純電動汽車驅(qū)動電機與電動附件的綜合能量管理策略*

秦大同，陳淑江，胡明輝

(重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

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純電動汽車驅(qū)動電機與電動附件的綜合能量管理策略*

秦大同，陳淑江，胡明輝

(重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

針對動力電池在低SOC、低溫等工作條件下輸出功率較小，難以同時滿足車輛動力性、安全性和舒適性的功率需求的問題，對動力電池的功率輸出特性和電動附件對整車動力性的影響進行了研究。在此基礎上，提出了一種綜合考慮動力性、安全性和舒適性的純電動汽車驅(qū)動電機和電動附件的能量管理策略。該策略以電池放電功率與駕駛員需求功率的關系為判斷條件，將純電動汽車能耗系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為正常、一級欠功率和二級欠功率3類，并針對能量管理較復雜的一級欠功率工作狀態(tài)，提出了“特殊工況安全優(yōu)先，非特殊工況協(xié)調(diào)控制”的解決方案。仿真結(jié)果表明，該能量管理策略在低SOC、低溫等工作條件下既優(yōu)先考慮了整車安全性又兼顧了動力性和舒適性。

電動汽車;綜合能量管理;動力性;安全性;舒適性

前言

動力電池功率密度和能量密度低是制約純電動汽車發(fā)展的主要因素。近年來，隨著各國對純電動汽車發(fā)展越來越重視，動力電池功率密度和能量密度均有所提高。以鎳氫電池為例，目前其功率密度可達到160～230W/kg，能量密度可達到60～80W·h/kg[1]。按照上述數(shù)據(jù)，根據(jù)標準GBT 28382—2012匹配某純電動汽車的動力電池能量為20kW·h，該動力電池可能的輸出功率為40～76kW，而車輛動力性、安全性和舒適性的需求總功率為39kW。表面上即使動力電池輸出功率為最低值40kW也可以滿足功率要求，但是實際上動力電池在低SOC和低溫等工作條件下輸出功率有明顯下降，難以同時滿足車輛動力性、安全性和舒適性對功率的需求?？紤]到成本和整車質(zhì)量的因素，一般純電動汽車匹配動力電池時只能保證常用溫度范圍和SOC范圍內(nèi)的輸出功率滿足要求。因此，動力電池在低SOC和低溫等工作條件下的輸出功率往往難以同時滿足車輛動力性、安全性和舒適性對功率的需求。又由于有些特殊工況下的動力性和舒適性問題可能會轉(zhuǎn)變成安全性問題，如起步、急加速、大坡道爬坡等動力性不足可能會導致起步過慢、超車失敗、大坡道爬坡失敗等安全隱患，直接影響整車安全性，本文中將這類特殊工況定義為動力性特殊工況；車內(nèi)溫度過高或過低會使駕駛員駕駛狀態(tài)受到影響，成為安全隱患，間接影響整車安全性，本文中將這類特殊工況定義為舒適性特殊工況。所以，對綜合考慮動力性、安全性和舒適性的純電動汽車電動附件與驅(qū)動電機的能量管理策略進行綜合研究是必要的。

目前針對純電動汽車電動附件研究主要有兩類：一類是只針對電動附件本身的研究，包含電動空調(diào)系統(tǒng)的匹配設計和控制策略研究[2-3]，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學和控制策略研究[4-5]等；一類是考慮電動附件的整車參數(shù)匹配[6-7]。而對電動汽車電動附件和驅(qū)動電機的能量管理策略進行綜合研究的文獻較少。

本文中對動力電池的功率輸出特性以及電動附件對整車動力性的影響進行了研究，在此基礎上，提出了一種綜合考慮動力性、安全性和舒適性的純電動汽車電動附件和驅(qū)動電機的綜合能量管理策略。仿真結(jié)果表明，該能量管理策略在低SOC和低溫等工作條件下既能優(yōu)先考慮整車安全性又能兼顧動力性和舒適性。

