范晶晶，陳晚如，王 東，趙韜碩

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072;2.駐201所軍代室，北京 100072)

在混合動力車輛中電能量流是重要的能量流動，由于電系統(tǒng)結構復雜，多個部件間存在多向的電能量流動耦合關系，同時在多向流動過程中需要克服不同的交直流阻抗，直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性、動力性和可靠性[1-4]，因此需要研究電能量流動特征表征方法，探索出一套用于電能量流系統(tǒng)的能量管理方法.

本研究以混合動力車輛能量管理為背景，著眼于電能量流動特點，研究在復雜載荷條件下單電池荷電狀態(tài)變化規(guī)律、成組電池電能損耗變化規(guī)律、輔助能量單元 (APU)效率變化特性和負載系統(tǒng)在不同模式下的能耗規(guī)律;研究滿足使用條件并提高系統(tǒng)經(jīng)濟性和使用壽命的能量管理方法，該方法以等效油耗最小為優(yōu)化目標，建立優(yōu)化問題，通過解析求解得到能量優(yōu)化管理參數(shù).通過硬件在環(huán)試驗，驗證能量管理方法的控制效果.

1 電能量流系統(tǒng)結構

電能量流系統(tǒng)采用串聯(lián)式混合動力結構，如圖1所示.APU系統(tǒng)由內燃機、永磁同步發(fā)電機、整流橋以及APU控制器構成.APU系統(tǒng)通過高壓母線向動力電池、驅動電機和系統(tǒng)設備提供能量.動力電池由電池管理系統(tǒng)進行監(jiān)控與管理，系統(tǒng)能量流由整車控制器進行控制.從系統(tǒng)結構分析來看，由于多個部件結構復雜，存在著多向的電能量流動耦合關系，同時在多向流動過程中需要克服不同的交直流阻抗，系統(tǒng)部件電阻抗呈現(xiàn)交直流耦合的特點，所以電阻抗導致的功率損失是評價電系統(tǒng)性能的重要指標，他直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性、動力性和可靠性.

圖1 電能量流系統(tǒng)結構

2 能量管理方法

電能量流系統(tǒng)各部件之間存在著復雜的能量流耦合關系，對這些耦合關系的理論進行研究，是為了能夠提煉出提高系統(tǒng)動力性、經(jīng)濟性和可靠性的有效方法.根據(jù)電能量流表征模型，分析能量流、信息流、成組電池能量效率和交直流阻抗特性，設計針對電能量流系統(tǒng)的能量管理策略.該策略考慮各種系統(tǒng)補償和電池耐久性，一方面保證動力電池SOC平衡，另一方面在線辨識系統(tǒng)功耗響應，以相應調整能量管理參數(shù)，延長電池壽命.

多能量源系統(tǒng)總瞬時油耗由柴油機瞬時油耗Cdiesel、電池組等效油耗Cbat組成，如式1所示.

式中:k1= 1-βbat[SOCbat-0.5(SOCbat_max+SOCbat_min)]/(SOCbat_max-SOCbat_min);SOCbat為電池組 SOC;SOCbat_max，SOCbat_min分別為電池組SOC的最高值和最低值;βbat為電池組SOC平衡修正系數(shù).

2.1 APU狀態(tài)表征

目前對于APU尚無完善的技術評價，為了實現(xiàn)APU的高效穩(wěn)定，在控制技術上大都采用簡單的閉環(huán)控制或者利用簡化模型設計的控制器，沒有充分分析并建立比較精確的物理模型;在功率分配策略上則大都采用基于模糊規(guī)則的功率分配規(guī)則，將工程經(jīng)驗融入規(guī)則制定，但模糊系統(tǒng)不能有效地處理規(guī)則不確定性，而完善的規(guī)則是取得良好效果的關鍵.

APU系統(tǒng)構型與控制以及整個系統(tǒng)動力性、經(jīng)濟性和可靠性的綜合優(yōu)化，是通過發(fā)動機與發(fā)電機建模、聯(lián)合建模與匹配、聯(lián)合傳遞函數(shù)與控制系統(tǒng)模型等環(huán)節(jié)，建立其表征模型，并參考APU臺架試驗的油耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將發(fā)動機瞬時油耗Cdiesel與APU輸出功率PAPU建立關系來實現(xiàn)的，其關系表達式如式2所示.

式中:a，b為擬合系數(shù).

2.2 電池組狀態(tài)表征

在復雜工作條件、不同工況下，電池單體的容量、阻抗、溫度和耐久性差異明顯.建立電池單體模型 (含熱模型)以及電池組電源網(wǎng)絡模型，需要分析電池荷電狀態(tài) (SOC)、健康狀態(tài) (SOH)算法、庫倫效率等因素.由于電池本身具有很強的非線性，單體之間存在性能差異，同時存在自放電及采集傳感器的誤差，所以串并聯(lián)組成的電池組在長時間運行后，誤差積累會越來越大，使得電池組的狀態(tài)越來越差.在對電池組使用特性、能量效率機理和狀態(tài)估計的分析過程中，考慮到成組電池帶來的不一致特點和熱場分布對電池一致性帶來的限制，通過建立考慮綜合影響因素的電池組狀態(tài)表征模型，來提高電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)估計精度.建立的電池組等效油耗如式3所示.

