牛繼高, 徐春華, 牛丹彤, 裴馮來(lái)

(1. 中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 河南 鄭州 450007; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 北京 100083; 3. 上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司, 上海 201805)

增程式電動(dòng)汽車(extended-range electric vehicle,E-REV)的能量管理策略是整車控制的核心,直接關(guān)系到車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及適應(yīng)復(fù)雜工況的能力[1-2].E-REV的能量管理策略是目前的研究熱點(diǎn)之一,可分為規(guī)則型和智能型2類.其中,基于規(guī)則的控制策略容易實(shí)現(xiàn),根據(jù)相應(yīng)的離線優(yōu)化結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)可作為實(shí)車的控制策略[3].目前,E-REV規(guī)則型能量管理策略主要包括恒溫器策略[4-5]、多模式切換策略[6]、最優(yōu)曲線策略[7]和功率跟隨策略[8-9]等.

E-REV的能量系統(tǒng)包括動(dòng)力電池和增程器,其中,增程器可采用多種形式,例如燃料電池[10-11]、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)等.當(dāng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)加發(fā)電機(jī)的形式時(shí),前期的發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配對(duì)能量管理策略的制定起著至關(guān)重要的作用,即由于發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率與其燃油效率最高點(diǎn)的功率不重合,因此發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇有“大”和“小”之分.例如,當(dāng)E-REV擬采用恒溫器控制策略時(shí),應(yīng)匹配一臺(tái)大功率的發(fā)動(dòng)機(jī),使其高效點(diǎn)的輸出功率能夠滿足車輛所有設(shè)計(jì)工況的功率需求;相反,當(dāng)最優(yōu)點(diǎn)的輸出功率不能滿足所有設(shè)計(jì)工況的功率需求時(shí),對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)稱為小功率發(fā)動(dòng)機(jī).發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率的降低有利于減小增程器的體積和質(zhì)量(稱之為增程器的小型化),進(jìn)而降低成本、節(jié)省安裝空間.

增程器小型化必然對(duì)E-REV的能量管理策略提出更高的要求,文中針對(duì)一款E-REV,基于搭建的整車動(dòng)力系統(tǒng)和控制策略仿真模型,首先對(duì)增程器小型化的方法進(jìn)行研究;其次采用逐步優(yōu)化的方法提出4種E-REV規(guī)則型控制策略;然后分別從發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布、增程器效率以及動(dòng)力電池充放電能量損失等方面對(duì)比分析各策略燃油經(jīng)濟(jì)性存在差異的原因;最后,利用dSPACE設(shè)備進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn),以驗(yàn)證提出的E-REV能量管理策略在實(shí)時(shí)狀態(tài)下的控制效果,為其工程應(yīng)用提供參考和理論指導(dǎo).

1 增程器小型化的方法

E-REV的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求增程模式時(shí)車輛能夠在FTP-72城市工況、NEDC城市/市郊工況以及HWFET高速工況下行駛,并且能以100 km·h-1的巡航車速行駛.根據(jù)E-REV工作模式和動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)[12],要求增程模式時(shí)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)保持平衡.因此,所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)其最大功率應(yīng)至少能滿足所有設(shè)計(jì)工況的持續(xù)功率需求.

針對(duì)同一整車配置參數(shù)而循環(huán)工況不同的情況,通過(guò)仿真計(jì)算可知,上述4種工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求分別為6,7,14,20 kW,因此,發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)大于20 kW.圖1為所選25 kW發(fā)動(dòng)機(jī)的等效率曲線,M點(diǎn)為其高效點(diǎn),N點(diǎn)為次高功率點(diǎn),對(duì)應(yīng)的輸出功率分別為12,20 kW.

圖1 25 kW發(fā)動(dòng)機(jī)等效率曲線

2 E-REV規(guī)則型能量管理策略

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)能量管理策略

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略要求增程模式時(shí)電池SOC在下限值SOCl和上限值SOCh之間變化,且要求發(fā)動(dòng)機(jī)輸出定值功率Pice_cons.