1 基礎研究

1.1 動力電池的功率輸出特性

動力電池在不同SOC、不同溫度狀態(tài)下，可以輸出的最大功率不同，將動力電池最大輸出功率隨著SOC和溫度變化的特性稱為動力電池的功率輸出特性，表示為

Pdis=f(SOC,θbat)

(1)

式中：Pdis為動力電池最大輸出功率；SOC為動力電池荷電狀態(tài)；θbat為動力電池溫度。

動力電池的功率輸出特性可以通過理論推導和試驗兩種方法獲得，由于理論推導過于復雜且精度不高，所以一般采用試驗的方法。圖1為通過試驗方法獲得的鎳氫電池組功率輸出特性，其基本參數(shù)如表1所示。

參數(shù)數(shù)值額定電壓/V240單體電壓/V1.2總?cè)萘?(A·h)80總能量/(kW·h)20組合方式串聯(lián)

本文以SOC為50%時的功率輸出特性為基準，將輸出功率大于其最大值的80%的區(qū)域定義為電池的常溫區(qū)，將輸出功率小于其最大值的80%的區(qū)域定義為電池的低溫區(qū)或高溫區(qū)，如圖2所示。以電池溫度為20℃時的功率輸出特性為基準，將輸出功率大于其最大值的80%的區(qū)域定義為正常SOC區(qū)，將輸出功率小于其最大值的80%的區(qū)域定義為低SOC區(qū)，如圖3所示。

由圖1～圖3可以看出，動力電池的SOC和溫度對其輸出功率的影響較大，特別是在低溫、高溫和低SOC狀態(tài)時，動力電池的輸出功率受到很大的限制。

1.2 電動附件對整車動力性能的影響

電動附件可以分為3類：(1)舒適性電動附件，如電動空調(diào)；(2)安全性電動附件，如電動助力轉(zhuǎn)向、電動助力制動等行車電動附件；(3)其他電動附件，如車載收音機等，由于能耗較小，在綜合能量管理策略中可暫不考慮。

因此，本文中只研究舒適性電動附件和安全性電動附件對整車動力性能的影響，也就是要對電動空調(diào)與行車電動附件均不開啟、行車電動附件單獨開啟、電動空調(diào)單獨開啟和電動空調(diào)及行車電動附件均開啟4種工況進行研究。

經(jīng)過仿真計算，可以得到動力電池在上述4種工況的整車動力性能，如圖4～圖6所示。圖4～圖6中的圖(a)為所有電池狀態(tài)下的動力性能；圖(b)為圖(a)中溫度為20℃時的截面；圖(c)為圖(a)中SOC為50%時的截面。其中，曲線1～4分別表示電動空調(diào)及行車電動附件均不開啟、行車電動附件單獨開啟、電動空調(diào)單獨開啟和電動空調(diào)及行車電動附件均開啟4種工況時的整車動力性能。另外，為了更清楚地觀察4種工況的整車動力性能之間的差別，將0-50km/h加速時間和50-80km/h加速時間超過50s的以50s代替。

由圖4～圖6可見，動力電池的SOC和溫度對整車動力性影響較大，特別是在低溫、高溫和低SOC狀態(tài)時，由于動力電池的輸出功率受到限制，導致整車動力性能嚴重下降。同時，在低溫、高溫和低SOC狀態(tài)時，電動空調(diào)的開啟對整車動力性的影響很大，行車電動附件的開啟對整車動力性的影響相對較小。

2 電動附件與驅(qū)動電機能量管理策略

2.1 駕駛員需求功率的識別

駕駛員需求功率主要由3部分組成，計算公式為

Preq=Pm_req+Pa_req+Ps_req

(2)

式中：Preq為駕駛員總需求功率；Pm_req為驅(qū)動需求功率；Pa_req為舒適性電動附件(空調(diào))需求功率；Ps_req為安全性電動附件需求功率。

