混合動(dòng)力裝甲車輛能量管理策略實(shí)時(shí)仿真

項(xiàng) 宇，劉春光，龐賓賓，劉越戰(zhàn)

（1.裝甲兵工程學(xué)院全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；2.解放軍61081部隊(duì)，北京 100094；3.解放軍66410部隊(duì)，北京 100042；4.阜陽市太和縣馬集鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，安徽 太和 236600）

混合動(dòng)力裝甲車輛能量管理策略實(shí)時(shí)仿真

項(xiàng) 宇1，2，劉春光1，龐賓賓3，劉越戰(zhàn)4

（1.裝甲兵工程學(xué)院全電化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；2.解放軍61081部隊(duì)，北京 100094；3.解放軍66410部隊(duì)，北京 100042；4.阜陽市太和縣馬集鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，安徽 太和 236600）

為解決混合動(dòng)力裝甲車輛多動(dòng)力源輸出優(yōu)化匹配難題，針對(duì)一種具有3個(gè)動(dòng)力源的混合動(dòng)力系統(tǒng)中各動(dòng)力源的輸出特性和驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求特點(diǎn)，制定了具有雙層結(jié)構(gòu)的能量管理策略：頂層的系統(tǒng)功率分配策略完成負(fù)載功率估計(jì)及其在各動(dòng)力源間的分配；底層的部件級(jí)控制策略實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池的優(yōu)化控制。通過構(gòu)建一種分布式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)對(duì)能量管理策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠很好地滿足負(fù)載功率需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化控制。

電傳動(dòng)車輛，混合動(dòng)力系統(tǒng)，能量管理，硬件在環(huán)仿真

0 引言

采用多動(dòng)力源系統(tǒng)的電傳動(dòng)裝甲車輛能夠滿足未來戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)陸戰(zhàn)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)、防護(hù)和火力性能的要求，并為其他裝備提供多規(guī)格電源，減輕作戰(zhàn)分隊(duì)后勤保障壓力［1］。而混合動(dòng)力車輛的性能發(fā)揮依賴于各動(dòng)力源的協(xié)調(diào)控制，由此衍生的能量管理成為研究的熱點(diǎn)，也是混合動(dòng)力電傳動(dòng)裝甲車輛研究的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。能量管理策略受電傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力源及負(fù)載特性等多種因素影響，控制方法靈活多樣［3］。目前，最優(yōu)控制策略，特別是動(dòng)態(tài)規(guī)劃和人工智能算法已被應(yīng)用于車輛能量管理，實(shí)現(xiàn)特定的控制目標(biāo)。見文獻(xiàn)［4-11］。

本文針對(duì)多動(dòng)力源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各動(dòng)力源特性，結(jié)合當(dāng)前的能量管理方法中存在的問題，提出了多目標(biāo)優(yōu)化的雙層能量管理策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化控制。構(gòu)建了一種分布式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的能量管理算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究對(duì)象為某型輪式電傳動(dòng)裝甲車輛，其混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組（Engine Generator Set，EGS）為主動(dòng)力源，動(dòng)力電池和超級(jí)電容為輔助動(dòng)力源。通過可控整流器實(shí)現(xiàn)對(duì)EGS的輸出控制。動(dòng)力電池經(jīng)雙向DC/DC功率變換器與EGS輸出匹配，滿足負(fù)載需求。直流母線并聯(lián)超級(jí)電容和能耗電阻，抑制母線電壓波動(dòng)并保證高壓安全。系統(tǒng)由8個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 雙層能量管理策略

本文研究的串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)通過可控整流器和雙向DC/DC功率變換器，實(shí)現(xiàn)了EGS、動(dòng)力電池和超級(jí)電容輸出解耦，為能量的傳遞控制提供更多的選擇。在此設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)功率分配和部件級(jí)優(yōu)化控制兩個(gè)層次結(jié)構(gòu)的能量管理策略。