由于車輛實(shí)際行駛工況的不確定性,Pice_cons的選取須滿足所有設(shè)計(jì)工況的功率需求,同時(shí)為了提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效點(diǎn).適當(dāng)加大[SOCl,SOCh]的范圍有利于減少動(dòng)力電池的充放電次數(shù),但范圍過(guò)大不利于動(dòng)力電池外接充電時(shí)充入盡可能多的電能,導(dǎo)致車輛使用成本增加.

2.2 功率跟隨能量管理策略

增程模式下采用功率跟隨控制策略時(shí),為了維持動(dòng)力電池SOC的平衡,須根據(jù)SOC附加一定的功率,該附加功率為

(1)

式中kchar為充電功率系數(shù).

根據(jù)動(dòng)力母線上的整車需求功率PT、發(fā)電機(jī)效率ηgen以及附加功率Padd,計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率為

Pice_req=PT/ηgen+Padd.

(2)

由式(2)可知,E-REV采用功率跟隨控制策略時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)功率將在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化,為了提高效率,要求發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)沿最優(yōu)曲線移動(dòng).

2.3 最優(yōu)曲線能量管理策略

由于增程器的小型化,使得E-REV采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)需工作在圖1中的N點(diǎn).根據(jù)圖2發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)效率與輸出功率的關(guān)系曲線可知,N點(diǎn)的燃油效率遠(yuǎn)小于M點(diǎn),因此必然造成E-REV低速工況下燃油經(jīng)濟(jì)性的下降.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)效率曲線

如圖1所示,可將發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)曲線劃分為4個(gè)區(qū)間,即低功率RL(P～Q線段)、中低功率RML(Q～M線段)、中高功率RMH(M～N線段)和高功率區(qū)間RH.其中,u,v,w分別為RL,RML和RMH區(qū)間內(nèi)的任一點(diǎn),對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率分別為Pu,Pv和Pw,分界點(diǎn)P,Q,M,N對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率分別為PP,PQ,PM和PN.同理,可將電池SOC劃分為高、中、低3個(gè)區(qū)間,即[SOCh,SOCdisc]、[SOCdisc,SOCchar]和[SOCchar,SOCl].其中,SOCdisc和SOCchar分別為動(dòng)力電池的放電和充電閾值,即當(dāng)SOC大于SOCdisc時(shí),使動(dòng)力電池放電,當(dāng)SOC小于SOCchar時(shí),給動(dòng)力電池充電.

基于上述發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線和動(dòng)力電池SOC的區(qū)間劃分情況,如果某一時(shí)刻的整車需求功率較低,例如為Pu時(shí),若此時(shí)SOC處于低區(qū)間內(nèi),為了維持SOC的平衡,發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)輸出較大的功率以滿足車輛行駛和電池充電的功率需求,因此發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率應(yīng)取PM;相反,若SOC處于高區(qū)間內(nèi),則發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率應(yīng)取0,以便于動(dòng)力電池放電.依此方法可建立增程模式時(shí)E-REV最優(yōu)曲線策略的控制規(guī)則,如表1所示.

表1 E-REV最優(yōu)曲線策略的控制規(guī)則

2.4 功率分流能量管理策略

由于發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略在電池放電階段的電能消耗全部來(lái)自充電階段所充入的電能,多重的能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性的下降.采用功率分流控制策略可對(duì)電池充、放電階段的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化.

圖3給出了功率分流策略的控制規(guī)則.在電池充電階段,僅在整車需求功率小于PM時(shí),才進(jìn)入行車充電模式,且在該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最高效率點(diǎn).在放電階段,僅在整車需求功率小于PP時(shí),才進(jìn)入僅有電池驅(qū)動(dòng)的模式.與發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略相比,功率分流控制策略中電池充、放電過(guò)程的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),能夠有效減少電池充、放電循環(huán)的次數(shù)以及內(nèi)阻上的能量損失.

圖3 功率分流策略的控制規(guī)則流程圖

3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

為了對(duì)比上述4種控制策略的優(yōu)劣,可將Simulink環(huán)境下搭建的控制策略模型生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件,然后嵌入到Cruise環(huán)境下的E-REV整車模型中進(jìn)行仿真計(jì)算.

3.1 仿真結(jié)果

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制及功率跟隨控制策略

圖4為采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略時(shí),10個(gè)NEDC工況下,電池SOC隨車速的變化情況.其中,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率取20 kW.從圖4可以看出:電池SOC在25%至35%范圍內(nèi)有規(guī)律地波動(dòng),電池具有明顯的充電和放電過(guò)程.

