混合動(dòng)力車電能量流表征及能量管理方法研究

范晶晶，陳晚如，王 東，趙韜碩

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

在混合動(dòng)力車輛中電能量流是重要的能量流動(dòng)，由于電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個(gè)部件間存在多向的電能量流動(dòng)耦合關(guān)系，同時(shí)在多向流動(dòng)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(jì)性、動(dòng)力性和可靠性[1-4]，因此需要研究電能量流動(dòng)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(dòng)力車輛能量管理為背景，著眼于電能量流動(dòng)特點(diǎn)，研究在復(fù)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(fù)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(jì)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(biāo)，建立優(yōu)化問題，通過解析求解得到能量?jī)?yōu)化管理參數(shù).通過硬件在環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證能量管理方法的控制效果.

1 電能量流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電能量流系統(tǒng)采用串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，如圖1所示.APU系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、整流橋以及APU控制器構(gòu)成.APU系統(tǒng)通過高壓母線向動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和系統(tǒng)設(shè)備提供能量.動(dòng)力電池由電池管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與管理，系統(tǒng)能量流由整車控制器進(jìn)行控制.從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析來看，由于多個(gè)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在著多向的電能量流動(dòng)耦合關(guān)系，同時(shí)在多向流動(dòng)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(diǎn)，所以電阻抗導(dǎo)致的功率損失是評(píng)價(jià)電系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，他直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性.

圖1 電能量流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 能量管理方法

電能量流系統(tǒng)各部件之間存在著復(fù)雜的能量流耦合關(guān)系，對(duì)這些耦合關(guān)系的理論進(jìn)行研究，是為了能夠提煉出提高系統(tǒng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)針對(duì)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(bǔ)償和電池耐久性，一方面保證動(dòng)力電池SOC平衡，另一方面在線辨識(shí)系統(tǒng)功耗響應(yīng)，以相應(yīng)調(diào)整能量管理參數(shù)，延長(zhǎng)電池壽命.

多能量源系統(tǒng)總瞬時(shí)油耗由柴油機(jī)瞬時(shí)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(duì)于APU尚無(wú)完善的技術(shù)評(píng)價(jià)，為了實(shí)現(xiàn)APU的高效穩(wěn)定，在控制技術(shù)上大都采用簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制或者利用簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)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(yàn)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(guān)鍵.

APU系統(tǒng)構(gòu)型與控制以及整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的綜合優(yōu)化，是通過發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)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(tái)架試驗(yàn)的油耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗Cdiesel與APU輸出功率PAPU建立關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的，其關(guān)系表達(dá)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(fù)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(luò)模型，需要分析電池荷電狀態(tài) (SOC)、健康狀態(tài) (SOH)算法、庫(kù)倫效率等因素.由于電池本身具有很強(qiáng)的非線性，單體之間存在性能差異，同時(shí)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，誤差積累會(huì)越來越大，使得電池組的狀態(tài)越來越差.在對(duì)電池組使用特性、能量效率機(jī)理和狀態(tài)估計(jì)的分析過程中，考慮到成組電池帶來的不一致特點(diǎn)和熱場(chǎng)分布對(duì)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(jì)精度.建立的電池組等效油耗如式3所示.

2.3 優(yōu)化目標(biāo)建立及求解

最優(yōu)化問題以系統(tǒng)瞬時(shí)油耗最小為目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)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(jìn)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(nèi)阻擬合系數(shù).

此外，針對(duì)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(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池和系統(tǒng)功率部件存在超溫、過壓和過流的危險(xiǎn)，為防止危險(xiǎn)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(duì)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(yàn)驗(yàn)證

采用硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái) (如圖3所示)，來全面模擬混合動(dòng)力車輛的構(gòu)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(chǔ)系統(tǒng);由驅(qū)動(dòng)電機(jī)來模擬底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);負(fù)載電機(jī)模擬整車的道路負(fù)載;單向DC/DC模擬車上其它用電負(fù)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(duì)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(jìn)行仿真，電池組SOC的結(jié)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(wú)法保持，同時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)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(yùn)行更加平穩(wěn)，可以間接地提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖3 硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

圖4 仿真循環(huán)工況ECU_EUDC

圖5 電池組SOC結(jié)果

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，2種能量管理策略均可以達(dá)到合理控制的要求，達(dá)到了對(duì)功率流的合理控制需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dá)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(dòng)機(jī)的效率，油耗明顯下降，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了9.77%.

表1 仿真初始值

圖6 APU輸出功率

4 結(jié)論

在研究復(fù)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(fù)載系統(tǒng)在不同模式下的能耗規(guī)律的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)較為全面的電能量流表征模型，設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果分析，該方法提高了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性.

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