2.1 系統(tǒng)功率分配

系統(tǒng)功率分配主要包括負(fù)載功率估計(jì)和功率分配兩部分。

2.1.1 負(fù)載功率估計(jì)

準(zhǔn)確預(yù)估驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率需求是進(jìn)行系統(tǒng)功率分配的關(guān)鍵。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、母線電壓有關(guān)。第i個(gè)電機(jī)的需求功率如式（1）。

其中，Pi需求功率；Ti為目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；ni為轉(zhuǎn)速；fi（Ti，ni）為電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率分布函數(shù)。

由于存在測(cè)量及控制誤差，實(shí)際功率與估計(jì)功率之間有偏差，功率估計(jì)不足或過高的直接反映為母線電壓上升或下降。可根據(jù)母線電壓的高低，對(duì)估計(jì)的電機(jī)需求功率進(jìn)行補(bǔ)償，如式（2）所示。

其中，Pload為驅(qū)動(dòng)電機(jī)直流母線側(cè)需求功率；vdc_high、vdc_low分別為設(shè)定的負(fù)載功率補(bǔ)償時(shí)的母線電壓上限和下限；khigh、klow分別為母線電壓過高或過低時(shí)的負(fù)載功率補(bǔ)償系數(shù)。

圖2 補(bǔ)償系數(shù)khigh和klow與母線電壓

補(bǔ)償系數(shù)khigh和klow與母線電壓的關(guān)系如圖2所示。母線電壓超出［vdc_low_1vdc_high_1］范圍時(shí)開始補(bǔ)償估計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率，最終控制母線電壓在［vdc_low_2vdc_high_2］范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.1.2 基于規(guī)則的負(fù)載功率分配

電傳動(dòng)裝甲車輛最重要的特性是機(jī)動(dòng)性和靜音行駛，這兩點(diǎn)都需要保持動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）在合理的范圍內(nèi)，以保證動(dòng)力電池能夠在EGS功率不足或靜音行駛時(shí)輸出功率，在回饋制動(dòng)或母線電壓過高時(shí)吸收能量。因此，本文根據(jù)負(fù)載功率Pload和動(dòng)力電池SOC制定了基于規(guī)則的負(fù)載功率分配策略。在混合動(dòng)力模式下，功率分配規(guī)則表達(dá)式如式（3）和式（4），這兩個(gè)表達(dá)式均能覆蓋混合動(dòng)力模式下系統(tǒng)運(yùn)行的所有工作狀態(tài)。

其中，Peg為EGS目標(biāo)功率；Pbatt為動(dòng)力電池目標(biāo)功率；Peg_max為EGS最大輸出功率；Pbatt_ch為電池最大充電功率；Pbatt_dis為最大電池放電功率；SOCmax和SOCmin分別為電池SOC上限和下限；SOCqs和SOCqx分別為SOC目標(biāo)區(qū)域上限和下限，且有SOCmin＜SOCqx＜SOCqs＜SOCmax。EGS和動(dòng)力電池的相關(guān)功率表達(dá)皆為直流母線側(cè)功率。

2.2 部件優(yōu)化控制

2.2.1 EGS控制

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速

為降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，控制發(fā)動(dòng)機(jī)沿最佳燃油曲線工作。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，通過確定發(fā)動(dòng)機(jī)各功率等級(jí)對(duì)應(yīng)的最低耗油點(diǎn)，可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油曲線。根據(jù)發(fā)電機(jī)和整流器的效率將分配給EGS的目標(biāo)功率Peg換算到發(fā)動(dòng)機(jī)軸側(cè)輸出功率，再依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油曲線上功率與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得發(fā)動(dòng)機(jī)最佳目標(biāo)轉(zhuǎn)速n*。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖

（2）發(fā)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩

控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出功率控制。通過EGS輸出功率閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值Tem*表達(dá)式為：

式中，fn_P為考慮EGS系統(tǒng)效率后最佳燃油曲線上轉(zhuǎn)速和EGS直流側(cè)功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系；n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；ieg為整流器直流側(cè)電流；kp、ki控制參數(shù)。取min(n*，n)用于計(jì)算功率閉環(huán)的給定值，既保證了負(fù)載功率變大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)上升，又能保證負(fù)載變小時(shí)EGS輸出功率不過大。