圖5為采用功率跟隨控制策略時(shí),單個(gè)NEDC工況下,電池SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的仿真結(jié)果.從圖5可以看出:電池SOC能較好地控制在目標(biāo)值30%附近,且曲線變化比較平滑,沒(méi)有明顯的充、放電循環(huán)過(guò)程.發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)多分布在燃油效率較低的區(qū)域.

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略的仿真結(jié)果

圖5 功率跟隨控制策略的仿真結(jié)果

3.1.2 最優(yōu)曲線控制策略

圖6為采用最優(yōu)曲線控制策略時(shí),單個(gè)NEDC工況下,電池SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的仿真結(jié)果.可以看出,電池SOC曲線比較平滑,且維持在指定的范圍內(nèi).與圖5相比,圖6中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效點(diǎn)的時(shí)間更長(zhǎng),有利于提高E-REV在增程模式下的燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖6 最優(yōu)曲線控制策略的仿真結(jié)果

3.1.3 功率分流控制策略

圖7為采用功率分流控制策略時(shí),10個(gè)NEDC工況下,電池SOC和工況車速的仿真結(jié)果.

圖7 功率分流控制策略的仿真結(jié)果

從圖7可以看出:增程模式下當(dāng)采用功率分流控制策略時(shí),電池具有明顯的充、放電循環(huán),且電池SOC能被有效地控制在指定的區(qū)間范圍內(nèi),與圖4發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略相比,電池的充、放電循環(huán)次數(shù)約減少了70%.

3.2 對(duì)比分析

采用等效燃油消耗折算方法對(duì)各策略的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真計(jì)算,不同策略和工況下的仿真結(jié)果如表2所示,最優(yōu)曲線策略和功率分流策略具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性,發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)策略的燃油經(jīng)濟(jì)性較差.下面從發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布、增程器效率以及動(dòng)力電池充放電能量損失等方面分析燃油經(jīng)濟(jì)性存在差異的原因.

表2 不同策略下的燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比 L·(100 km)-1

1) 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布.SOC初始值取30%,圖8為單個(gè)NEDC工況下,4種策略所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)沿最優(yōu)曲線的分布情況.

由圖8a可以看出:除了加載過(guò)程中所產(chǎn)生的個(gè)別過(guò)渡點(diǎn)之外,發(fā)動(dòng)機(jī)總是工作在次高功率點(diǎn).從圖8b可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)覆蓋了最優(yōu)曲線的低、中、高功率段.與圖8b相比,圖8c中落在中、低功率段的工作點(diǎn)大幅較少,發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)集中分布在高效點(diǎn).圖8d中,發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在高效點(diǎn)的分布情況與圖8c相似,在中、低功率段的分布介于圖8b和圖8c之間.

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

2) 增程器平均發(fā)電效率.E-REV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以輸出電能的方式向動(dòng)力母線供電,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)的效率可計(jì)算增程器的平均效率，即

(3)

式中:ηRE_ave為增程器的平均效率,%;ηice(i)和ηgen(i)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)第i個(gè)工作點(diǎn)的效率,Cruise軟件中效率的采樣周期設(shè)置為0.5 s；n為工作點(diǎn)總數(shù).

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)效率可計(jì)算其平均效率,即

(4)

式中ηice_ave為發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率,%,發(fā)電機(jī)平均效率的計(jì)算與發(fā)動(dòng)機(jī)類似.

單個(gè)NEDC工況下,上述4種控制策略所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和增程器平均效率見(jiàn)表3.

表3 增程器平均效率對(duì)比 %

從表3可以看出:增程器的平均效率取決于發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī),是其綜合作用的結(jié)果,并且當(dāng)采用不同的控制策略時(shí),增程器的平均效率與E-REV增程模式下的燃油經(jīng)濟(jì)性相對(duì)應(yīng)(見(jiàn)表2).