(1) 驅(qū)動需求功率

本文中研究的重點是電動附件與驅(qū)動電機的能量管理，所以駕駛員驅(qū)動需求功率的識別選擇較為簡單的線性驅(qū)動控制策略，具體方法見文獻[8]。

(2) 舒適性電動附件(空調(diào))需求功率

對電動空調(diào)采用PID控制，電動空調(diào)需求功率計算模型如圖7所示。

(3) 安全性電動附件需求功率

電動助力轉(zhuǎn)向和電動助力制動等安全性電動附件對動力性能影響相對較小，但是對整車安全性影響較大?；谡嚢踩缘目紤]，動力電池必須長期為安全性電動附件備有足夠的可用功率，即安全性電動附件需求功率等于所有安全性電動附件的額定功率之和。

2.2 純電動汽車能耗系統(tǒng)工作模式劃分

根據(jù)動力電池最大放電功率與駕駛員需求功率的關系，可以將純電動汽車能耗系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為正常、一級欠功率和二級欠功率3類，見表2。

表2 純電動汽車能耗系統(tǒng)工作狀態(tài)

正常和二級欠功率兩種工作狀態(tài)下，不存在動力性、安全性和舒適性綜合考慮的問題，能量管理都比較簡單，每種狀態(tài)下只有一種工作模式，分別是正常模式和禁止模式。

一級欠功率狀態(tài)下，動力性、安全性和舒適性的需求功率不能同時得到滿足，能量管理較為復雜。針對此問題，提出了“特殊工況安全優(yōu)先，非特殊工況協(xié)調(diào)控制”的解決方案，此處特殊工況是指前言中所述的動力性特殊工況和舒適性特殊工況。該方案應遵循5條原則：

(1) 安全性電動附件優(yōu)先得到滿足；

(2) 起步、急加速和大坡道爬坡等動力性特殊工況時必須優(yōu)先滿足動力性；

(3) 車內(nèi)溫度過高或過低等舒適性特殊工況時必須優(yōu)先滿足舒適性；

(4) 動力性的優(yōu)先級高于舒適性。

(5) 動力性和舒適性均無優(yōu)先權時，應協(xié)調(diào)控制。

根據(jù)以上原則，定義了6種優(yōu)先工況，如表3所示。

表3 優(yōu)先權狀態(tài)識別

表3中：v為車速；α為加速踏板行程；θreal為車內(nèi)溫度。

根據(jù)“特殊工況安全優(yōu)先，非特殊工況協(xié)調(diào)控制”的原則，以能耗部件的開啟狀態(tài)和優(yōu)先權狀態(tài)為判斷條件，可以將一級欠功率狀態(tài)下的工作模式劃分為電機優(yōu)先、空調(diào)優(yōu)先、協(xié)調(diào)控制、電機單獨工作和空調(diào)單獨工作5種，如表4所示。

表4 一級欠功率狀態(tài)下的工作模式劃分

綜上所述，純電動汽車能耗系統(tǒng)共有7種工作模式：正常工作狀態(tài)下的正常模式、一級欠功率狀態(tài)下的5種工作模式和二級欠功率狀態(tài)下的禁止模式。

2.3 能量管理策略

純電動汽車電動附件與驅(qū)動電機能量管理策略針對前面所述的7種工作模式分別制定，具體如下。

(1) 正常模式下，驅(qū)動電機與電動附件的需求功率均能得到滿足，功率分配算法為

Pm=Pm_req

(3)

Pa=Pa_req

(4)

Ps=Ps_req

(5)

式中：Pm為電機可用功率；Pa為空調(diào)可用功率；Ps為安全性電動附件可用功率。

(2) 電機優(yōu)先工作模式下，要優(yōu)先滿足電機和安全性電動附件的需求功率，安全性電動附件的需求功率可按照式(5)計算，電機與空調(diào)的功率分配算法為

(6)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(7)

(3) 空調(diào)優(yōu)先工作模式下，要優(yōu)先滿足空調(diào)和安全性電動附件的需求功率，安全性電動附件的需求功率可按照式(5)計算，電機與空調(diào)的功率分配算法為

