動態(tài)規(guī)劃法對新能源汽車能量管理優(yōu)化研究*

王上林 ，涂超群

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

新能源汽車作為未來汽車發(fā)展的趨勢和方向，一直是汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[1]。但是，新能源汽車的能耗較大，一直是該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，限制了新能源汽車的發(fā)展?jié)摿2]。如何有效地提高新能源汽車的能量利用率，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，是目前亟待解決的問題。2022 年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，新能源汽車的銷售量約占汽油汽車的5%，同比增加15%。而且，市場上對新能源汽車的需求與日俱增。有學(xué)者研究認(rèn)為，將智能分析法應(yīng)用于新能源汽車的能耗優(yōu)化中，不僅可以動態(tài)調(diào)整新能源汽車的輸出功率，而且可以增加汽車的行駛里程，延長新能源汽車的使用壽命[3]。因此，本文以動態(tài)規(guī)劃法為基礎(chǔ)，對新能源汽車的能耗問題進(jìn)行分析，通過動態(tài)的參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)能量管理有效優(yōu)化，并通過實(shí)際案例進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

1 相關(guān)概念

1.1 動態(tài)規(guī)劃法的數(shù)學(xué)描述

動態(tài)規(guī)劃法屬于一種動態(tài)分析過程，結(jié)合數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以解決能耗數(shù)據(jù)的處理、分類等問題，實(shí)現(xiàn)對能耗的優(yōu)化[4]。動態(tài)規(guī)劃法要實(shí)現(xiàn)持續(xù)性的分析，需要將相關(guān)問題標(biāo)準(zhǔn)量化處理。

定義1[5]：能耗數(shù)據(jù)為xi，數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果為s(xi)，輸出參數(shù)為yi，能耗的計(jì)算結(jié)果如公式（1）所示。

其中，t為動態(tài)規(guī)劃的時(shí)間；ξt為動態(tài)規(guī)劃的調(diào)節(jié)參數(shù)。

1.2 新能源汽車能耗數(shù)據(jù)的分類

定義2[6]：依據(jù)能耗類型進(jìn)行分類（純電動=1，混動=2），分類函數(shù)為Z(xi)，不同能源類型的魯棒因子為?，那么新能源汽車能耗分類計(jì)算如公式（2）所示。

定義3[7]：能耗約束函數(shù)為M(xi)。約束條件為：3）分類時(shí)間為T＜∑t，則新能源汽車能耗分類過程如公式（3）所示。

定義4[8]：能耗標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)為f(xi,F(xi)|?)，能耗結(jié)果均大于0，具體計(jì)算如公式（4）所示。

由此，對新能源汽車能耗進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要結(jié)合數(shù)據(jù)類型，判斷優(yōu)化參數(shù)的大小、方向。其中，標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)可為新能源汽車能量管理提供良好的基礎(chǔ)，有助于提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 新能源汽車能耗的邏輯判斷

本文采用動態(tài)規(guī)劃法對新能源汽車能耗進(jìn)行分析，并對不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)、深入的優(yōu)化，以不斷糾正優(yōu)化參數(shù)。其中，邏輯判斷過程如下[9]：

定義5[10]：新能源汽車能耗類型為zi，在約束條件M(xi)下，分析能耗數(shù)據(jù)xi與輸出參數(shù)yi之間的關(guān)系，如公式（5）所示。

依據(jù)新能源汽車能耗所屬類型，對結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到動態(tài)規(guī)劃結(jié)果，如公式（6）所示。

其中，t為動態(tài)規(guī)劃的時(shí)間。

依據(jù)新能源汽車的能耗進(jìn)行分類，并對不同的輸出結(jié)果進(jìn)行比較，選擇動態(tài)規(guī)劃結(jié)果的最優(yōu)解，計(jì)算過程如公式（7）所示。

動態(tài)規(guī)劃法可以簡化能量管理的處理過程，縮短能耗優(yōu)化的時(shí)間，并提高參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性。

2 新能源汽車能耗優(yōu)化的參數(shù)處理

2.1 新能源汽車能耗數(shù)據(jù)的預(yù)處理

獲得新能源汽車的能耗數(shù)據(jù)，優(yōu)化新能源汽車能耗參數(shù)，并進(jìn)行全面分析。然后，設(shè)置能耗的閾值和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)能耗的最低化。新能源汽車能耗參數(shù)的變動會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[11]，所以要對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體的預(yù)處理結(jié)果如圖1所示。

由圖1 可知，標(biāo)準(zhǔn)能耗監(jiān)測法未降低能耗數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，而且數(shù)據(jù)無方向性。相對來說，動態(tài)規(guī)劃法處理后的能耗數(shù)據(jù)更集中，且映射更加集中。另外，動態(tài)規(guī)劃法大幅降低了能耗數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，也保證了處理后的合理性，而且數(shù)據(jù)的處理過程更加穩(wěn)定。

2.2 新能源汽車各部分能耗優(yōu)化函數(shù)

動態(tài)規(guī)劃法對新能源汽車能耗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并調(diào)整相應(yīng)的處理方案，提高優(yōu)化的針對性。動態(tài)規(guī)劃法隨機(jī)選擇處理方案，記錄參數(shù)調(diào)整過程，比較輸出結(jié)果，并記錄最佳的能耗方案，具體方案函數(shù)如下。