3) 電池充、放電能量損失.增程模式下,動(dòng)力電池起到負(fù)荷調(diào)節(jié)裝置的作用,電池充、放電過(guò)程中必然存在內(nèi)阻上能量的損失.指定工況下,電池的充、放電能量及其能量損失的計(jì)算如下:

(5)

(6)

(7)

式中:Wchar_batt,Wdischar_batt和Wloss_batt分別為電池充電能量、放電能量和內(nèi)阻能量損失,kJ;Pchar_batt,Pdischar_batt和Ploss_batt分別為電池充電功率、放電功率和內(nèi)阻損失功率,kW;tcyc為工況時(shí)間,s.

單個(gè)NEDC工況下分別采用上述4種控制策略時(shí),電池充電能量、放電能量以及充放電能量損失的仿真結(jié)果分別如圖9-11所示.

圖9 電池充電能量的仿真結(jié)果

圖10 電池放電能量的仿真結(jié)果

圖11 電池充放電過(guò)程中能量損失的仿真結(jié)果

從圖9-11可以看出:采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略時(shí),動(dòng)力電池具有最大的充、放電能量及能量損失,原因在于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在次高功率點(diǎn),且動(dòng)力電池具有完整的充放電過(guò)程(見(jiàn)圖4).與其他控制策略相比,功率跟隨控制策略下電池的充、放電能量及其能量損失最小,但由于該策略下增程器的平均效率較低(見(jiàn)表3),因此并不具有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性.與功率分流控制策略相比,最優(yōu)曲線控制策略下電池的充放電能量損失更少,同時(shí)該策略具有最高的增程器平均效率,因此最優(yōu)曲線控制策略具有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性.

4 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各策略的控制效果,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了整車控制器(vehicle control unit,VCU),使用dSPACE公司的軟硬件設(shè)備完成了控制策略模型轉(zhuǎn)換和Targetlink自動(dòng)代碼生成,并將生成的代碼下載到VCU中.搭建的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示.

針對(duì)每一種策略,根據(jù)電池SOC初值的不同分以下2種情況進(jìn)行仿真試驗(yàn): ①SOC初值取35%,便于驗(yàn)證電池放電以及SOC平衡的控制效果; ②SOC初值取25%,便于同時(shí)考查策略對(duì)電池充電過(guò)程和SOC平衡過(guò)程的綜合控制效果.為了便于試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,所采用的整車配置參數(shù)與之前離線仿真模型的參數(shù)相同.圖13，14分別給出了上述2種情況下,選取NEDC工況時(shí)E-REV最優(yōu)曲線控制策略的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)結(jié)果.

圖12 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖13 仿真試驗(yàn)結(jié)果(SOC初值取35%)

從圖13可以看出:在試驗(yàn)初始階段,E-REV處于純電動(dòng)模式,當(dāng)SOC下降到30%時(shí),進(jìn)入增程模式,發(fā)動(dòng)機(jī)和電池共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛,電池SOC維持在30%附近,控制效果良好.

圖14 仿真試驗(yàn)結(jié)果(SOC初值取25%)

由圖14可以看出:車輛起動(dòng)后直接進(jìn)入增程模式,電池SOC曲線呈逐漸上升的趨勢(shì).原因在于增程模式下SOC的控制目標(biāo)值為30%,當(dāng)SOC初值取25%時(shí),策略的控制作用必然使SOC首先趨向于目標(biāo)值,然后才能進(jìn)入SOC的平衡階段.通過(guò)圖13和圖14的對(duì)比可以看出:當(dāng)電池SOC取不同的初始值時(shí),電池功率曲線之間差異較大,如圖14中在SOC的上升階段,電池大部分時(shí)間處于充電狀態(tài)(規(guī)定電池功率為正表示充電,為負(fù)表示放電),而圖13中則正好相反.從圖13，14的發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線可以看出，中、低速工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)能較好地集中在高效點(diǎn)工作.

FTP-72和HWFET工況下的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)結(jié)果與NEDC工況類似,不再贅述.

5 結(jié) 論

1) 配置了小型化增程器的E-REV,不適合采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)和功率跟隨控制策略,當(dāng)采用功率分流和最優(yōu)曲線控制策略時(shí),E-REV具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和控制效果.

2) 增程器平均效率和動(dòng)力電池充放電能量損失是影響E-REV燃油經(jīng)濟(jì)性的主要因素,為了提高E-REV的燃油經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)曲線上,且盡可能多地工作在高效點(diǎn).

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