2.2.2 動(dòng)力電池控制

DC/DC控制動(dòng)力電池的輸入輸出，電池放電時(shí)DC/DC定電壓輸出、充電時(shí)DC/DC定電流輸出。DC/DC具體控制策略表達(dá)為：

其中，vf*為電池放電時(shí)DC/DC輸出目標(biāo)電壓；ic*為電池充電時(shí)DC/DC目標(biāo)電流；vc1為母線電壓過高時(shí)自動(dòng)給電池充電的電壓下限；vc2為Pbatt＜0時(shí)的電池充電起始電壓；vdc_goal為理想的母線電壓值；f（SOC）為不同SOC對(duì)應(yīng)的電池放電時(shí)DC/DC目標(biāo)電壓函數(shù)；kc1、kc2分別表示電池兩種充電情況下的調(diào)整參數(shù)。且 vc2＜vc1≤vdc_goal。

圖4 f（SOC）與SOC 關(guān)系

函數(shù)f（SOC）與SOC關(guān)系如圖5所示，f（SOC）值范圍在vdc_goal以下，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整或負(fù)載波動(dòng)過程中首先由超級(jí)電容彌補(bǔ)負(fù)載功率需求，防止動(dòng)力電池頻繁放電，損壞電池。動(dòng)力電池的SOC較高時(shí)f（SOC）值較大，即DC/DC目標(biāo)電壓值vf*值較大，能減小母線波動(dòng)范圍；SOC值較低時(shí)，使vf*相對(duì)較小，盡量使電池不放電。

系統(tǒng)總體的能量管理策略原理框圖如下頁圖5所示。

3 分布式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

硬件在環(huán)仿真技術(shù)是在虛擬試驗(yàn)環(huán)境下檢驗(yàn)真實(shí)控制器的可靠性及適用性的一種有效方法，硬件在環(huán)仿真方案較多［12-15］。為提高仿真精度，本文設(shè)計(jì)了一種分布式硬件仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電氣、控制等分系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)能量管理策略原理框圖

圖6 分布式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)原理框圖

兩臺(tái)RT-LAB仿真器分別運(yùn)算動(dòng)力源系統(tǒng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，仿真步長(zhǎng)20 us。RT-LAB接收中央控制器指令和Vortex反饋信號(hào)，上傳狀態(tài)信息，兩臺(tái)RT-LAB之間采用模擬I/O接口傳送vdc和iload信息。利用車輛動(dòng)力學(xué)軟件Vortex建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型，Vortex工作站根據(jù)駕駛指令B、S以及轉(zhuǎn)矩 T1，T2，…，T8，實(shí)時(shí)運(yùn)行車輛模型，并反饋車輪轉(zhuǎn)速等信息。中央控制器接收駕駛員操控指令以及RT-LAB和Vortex反饋的系統(tǒng)信息，發(fā)出控制指令。

表1 各部件參數(shù)

4 仿真驗(yàn)證

以分布式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，選擇車輛加速/制動(dòng)以及爬坡/下坡兩種典型工況，對(duì)制定的能量管理策略進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

4.1 平坦路面行駛

下頁圖7為動(dòng)力電池SOC初始值為50%時(shí)，車輛在平坦路面行駛的仿真結(jié)果。

駕駛員操控指令如圖7（a）所示，車輛在23 s～65 s以及90 s～130 s期間急加速，達(dá)到最高速度，負(fù)載達(dá)到恒功率運(yùn)行狀態(tài)。由于EGS響應(yīng)慢，當(dāng)EGS輸出功率不足且母線電壓未達(dá)到DC/DC放電目標(biāo)電壓時(shí)，超級(jí)電容彌補(bǔ)功率不足。當(dāng)母線電壓在40 s和100 s降到DC/DC放電目標(biāo)電壓時(shí)，DC/DC穩(wěn)壓放電，由動(dòng)力電池彌補(bǔ)負(fù)載需求。在126 s～137 s和166 s～173 s期間有制動(dòng)能量回饋，超級(jí)電容首先吸收回饋電流。由于電池SOC未達(dá)到65%～75%理想范圍，負(fù)載功率較小時(shí)，電池充電。