傳動裝置的優(yōu)化函數(shù)q(xi)如公式（8）所示：

輔助設(shè)備的優(yōu)化函數(shù)z(xi)如公式（9）所示：

制動設(shè)備的優(yōu)化函數(shù)f(xi)如公式（10）所示：

3 新能源汽車能量管理實(shí)例

為了便于計(jì)算，選擇鋰電池作為能源的新能源汽車共3 臺，測試時(shí)間為12 h，車輛電池的具體參數(shù)如表1所示。表1中不同參數(shù)的變化過程如圖2所示。

圖2 能源輸出參數(shù)的變化

由圖2 可知，3 輛新能源汽車的能耗參數(shù)的變化范圍比較平均，而且各個參數(shù)的變化范圍之間無相關(guān)性，也無顯著相關(guān)性，可以進(jìn)行不同方法的對比分析。另外，不同參數(shù)的邊界比較順滑，無突出的數(shù)據(jù)變化，說明參數(shù)的變化比較穩(wěn)定。同時(shí)，新能源汽車能耗主要集中在規(guī)劃段號碼300 至500 之間，小于300 的能耗相對較少，說明新能源汽車的能耗處于高峰階段，需要進(jìn)一步優(yōu)化。整體來說，本文選擇的3輛實(shí)驗(yàn)車，各參數(shù)間無相關(guān)性，可以作為研究車輛。

3.1 不同新能源汽車類型能耗優(yōu)化情況

新能源汽車能耗包含純電、混合電等，經(jīng)過動態(tài)規(guī)劃法的初步預(yù)處理，能耗優(yōu)化率較好。為了更加準(zhǔn)確地驗(yàn)證優(yōu)化效果，對不同類型新能源汽車進(jìn)行30次能耗分析，并取平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果如表2所示。

表2 不同新能源汽車類型能耗優(yōu)化結(jié)果

由表2 中的結(jié)果可知，動態(tài)規(guī)劃法對于不同類型的車輛，能耗的優(yōu)化結(jié)果大于90%，顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法，而且誤差率為0.05%，小于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，是動態(tài)規(guī)劃法可對新能源汽車進(jìn)行分類，而且對各個部件進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以此獲得最佳的能耗。

3.2 動態(tài)規(guī)劃法下新能源汽車能量管理的準(zhǔn)確性

為了驗(yàn)證動態(tài)規(guī)劃法對新能源汽車能量管理的準(zhǔn)確性，與標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法進(jìn)行結(jié)果比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同算法的測試結(jié)果

由圖3 可知，動態(tài)規(guī)劃法的精準(zhǔn)度高于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法，且誤差率也更低，說明動態(tài)規(guī)劃法的計(jì)算比較穩(wěn)定，而標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法的計(jì)算誤差較大。究其原因，動態(tài)規(guī)劃法依據(jù)新能源汽車所處的狀態(tài)，進(jìn)行能量分配和調(diào)節(jié)，并在保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，盡量減少能耗。不同算法下新能源汽車各裝置能耗處理的詳細(xì)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同算法下汽車各裝置能耗處理的詳細(xì)結(jié)果

由表3 可知，標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法在傳動裝置、制動裝置、輔助裝置以及整體能源輸出方面，存在精準(zhǔn)度低、誤差率較高的問題，顯著遜色于動態(tài)規(guī)劃法。究其原因，動態(tài)規(guī)劃法在對新能源汽車進(jìn)行分析時(shí)，采用了邏輯判斷分析法對新能源汽車進(jìn)行整體規(guī)劃，并依據(jù)汽車的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行能源的比例劃分。而且在汽車能源輸出的劃分中，動態(tài)規(guī)劃法融入了動態(tài)因子，及時(shí)調(diào)整不同設(shè)備間的能源系數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了能源輸出結(jié)果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證動態(tài)規(guī)劃法的有效性，用不同方法對能耗進(jìn)行持續(xù)性分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 新能源汽車的能耗持續(xù)分析結(jié)果

由圖4 可知，動態(tài)規(guī)劃法的結(jié)果顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法，而且動態(tài)規(guī)劃法的整體變化比較平滑，說明該方法對能量管理的優(yōu)化過程比較穩(wěn)定。究其原因，動態(tài)規(guī)劃法增加了能量管理的優(yōu)化系數(shù)，并設(shè)置能耗判斷標(biāo)準(zhǔn)，對不同的能耗進(jìn)行函數(shù)分析。

4 結(jié)論

本文提出了動態(tài)規(guī)劃法，并結(jié)合新能源汽車類型，對新能源汽車能耗參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，對新能源汽車能耗的類型、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析，構(gòu)建新能源汽車能耗的分類集合。MATLAB 結(jié)果表明：1）動態(tài)規(guī)劃法對于不同類型的車輛，能耗的優(yōu)化結(jié)果大于90%，顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法，而且誤差率為0.05%，小于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法。2）動態(tài)規(guī)劃法的精準(zhǔn)度高于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法，且誤差率更低，說明動態(tài)規(guī)劃法的計(jì)算比較穩(wěn)定，而標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法的計(jì)算誤差較大。3）標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法在傳動裝置、制動裝置、輔助裝置以及整體能耗處理方面，存在精準(zhǔn)度低、誤差率較高的問題，顯著遜色于動態(tài)規(guī)劃法。4）動態(tài)規(guī)劃法的結(jié)果顯著優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)能量檢測法，而且動態(tài)規(guī)劃法下的能耗持續(xù)性變化曲線整體比較平滑，說明該方法對能耗的優(yōu)化過程比較穩(wěn)定。