2.3 優(yōu)化目標建立及求解

最優(yōu)化問題以系統(tǒng)瞬時油耗最小為目標，優(yōu)化目標定義如式4所示.

約束條件如式5所示.

式中:SOCmin，SOCmax分別為電池組最低、最高SOC;Ubus_min，Ubus_max分別為直流母線最低、最高電壓;PAPU_max為APU最大輸出功率.

采用解析法進行求解，得到穩(wěn)態(tài)最優(yōu)分配值，如式6所示.

式中:c10，c11，c12是電池組端電壓擬合系數(shù);a10，a11，a12是電池組內阻擬合系數(shù).

此外，針對系統(tǒng)可靠性和安全性的特殊要求，需考慮系統(tǒng)共安全的能量管理修正算法.在系統(tǒng)運行過程中，發(fā)動機、動力電池和系統(tǒng)功率部件存在超溫、過壓和過流的危險，為防止危險情況的發(fā)生，需考慮診斷修正的安全算法模型，以保障系統(tǒng)的絕對安全.其能量管理方法流程圖如圖2所示.

圖2 能量管理方法流程框圖

3 硬件在環(huán)試驗驗證

采用硬件在環(huán)試驗平臺 (如圖3所示)，來全面模擬混合動力車輛的構成:由電池組加單向DC/DC來模擬APU的輸出;采用鋰離子電池組作為能量存儲系統(tǒng);由驅動電機來模擬底盤驅動系統(tǒng);負載電機模擬整車的道路負載;單向DC/DC模擬車上其它用電負載.

循環(huán)工況選擇為ECE_EUDC，如圖4所示.仿真初始值如表1所示.

分別對在整車控制系統(tǒng)中采用基于規(guī)則的能量管理方法和系統(tǒng)優(yōu)化管理方法進行仿真，電池組SOC的結果如圖5所示.

從圖5中可以看出:采用基于等效油耗的優(yōu)化方法，電池組SOC基本保持在0.6，充放電均為小電流充放電;而采用基于規(guī)則的方法，電池組SOC無法保持，同時充放電電流較大，SOC變化劇烈.

APU輸出功率如圖6所示，在采用動態(tài)調節(jié)方法后，APU的輸出功率變化頻率降低，消除了高頻的輸出功率變化，運行更加平穩(wěn)，可以間接地提高整車的燃油經(jīng)濟性.

圖3 硬件在環(huán)試驗平臺

圖4 仿真循環(huán)工況ECU_EUDC

圖5 電池組SOC結果

通過試驗結果分析，2種能量管理策略均可以達到合理控制的要求，達到了對功率流的合理控制需求，實現(xiàn)了對能量的綜合管理和配置.但是，系統(tǒng)優(yōu)化管理方法更好地保持了電池組的SOC，并提高了電池組的效率達到4.4%，減少了電池組的大功率充放電，在一定程度上提高了電池組的壽命;APU的輸出功率更加地平穩(wěn)，提高了發(fā)動機的效率，油耗明顯下降，燃油經(jīng)濟性提高了9.77%.

表1 仿真初始值

圖6 APU輸出功率

4 結論

在研究復雜載荷條件下單電池荷電狀態(tài)變化規(guī)律，成組電池電能損耗變化規(guī)律，APU效率變化特性和負載系統(tǒng)在不同模式下的能耗規(guī)律的基礎上，構建了一個較為全面的電能量流表征模型，設計了滿足使用條件并提高電系統(tǒng)效率和使用壽命的能量管理方法.通過硬件在環(huán)試驗結果分析，該方法提高了車輛的燃油經(jīng)濟性.

[1]Fan Jingjing，Luo Yugong，Li Keqiang.Dual Steering Control Strategy of 4WD EV based on MPC [C].//InternationalConference on Electricaland Control Engineering，IEEE.Wuhan，China，2010.

[2]Ducusin M，Gargies S，Berhanu B，et al.Modeling of a series hybrid electric high mobility multipurpose wheeled vehicle[C].//Vehicle Power and Propulsion Conference.Michigan Univ.， Dearborn， MI， USA.Michigan:VPPC，2005:561-566.

[3]Kenneth C.Testing experiences with a hybrid electric HMMWV[C].//The 4th Internation AECV Conference.2002.

[4]Constantin Stancu，Silva Hiti，Eric Mundt.Mobile electric power for medium and heavy duty hybrid electric vehicles[C].//The 35th AnnualIEEE Power Electronics Specialists Conference.2004.