項(xiàng) 宇,劉春光,魏曙光,楊國軍
(1.裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺(tái)全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100072;2.中國兵器工業(yè)第六一七廠,內(nèi)蒙古 包頭 014032)
軍用電傳動(dòng)車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理技術(shù)*
項(xiàng)宇1,劉春光1,魏曙光1,楊國軍2
(1.裝甲兵工程學(xué)院陸戰(zhàn)平臺(tái)全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100072;2.中國兵器工業(yè)第六一七廠,內(nèi)蒙古包頭014032)
摘要:混合動(dòng)力系統(tǒng)是軍用電傳動(dòng)車輛具有優(yōu)越性能的基礎(chǔ),能量管理技術(shù)則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)負(fù)載需求在系統(tǒng)中各動(dòng)力源間的合理分流及部件的優(yōu)化控制,是軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。分析了軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn),研究了其對系統(tǒng)能量管理的影響,總結(jié)了當(dāng)前能量管理技術(shù)研究現(xiàn)狀,最終,針對當(dāng)前能量管理技術(shù)存在的問題提出了相應(yīng)的解決方案。
關(guān)鍵詞:軍用電傳動(dòng)車輛,混合動(dòng)力系統(tǒng),能量管理
隨著新軍事變革持續(xù)推進(jìn),部隊(duì)急需新型的陸戰(zhàn)平臺(tái),而目前機(jī)械傳動(dòng)車輛發(fā)展?jié)摿τ邢?,因此,在機(jī)動(dòng)、防護(hù)、火力等性能均有遠(yuǎn)大發(fā)展前景的軍用電傳動(dòng)車輛是未來陸戰(zhàn)平臺(tái)的發(fā)展方向之一,成為各軍事強(qiáng)國研究的熱點(diǎn)[1-3]。同時(shí),新技術(shù)的不斷應(yīng)用使軍用電傳動(dòng)車輛在結(jié)構(gòu)型式、動(dòng)力源構(gòu)成、部件單點(diǎn)技術(shù)等方面均發(fā)生了深刻變化,軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)成為軍用電傳動(dòng)車輛的能源基礎(chǔ)[4-6]。
設(shè)計(jì)高水平的能量管理控制算法,實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載需求在軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)中各動(dòng)力源之間的合理分流以及部件的優(yōu)化控制,是提高車輛機(jī)動(dòng)性、防護(hù)能力和火力性能的保障,是否能有效發(fā)揮電傳動(dòng)車輛優(yōu)勢的關(guān)鍵,也是軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一[7-9]。本文將對軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)及其對能量管理的影響、能量管理技術(shù)研究現(xiàn)狀及存在的問題與解決方案進(jìn)行介紹。
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
理想的軍用電傳動(dòng)車輛應(yīng)該是僅由電池等儲(chǔ)能裝置供電,但是當(dāng)前電池、電容等儲(chǔ)能技術(shù)還不能滿足軍用電傳動(dòng)車輛機(jī)動(dòng)、作戰(zhàn)等任務(wù)需求,發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組仍然是軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)中不可或缺的部件,同時(shí),儲(chǔ)能裝置的使用能夠極大地提升系統(tǒng)的性能。軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)各動(dòng)力源輸出在結(jié)構(gòu)型式上有多種匹配方式,而根據(jù)各國推出的演示樣車可知[10-11],目前多采用如圖1所示的串聯(lián)式軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)方案。方案中采用發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為系統(tǒng)主動(dòng)力源,滿足長時(shí)負(fù)載需求;采用動(dòng)力電池、超級電容等儲(chǔ)能裝置作為輔助動(dòng)力源,滿足瞬時(shí)負(fù)載需求并彌補(bǔ)主動(dòng)力源功率不足;主動(dòng)力源和輔助動(dòng)力源組合作為整車能源基礎(chǔ),為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁裝甲等負(fù)載供電。
圖1 串聯(lián)式軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)方案
1.2系統(tǒng)特點(diǎn)對能量管理的影響
軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的不斷發(fā)展變化對系統(tǒng)能量管理策略的影響較大,當(dāng)前混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理是“機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存”。