(8)

Pm=Pdis-Pa-Ps_req

(9)

(4) 協(xié)調(diào)控制工作模式下，要優(yōu)先滿足空調(diào)和安全性電動附件的需求功率，安全性電動附件的需求功率可按照式(5)計算，電機與空調(diào)的功率分配須要遵循如下原則：車輛不能因為協(xié)調(diào)控制而減速，即要優(yōu)先滿足當前車速平路勻速行駛對電機的需求功率。

在進行電機與空調(diào)的功率分配之前，首先作如下定義。

定義1 總需求功率滿足比K為

(10)

定義2 動力渴望度M為

M=α

(11)

定義3 空調(diào)渴望度N為

(12)

式中：θh為空調(diào)溫度設置上限，一般取為30℃；θl為空調(diào)溫度設置下限，一般取為16℃；θtar為目標溫度。

定義4 空調(diào)需求功率滿足比Ka為

(13)

空調(diào)需求功率滿足比Ka的取值范圍是[0,1]，若根據(jù)式(13)計算得到的值大于1，則將其值置為1；若小于0則將其值置為0。

根據(jù)上述定義，綜合考慮電機與空調(diào)功率的分配原則，可以將協(xié)調(diào)控制工作模式下的功率分配分為以下4種情況。

①若Pdis-Ps_req-KaPa_req≥Pm_req，則可以對電機與空調(diào)功率進行如下分配：

Pm=Pm_req

(14)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(15)

②若Pm_req>Pdis-Ps_req-KaPa_req≥Pv，則可以對電機與空調(diào)功率進行如下分配：

Pa=KaPa_req

(16)

Pm=Pdis-Pa-Ps_req

(17)

式中：Pv為當前車速平路勻速行駛的需求功率，計算公式為

(18)式中：vcur為當前車速；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風阻系數(shù)；A為迎風面積；ηT為傳動系統(tǒng)效率。

③若KaPa_req+Pv>Pdis-Ps_req>Pv，則可以對電機與空調(diào)功率進行如下分配：

Pm=min(Pv,Pm_req)

(19)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(20)

④若Pv>Pdis-Ps_req>0，則可以對電機與空調(diào)功率進行如下分配：

Pm=min(Pm_req,(Pdis-Ps_req))

(21)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(22)

(5) 電機單獨工作模式下，按照式(5)和式(6)為安全性電動附件與電機分配功率。

(6) 空調(diào)單獨工作模式下，按照式(5)和式(8)為安全性電動附件與空調(diào)分配功率。

(7) 禁止模式下，只允許安全性電動附件工作。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建了純電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)與電動附件系統(tǒng)綜合仿真模型，如圖8所示，其中車室溫度場模型參照文獻[9]和文獻[10]，電池溫度場模型參照文獻[11]。

在所搭建的仿真模型上對純電動汽車電動附件與驅(qū)動電機能量管理策略進行了低SOC和低溫條件下的仿真研究。仿真車輛的電動附件狀態(tài)為：空調(diào)開啟，安全性電動附件開啟；仿真車輛的運行工況為NEDC循環(huán)工況；環(huán)境溫度為0℃，動力電池初始溫度為0℃，車內(nèi)初始溫度為0℃，空調(diào)設置溫度為25℃。仿真結(jié)果如圖9所示。仿真中的主要整車參數(shù)如表5所示。圖9(a)中實線為目標車速，虛線為實際車速；圖9(b)中實線為空調(diào)目標溫度，虛線為空調(diào)實際溫度；圖9(d)中實線為整車需求功率，虛線為動力電池最大放電功率；圖9(f)中實線為電機需求功率，虛線為電機實際功率；圖9(g)中實線為空調(diào)需求功率，虛線為空調(diào)實際功率。

