。即使数量取决于驾驶员想要加速的驱动输入，也将将依赖于车外的道路特性和其它因素因此，该函数f L时可以改变从一条路到另一条，或从一个驱动周期到另一个周期。
有可能是在负载和个别发动机之间的传动比。 换一种说法
为了讨论起见假定齿轮是理想和无损的。在上述方案中，如果负载被两个发动机一起驱动，并假设功率守恒，功率方程：
因此，在这种情况下，总的燃油消耗量就等于两个发动机一起驱动的总输入功率：
则：
它可以从这个等式立即看出，燃料输入仅取决于齿数比和节气门位置。在这种情况下的方法将是：给定负载转矩TL和负载速度w L，选择齿轮比G1，G2和油门位置E1,E2,这样相对应的燃油消耗率达到最小，同时满足转矩和速度的要求。对于各种转矩和效率的函数表达式可以从发动机的规格和制造商的数据中获得。如果这个目标能得到满足，它将以最低的燃油消耗量传递给负载正确的转矩和速度，这将是最理想的状况。在实际的系统中，这些操作是通过燃料/油门控制器和发送控制器协调。如果传输是不连续的变量类型，G1和G2的选择将是有限的。除此之外，发动机控制器和在车上其他的传感器信息也将参与上面的计算过程。但这里的要点是，能实现的最佳方案是实现满足最小的燃油消耗的负荷需求。
在上面的方程，也许需要一个前提。例如，由于发动机结构设计和物理尺寸和其他因素的影响，我们要求无论是发动机1或是2的转速都不应该超过一定的限度，这可以表达为下面形式：
同样对于扭矩：
换句话说，我们不仅得先通过发动机图和相同的信息中观察发动机特性，而且我们还要确保是根据制造商的规格使设备在最大阀值范围内。因此，我们的优化问题必须考虑到这些限制,然后尽量降低燃油的经济性，等等。
我们将提出的方法进行优化后，进一步讨论其他的多源系统。
之前的图（扭矩和速度等）表明这各种来源的特点，这个想法可以延伸如下。正如我们所做的引擎，我们可以写出其他来源类似的方程。例如，对于电源或储存元件，如发动机，电池，燃料电池等，我们可以根据之前的图表显示的电气特性写出：
（在固定的速度下发动机电压与电流的关系）
（发动机在固定速度的效率关系）
（电池在固定SOC下电压与电流的关系）
（电池在固定SOC下的效率关系）
（燃料电池在固定燃料消耗率下的电压与电流的关系）
（燃料电池在固定燃料消耗率下的效率关系）
在上面的公司下标注G,B和FC分别表明发动机，电池和燃料电池，SOC表示充电状态，FR表明燃油消耗率。这方程指出发动机的电流是取决于它的速度和输出电压。类似地，电池的电流是取决于在给定充电状态下的电池电压，燃料电池是取决于在给定燃料消耗率下的燃料电池电压。这些设备的效率取决于电压（或等效电流）和其他参数如上面说的速度、SOC、或FR,同样，我们可能给这些设备施加一些限制：
这里这些设备电流限制的上限和电池的SOC的上下限为约束条件。
为了方便，我们可以写：
这表明SOC与电压有关。这只是对这插图的一个简单的方程，由于SOC的方程相当的复杂，并且一个方法去评估他们也可以包括各种非线性。
我们还可以假设在系统中有一个总的负载电流和负载电压，关系如下：
这些只是例子。以类似的方式可以包括，附加约束，取决于需求和规格。一旦这些约束和方程都很恰当，这就将涉及到大量的方程，一些正规的方法将被引进来处理这些方程。我们将简单的接触一些正规方法，因为如今在以计算机为基础的建模，设计，开发中有一种可用的方程，通常是必要和有效的。
14.2．1 优化方法
处理上述的过程的一步是“成本函数”的决定，这样的方程和约束都是包括在一种方式，这样，如果在一个特定的设备的能量消耗增加，成本函数增加。
类似地，如果一个约束被违反，成本函数增加。“成本”这个词意味着一些“不希望”的事情发生在系统中“成本”上涨时的某个地方。这可能意味着更多的燃料吸入指示燃料成本，或者它可以是在一个组件中的过电流或过电压，或超过一个的电池SOC等这些所有最终都与一些“不希望”和在成本或金钱上的实际成本的内涵。
作为一个例子，可以开发具有以下理念的成本函数。
一个直接包括1-eta;号（即，低效率的设备）作为一个“成本”。同样，可以说如果当前I超过设备阀值， 即|(|I | – |I threshold |)|，即超出量,乘以一定常数，就可以形成一个成本函数的一部分，并通过思考这个常数乘法公式能够用作加权函数，也就是说这个函数很重要。举个例子，超过电池的“成本”是5%可比低于下限阈值的“成本”高得多。这样做的物理意义是，如果上的SOC超过限制相比较低的一个的“成本”或损坏电池会高得多。相似的处理在对应于其他设备的成本函数也是一样。正如我们前面所指出的，显而易见在成本函数中“成本”可以解释为系统效率（这相当于实际成本的燃料），在成本方面造成的损害，也可以是设备性能差的方面可能导致不想要的后果。因此表现在某种意义上的“昂贵”。因此，一成本函数的适当的发展是在系统优化方面非常重要。
在实际的系统中，上述所说的也许有必要实现。因此，根据系统的复杂性，计算能力的一个明显的量也许是必要的。这是有利于开发有服务需要的优化函数，而且它同时也不复杂。
考虑到上述系统中，有两个发动机（对于一般性的缘故），这不一定是内燃机（一个可以是内燃机，另一个是电力推进系统），并与一个电池，一个燃料电池，和一种发生器，我们可以建立一个总的成本函数，如下所示：
在这个等式中，发动机的输入功率Pin是依赖于推进动力需求以及任何辅助电源，例如，电源需要驱动发电机，泵等。C涉及其他方面包括在单独配置中的效率，如发动机，电池，任何燃料电池的效率。其他的量包括当前电流和SOC阀值是有缺陷的。Pin是发动机的输入量，Pin越高，则C越高。这式子Kprop times; |Pprop_actual – Pprop_demand |表明如果从发动机输出的实际功率不符合某些原因的需求，那么我们通过发动机纳入C，这种差异在从要求输出的实际功率的可以是缺乏的性能的指标，而不一定是低效率。各种常数的值可以根据其重要性进行选择。例如，如果发动机的性能是非常重要的，我们应该使Kprop乘以一个相对高的值。同样地，如果这个量不是太重要，则给予相对低的值。
上面的内容都是为了一个简单的讨论，只是为了给一个能表明成本函数的想法。一个真正的系统可能包括更
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