積極影響:①在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中,僅由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛,實(shí)現(xiàn)了車輛行駛和動(dòng)力源輸出間的解耦,便于實(shí)現(xiàn)對各部件的優(yōu)化控制;②系統(tǒng)存在多動(dòng)力源,在滿足負(fù)載需求的方式上有更多的選擇,有利于負(fù)載需求在不同動(dòng)力源之間的合理分配,為能量管理提供了廣闊的發(fā)揮空間。
消極影響:①系統(tǒng)動(dòng)力源構(gòu)成復(fù)雜,能量管理對象和優(yōu)化目標(biāo)增多;②用電負(fù)載增多,用電需求大幅增加,負(fù)載特性各異;③裝備信息化的發(fā)展,對電網(wǎng)供電品質(zhì)提出了更高的要求;④軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)非線性多領(lǐng)域時(shí)變系統(tǒng),參數(shù)漂移、外界干擾、狀態(tài)量難以精確測量等都是制約能量管理效果的因素。這些都使混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理控制難度急劇增加。
隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,國內(nèi)外對能量管理技術(shù)研究也逐漸深入。據(jù)可查閱的文獻(xiàn),目前能量管理技術(shù)研究主要分為基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略[12-13]。
2.1基于規(guī)則的控制策略
基于規(guī)則的能量管理策略是指根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型、先驗(yàn)知識(shí)等確定相應(yīng)的規(guī)則,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)功率分配方式、流向和各部件的工作狀態(tài)的控制[14],其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單、實(shí)時(shí)性好?;谝?guī)則的控制策略可以分為確定性規(guī)則控制策略、模糊規(guī)則控制策略和基于負(fù)載功率濾波的控制策略[15-17]。
2.1.1確定性規(guī)則控制策略
基于對系統(tǒng)功率流分析、發(fā)動(dòng)機(jī)Map圖以及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)確定規(guī)則,進(jìn)行功率分流,規(guī)則的邊界條件是確定的、清晰的。根據(jù)規(guī)則的制定依據(jù)和目標(biāo),可分為:①恒溫器控制策略[18],其根據(jù)狀態(tài)值與設(shè)定的規(guī)則邊界條件比較,簡單地決定系統(tǒng)部件的工作模式,該方法控制目標(biāo)過于簡單,只適用于特定工況;②功率跟隨式控制策略[19],該方法旨在解決電池頻繁地充放電導(dǎo)致?lián)p耗過大和電池壽命降低的問題,控制主動(dòng)力源輸出跟隨負(fù)載需求,必要時(shí)給電池充電,保持電池荷電狀態(tài)(SOC)在合理范圍內(nèi),功率不足時(shí),電池彌補(bǔ)負(fù)載需求,這一方法可獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性,目前應(yīng)用較廣,但是當(dāng)負(fù)載較小且電池SOC處在目標(biāo)區(qū)域時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低;③改進(jìn)的功率跟隨策略[20],在主動(dòng)力源跟隨負(fù)載功率的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的給定方式,控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū),負(fù)載較小時(shí)由動(dòng)力電池滿足負(fù)載需求,減少發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)調(diào)整過程,取得了一定的改進(jìn)效果;④狀態(tài)機(jī)規(guī)則控制策略[21],將混合動(dòng)力系統(tǒng)理解為混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng),通過建立系統(tǒng)的混合自動(dòng)機(jī)等模型,能夠有效地對其進(jìn)行管理,解決了系統(tǒng)多工作模式的切換以及故障情況下的動(dòng)力源控制,但是該方法無法實(shí)現(xiàn)對燃油消耗等指標(biāo)的優(yōu)化控制。
2.1.2模糊規(guī)則控制策略
模糊控制具有魯棒性、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適合解決軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)這一多領(lǐng)域、非線性時(shí)變系統(tǒng)的能量管理控制問題。當(dāng)前應(yīng)用的基于模糊控制的能量管理控制策略主要包括:①傳統(tǒng)的模糊控制策略[22],該方法能夠避免由于參考信息測量不精確導(dǎo)致的其他問題,但是由于模糊控制的輸入/輸出量隸屬函數(shù)的確定沒有依據(jù),完全由策略制定者的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)確定,因此,無法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的最優(yōu)控制,雖然有學(xué)者利用粒子群算法等智能尋優(yōu)算法改善隸屬度函數(shù)設(shè)置的合理性,但仍然不能解決模糊規(guī)則主觀性較強(qiáng)、規(guī)則劃分粗略的問題;②模糊自適應(yīng)控制策略[23],在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí),模糊自適應(yīng)控制可在不同的情況下取不同的優(yōu)化重點(diǎn),比如可針對軍用車輛的使用特點(diǎn)制定戰(zhàn)斗模式、動(dòng)力模式、經(jīng)濟(jì)模式和靜音模式,在不同的模式下優(yōu)化不同的目標(biāo)。