由圖9(d)可以看出，低SOC和低溫條件下動力電池能夠輸出的功率較小，在跟蹤NEDC循環(huán)工況的過程中多次出現(xiàn)需求功率不足的情況。

結(jié)合圖9(b)～圖9(e)可以看出，動力電池最大放電功率大于需求功率時，純電動汽車處于正常模式，即工作模式1；動力電池最大放電功率小于需求功率，且加速踏板行程和車速沒有滿足電機優(yōu)先條件、車內(nèi)溫度沒有滿足空調(diào)優(yōu)先條件時，純電動汽車處于協(xié)調(diào)控制工作模式，即工作模式4；動力電池最大放電功率小于需求功率，且加速踏板行程和車速滿足電機優(yōu)先條件時，純電動汽車處于電機優(yōu)先工作模式，即工作模式2。

表5 整車主要參數(shù)

結(jié)合圖9(e)～圖9(g)可以看出，純電動汽車處于電機優(yōu)先工作模式時，屬于動力性特殊工況，分配給空調(diào)的功率為0，所有的功率均用于滿足安全性電動附件和電機，優(yōu)先考慮了整車安全性，實現(xiàn)了“特殊工況安全優(yōu)先”的控制策略；純電動汽車處于協(xié)調(diào)控制工作模式時，屬于非特殊工況，安全性電動附件需求功率首先得到滿足，剩余功率則根據(jù)動力渴望度與空調(diào)渴望度進行協(xié)調(diào)分配，在優(yōu)先考慮整車安全性的前提下兼顧了動力性與舒適性，實現(xiàn)了“非特殊工況協(xié)調(diào)控制”的控制策略。

4 結(jié)論

(1) 通過對動力電池的功率輸出特性和電動附件對整車動力性的影響規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，低溫、高溫和低SOC狀態(tài)時，動力電池的輸出功率受到很大限制，此時電動附件的開啟對整車動力性有較大影響。

(2) 提出了一種綜合考慮動力性、安全性和舒適性的純電動汽車電動附件與驅(qū)動電機能量管理策略。該策略將純電動汽車能耗系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為正常、一級欠功率和二級欠功率3類，并針對能量管理較復雜的一級欠功率工作狀態(tài)，提出了“特殊工況安全優(yōu)先，非特殊工況協(xié)調(diào)控制”的解決方案。

(3) 仿真結(jié)果表明，該能量管理策略能夠在低溫和低SOC等惡劣工作環(huán)境下優(yōu)先考慮整車安全性并兼顧動力性和舒適性，實現(xiàn)了“特殊工況安全優(yōu)先，非特殊工況協(xié)調(diào)控制”。

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A Comprehensive Energy Management Strategy for Drive Motor andElectrical Accessories in Battery Electric Vehicles

Qin Datong, Chen Shujiang & Hu Minghui

ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400044

Aiming at the difficulty in concurrently meeting the power requirements of vehicle safety, comfort and power performances due to the low output power of power battery in low SOC / low temperature working condition, the influences of the power output characteristics of power battery and electrical accessories on the power performance of vehicles is studied. Based on this, an energy management strategy for the drive motor and electrical accessories is proposed with concurrent consideration of power, safety and comfort performances of battery electric vehicle (BEV). With the relation between the discharge power of battery and the desired power of driver as judging condition, the strategy divides the working states of the energy consuming system of BEV into three categories (normal, 1st level power inadequacy and 2nd level power inadequacy) and a solving scheme of “giving priority to safety in special condition while adopting coordinated control in non-special condition” is proposed for the working state of 1st level power inadequacy, a more complicated one in energy management. The results of simulation show that the energy management strategy proposed can not only gives priority to vehicle safety but also balances power and comfort performances in low SOC / low temperature condition.

electric vehicles; comprehensive energy management; power performance; safety; comfort

*國家863計劃項目(2008AA11A145)和重慶市自然科學基金重點項目(2011BA3019)資助。

原稿收到日期為2013年9月6日，修改稿收到日期為2014年5月30日。