圖7 平坦路面仿真結(jié)果

行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在萬有特性曲面上的分布如圖8所示。可知，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在燃油曲線附近波動(dòng)，由于仿真中負(fù)載功率需求較大，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)主要分布在沿燃油曲線的中高功率區(qū)域。仿真中負(fù)載需求變化劇烈，EGS分配功率也變化較快，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，致使少部分發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)與燃油曲線偏離較遠(yuǎn)。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

4.2 車輛爬坡/下坡

圖9為電池SOC初始值為50%時(shí)，車輛爬坡/下坡工況下仿真結(jié)果，其中在27 s～60 s連續(xù)爬兩個(gè)30°斜坡，在60 s～90 s車輛轉(zhuǎn)向180°，在90 s～110 s期間車輛連續(xù)下坡。

圖9 車輛爬坡/下坡仿真結(jié)果

在 30 s～32 s、41 s～45 s、55 s～70 s、84 s～85 s和90 s～92 s期間，車輛剛開始爬坡或下坡時(shí)，部分驅(qū)動(dòng)輪懸空或滑轉(zhuǎn)，致使負(fù)載功率需求波動(dòng)較大，負(fù)載電流毛刺較多，見圖9（b）。在系統(tǒng)能量管理策略控制下，超級(jí)電容完全起到了“削峰填谷”的作用，確保了EGS和DC/DC的平穩(wěn)輸出，直流母線電壓也在700 V～800 V 間波動(dòng)，見圖 9（b）。在 90 s～110 s車輛下坡期間，為了降低車速，確保安全，駕駛員進(jìn)行了多次制動(dòng)操作，回收了部分制動(dòng)能量，將部分車輛動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能存儲(chǔ)在超級(jí)電容和動(dòng)力電池中，見圖9（c），提升了能量利用率。

5 結(jié)論

本文通過構(gòu)建一種分布式硬件在環(huán)仿真平臺(tái)、設(shè)置典型工況，對(duì)能量管理策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：混合動(dòng)力源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，能夠滿足負(fù)載功率需求；發(fā)動(dòng)機(jī)沿最佳燃油曲線輸出；動(dòng)力電池工作電流比較平穩(wěn)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)SOC工作范圍的控制；充分發(fā)揮了超級(jí)電容的快速充放電能力；母線電壓在可控范圍內(nèi)波動(dòng)。

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Research on Real-time Simulation of Power Management Strategy in Armored Hybrid Electric Vehicle

XIANG Yu1,2，LIU Chun-guang1，PANG Bin-bin3，LIU Yue-zhan4
（1.Key Laboratory of All-electric Technology，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.Unit 61081 of PLA，Beijing 100094，China；3.Unit 66410 of PLA，Beijing 100042，China；4.Maji Agricultural Service Station，Taihe 236600，China）

To solve optimal matching problem of involved multi power sources of armored hybrid vehicle，according to the characteristics of multi-power output and workload requirements，the energy management strategy with double layered structure is formulated.The top layer of power system distributes strategy complete the load power estimation and distribution between multi-power.The component control strategy to realize optimal control of engine-generator set and batteries.The power management strategy is proved through the simulation of distributed HIL simulation platform.The results indicated that the load requirements is satisfied commendably by hybrid power system.The optimal control of multiple-target is implemented.

electric drive vehicle，hybrid power train system，power management，hardware-in-loop simulation

TM921

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.029

1002-0640（2017）07-0133-06

2016-05-08

2016-06-09

項(xiàng) 宇（1987- ），男，安徽阜陽人，在讀博士。研究方向：電傳動(dòng)裝甲車輛能量管理技術(shù)。