2.1.3基于負(fù)載功率濾波的控制策略
由于電傳動(dòng)車輛中負(fù)載功率需求是不穩(wěn)定的瞬態(tài)過程,在前述基于規(guī)則的控制策略下,對動(dòng)力源沖擊較大,會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的劇烈波動(dòng)或者電池的損壞。因此,根據(jù)不同動(dòng)力源的工作特性,將負(fù)載需求按照一定規(guī)則進(jìn)行分解,作為各動(dòng)力源的輸出目標(biāo)值,使各動(dòng)力源工作狀態(tài)更加合理,不足的是這種方法只適用具有超級電容等高功率密度部件的系統(tǒng)。目前有非線性比例因子控制策略和基于小波變換的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載功率的合理分流[24]。
2.2優(yōu)化的控制策略
優(yōu)化控制策略一般在滿足負(fù)載需求的基礎(chǔ)上,以燃油經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)或融合了多種指標(biāo)的統(tǒng)一參考量作為優(yōu)化目標(biāo),根據(jù)該參考量確定各部件的工作狀態(tài)。主要包括全局優(yōu)化[25]和實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略[26]。
2.2.1全局優(yōu)化控制策略
為獲得系統(tǒng)優(yōu)化指標(biāo)在整個(gè)工作過程中的最優(yōu)解,往往根據(jù)駕駛循環(huán)以及代價(jià)函數(shù)獲得全局最優(yōu)工作點(diǎn),動(dòng)態(tài)規(guī)劃、模擬退火、博弈論、遺傳算法等算法都可以實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化[27],其中動(dòng)態(tài)規(guī)劃及其改進(jìn)算法應(yīng)用較多[28-29]。全局優(yōu)化策略算法致命缺點(diǎn)是在實(shí)際控制系統(tǒng)中,高階模型計(jì)算的數(shù)據(jù)量及計(jì)算速度的要求是現(xiàn)有的車載微處理器無法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的,而且使用全局優(yōu)化算法的前提條件是預(yù)知車輛整個(gè)駕駛循環(huán),這在車輛運(yùn)行中也非常困難。但全局優(yōu)化控制策略是可以對其他能量管理策略的控制效果進(jìn)行評價(jià),也可作為基于規(guī)則的能量管理策略中控制規(guī)則的制定依據(jù)。
2.2.2實(shí)時(shí)優(yōu)化策略
為克服前述能量管理策略存在的缺陷,考慮整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量消耗,進(jìn)行系統(tǒng)的瞬時(shí)優(yōu)化控制,提升系統(tǒng)能量利用率。主要包括:①基于等效燃油消耗最小的控制策略(與基于等效功率損失最小法原理相似)[30-31],該策略將電機(jī)等電力設(shè)備消耗的能量轉(zhuǎn)換為等效的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際油耗之和,定義為名義油耗。從保證在每個(gè)工作時(shí)刻的名義油耗最小出發(fā),確定各動(dòng)力源的工作點(diǎn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的瞬時(shí)最優(yōu)控制,雖然該方法在每一步長內(nèi)是最優(yōu)的,但無法保證在整個(gè)運(yùn)行期間內(nèi)最優(yōu);②解耦控制策略[32],當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí),針對不同的優(yōu)化目標(biāo),采取不同的控制策略和方法分別控制,在一定程度上也能夠獲得近優(yōu)的控制效果;③魯棒控制策略[33],由于混合動(dòng)力系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)時(shí)變特性,因此,魯棒控制成為克服不確定非線性因素影響,提高系統(tǒng)總體性能的一種有效手段,實(shí)現(xiàn)方法有μ綜合、線性矩陣不等式和H∞控制等,不足的是魯棒控制是基于線性模型設(shè)計(jì)控制律,若將混合動(dòng)力系統(tǒng)這一非線性時(shí)變系統(tǒng)簡化為線性時(shí),不變系統(tǒng)影響了算法的實(shí)用性;④基于工況預(yù)測的控制策略[34-36],車輛未來行駛工況(或負(fù)載)是進(jìn)行系統(tǒng)功率分配和優(yōu)化控制的依據(jù)。GPS、GIS(地理信息)和ITS(智能交通系統(tǒng))可用于民用電傳動(dòng)車輛中預(yù)測未來行駛工況,但不適用于軍用車輛?;诠r和駕駛員行為辨識(shí)的功率預(yù)測方法更適用于軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理,其中,研究較多的是提取典型循環(huán)工況的特征參數(shù)用于優(yōu)化循環(huán)油耗和排放控制參數(shù),并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定與當(dāng)前驅(qū)動(dòng)工況相似的驅(qū)動(dòng)循環(huán),調(diào)用與其相似的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行控制。但是,這些預(yù)測方法的適應(yīng)性還有待商榷,預(yù)測效果還不能實(shí)現(xiàn)對軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)功率分配最優(yōu)控制。
3.1存在的問題
(1)參考信息獲取困難。許多控制策略雖然在模擬仿真時(shí)取得了很好的控制效果,但在實(shí)車應(yīng)用中,由于難以精確獲取負(fù)載需求等控制參考信息,最終無法實(shí)車應(yīng)用。部分控制策略則避開這些信息,最終雖可以實(shí)車應(yīng)用,但控制效果不夠理想。
(2)算法復(fù)雜,實(shí)時(shí)性差。為使性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu),采用優(yōu)化的能量管理算法進(jìn)行尋優(yōu)控制,但是尋優(yōu)算法計(jì)算量較大,當(dāng)前的控制芯片運(yùn)算能力還不能滿足需求,且這類控制算法往往過于片面,最終導(dǎo)致全局優(yōu)化和瞬態(tài)優(yōu)化的分離,以及模擬仿真與實(shí)時(shí)控制的脫離。
(3)優(yōu)化目標(biāo)單一,適應(yīng)性差。電傳動(dòng)裝甲車輛的工況較多,不同工況下的負(fù)載特性和優(yōu)化目標(biāo)又有很大差別,能量管理效果在很大程度上取決于控制策略對各種工況的適應(yīng)能力。但現(xiàn)行的控制策略基本都是針對某種工況下進(jìn)行的研究,很難適應(yīng)各種運(yùn)行工況。雖有文獻(xiàn)對工況識(shí)別方法進(jìn)行了研究,但工況識(shí)別的效果還不能滿足實(shí)車控制的需求。
3.2解決方案
針對當(dāng)前能量管理策略存在的問題,提出如下解決方案:
(1)多目標(biāo)優(yōu)化。除了傳統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、燃油經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)外,還有系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用等多個(gè)目標(biāo)可以優(yōu)化。可根據(jù)車輛不同運(yùn)行工況下,對各優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行綜合權(quán)衡,作為能量管理控制準(zhǔn)則。
(2)改進(jìn)控制算法。采用新型、高效的控制算法,以期能夠獲得能量管理的在線最優(yōu)解,或者針對現(xiàn)有各種能量管理策略的優(yōu)缺點(diǎn),采用兩種或多種策略融合或引入其他方法來彌補(bǔ)這些缺陷,可能會(huì)得較好的控制效果。這樣既能降低算法的復(fù)雜性,又能降低對參考信息估計(jì)精度的依賴性。
(3)更豐富的動(dòng)力源組成。針對負(fù)載特點(diǎn),開發(fā)新型的電源部件或構(gòu)建更高效的軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng),從硬件上改善系統(tǒng)性能。
軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展在為能量管理技術(shù)提供廣闊發(fā)揮空間的同時(shí)也帶來了很多挑戰(zhàn),能量管理成為影響軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)性能發(fā)揮的關(guān)鍵。雖然當(dāng)前現(xiàn)行的能量管理算法依然存在很多問題,還未有成型的能量管理控制方案,但是,國內(nèi)外對能量管理控制算法進(jìn)行了有益的探索,為能量管理的深入研究打下了基礎(chǔ)。因此,隨著能量管理技術(shù)的不斷成熟,軍用車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用前景將更加廣闊。
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中圖分類號(hào):TJ81
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1002-0640(2016)04-0001-05
收稿日期:2015-03-14修回日期:2015-05-07
*基金項(xiàng)目:軍隊(duì)預(yù)研基金資助項(xiàng)目(40402050101)
作者簡介:項(xiàng)宇(1987-),男,安徽阜陽人,博士研究生。研究方向:電傳動(dòng)車輛能量管理技術(shù)研究。
Military Electric Drive Vehicle Hybrid System Power Management Technology
XIANG Yu1,LIU Chun-guang1,WEI Shu-guang1,YANG Guo-jun2
(1.Key Laboratory of Land Warfare Platform All-electric Technology,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China;2.No.617 Factory of China Ordnance Industries,Baotou 014032,China)
Abstract:Hybrid system is the basis of the superior performance of military electric drive vehicles. The power management technology is responsible for power load distributes between multi power sources and optimized control of components.Therefore,the power management technology is one of the key technologies of military vehicle hybrid system research.This article discusses the military vehicle hybrid system characteristics and its influence on system power management,analyzes the current situation and existing problems of power management technology,finally,the workaround is put forwarded contrary to the problems.
Key words:military electric drive vehicles,hybrid system,power management