三源三充太陽能客車動(dòng)力系統(tǒng)控制及經(jīng)濟(jì)性分析

劉 劍

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

三源三充太陽能客車是采用慢充能量型電池和太陽能電池板，以及一個(gè)快充功率型超級(jí)電容相結(jié)合的動(dòng)力系統(tǒng)。本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的太陽能電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)(SC+B+C)的三源三充太陽能客車動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行分析，闡述其管理技術(shù)和控制策略，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1 動(dòng)力系統(tǒng)控制

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)管理

電動(dòng)客車由于電池能量和端電壓的限制，需要采用多塊單體電池和超級(jí)電容電池進(jìn)行串、并聯(lián)組合，使得整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性更為復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等都需要進(jìn)行有效管理，這對(duì)于太陽能、超級(jí)電容電池和蓄電池的組合應(yīng)用技術(shù)管理尤其重要[1]。

車輛實(shí)現(xiàn)不同條件的行駛功能與動(dòng)力系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，對(duì)各個(gè)動(dòng)力源的電壓、電流、溫度等時(shí)刻都要進(jìn)行檢測(cè)，并且還要有相應(yīng)的報(bào)警提醒、SOC電量檢測(cè)、超級(jí)電容剩余容量檢測(cè)等輔助功能，還要根據(jù)動(dòng)力電池的電量控制超級(jí)電容電池為其充放電，同時(shí)對(duì)于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)，以及用算法控制各個(gè)動(dòng)力源輸出最大功率以獲得最大行駛里程[2]。不同動(dòng)力系統(tǒng)都遵循特定車型的整車CAN總線通信協(xié)議，通過采集和分析CAN總線上的信號(hào)，便可準(zhǔn)確獲得各個(gè)部件和控制器系統(tǒng)的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)參數(shù)[3]。

三源三充太陽能客車動(dòng)力管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和蓄電池單一動(dòng)力系統(tǒng)基本功能一致，只是由于動(dòng)力源組合使得控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)估計(jì)、熱管理、數(shù)據(jù)通信、安全管理、能量管理和故障診斷。

1) 數(shù)據(jù)采集。采集3種電池源管理系統(tǒng)中的總電壓、總電流以及各個(gè)模塊中的電壓、電流、溫度等。

2) 狀態(tài)估計(jì)。對(duì)3種電池源的SOC進(jìn)行估計(jì)，不同SOC提供的職能不同，動(dòng)力電池SOC和超級(jí)電容的SOC主要提供剩余電量的信息，太陽能光伏電池板的SOC主要提供光電轉(zhuǎn)換電量、輸送電量、剩余電量的信息。

圖1 動(dòng)力管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3) 熱管理。動(dòng)力電池組和太陽能光伏電池板熱管理控制策略較為復(fù)雜，當(dāng)溫度較低或較高時(shí)都會(huì)影響它們的工作狀態(tài)，而超級(jí)電容電池自身由于超低溫特性好只需要正常的不封閉通風(fēng)，以使各個(gè)動(dòng)力源處于較佳工作溫度范圍[4]。

4) 數(shù)據(jù)通信。3種電池源的管理系統(tǒng)與整車控制器、DC/DC轉(zhuǎn)化器、電機(jī)控制器、電機(jī)ECU、市外接充電口等車載設(shè)備及上位機(jī)等非車載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并發(fā)出控制指令。

5) 安全管理。針對(duì)各個(gè)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和顯示等出現(xiàn)不安全狀態(tài)時(shí)給予及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行斷路等緊急處理，同時(shí)電池安裝艙也要配備相應(yīng)的消防滅火器具，加強(qiáng)整車的安全性。

6) 能量管理。對(duì)3種電池源的充放電以及光電轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行控制，三源三充太陽能客車動(dòng)力管理系統(tǒng)因各個(gè)組成部件、布置方式及控制策略不同，存在多種控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式[5]。

7) 故障診斷。使用相關(guān)控制策略及時(shí)發(fā)現(xiàn)各動(dòng)力源管理系統(tǒng)及控制模塊內(nèi)出現(xiàn)的故障，并對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和判斷，有效評(píng)價(jià)動(dòng)力系統(tǒng)的使用性能。

1.2 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)采用典型的模糊智能控制策略[6-7]。模糊智能控制策略將整車控制簡化成兩個(gè)部分，一是根據(jù)駕駛員輸入和車速判斷駕駛員對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的需求；二是根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率需求、當(dāng)前太陽能電池SC、動(dòng)力電池SOC值和電機(jī)轉(zhuǎn)速，確定電機(jī)功率和比例因子，確定電機(jī)的目標(biāo)功率值。

三源三充太陽能客車動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩模糊控制策略是為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效驅(qū)動(dòng)，提高系統(tǒng)效率的目的，并且保持太陽能電池、動(dòng)力電池和超級(jí)電容電池的充放電平衡，模糊控制策略的基本控制規(guī)律根據(jù)文獻(xiàn)[8]中不同的運(yùn)行模式制定。在制定模糊控制策略前，根據(jù)電機(jī)高效區(qū)確定其最佳工作點(diǎn)，如圖2所示，電機(jī)轉(zhuǎn)矩2 100 N·m高效區(qū)轉(zhuǎn)速在800～1 500 r/min。

圖2 電機(jī)高效區(qū)

電機(jī)工作在最佳區(qū)域，除了滿足當(dāng)前車輛行駛扭矩需求，滑行和制動(dòng)回收的電量通過電機(jī)給動(dòng)力電池和超級(jí)電容電池充電；電量輸送電能優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋禾柲茈姵?、?dòng)力電池和超級(jí)電容電池。

在太陽能車的發(fā)電系統(tǒng)中,光伏陣列是最為關(guān)鍵的部分，有利于優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì),便于縮短研發(fā)周期,提高系統(tǒng)的可靠性和總體效率,為光伏發(fā)電陣列的建模仿真提供理論依據(jù)。

模糊邏輯可以由電機(jī)效率工作曲線圖確定輸出參數(shù)，電機(jī)輸出功率的大小受到整車功率需求、太陽能電池SC、動(dòng)力電池SOC和超級(jí)電容電池OC狀態(tài)的影響，所以選取道路總的需求扭矩Tr與電機(jī)優(yōu)化扭矩差值ΔT、太陽能電池SC、動(dòng)力電池SOC和超級(jí)電容電池OC作為模糊邏輯控制器的輸入變量，功率系數(shù)K為輸出變量，控制邏輯如圖3所示。

圖3 控制邏輯拓?fù)鋱D

可以利用C語言定義,差值ΔT的描述為ΔT={“負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大”}

變量動(dòng)力電池SOC值的描述為SOC={“過低、偏低、適中、高”}={“NB、NS、O、PS”}

變量太陽能電池SC值的描述為SC={“l(fā)ow、normal、high”}

變量超級(jí)電容電池OC值的描述為OC={“過低、低、零、高、過高”}

變量K值為K={0、0.75、0.8、0.85、0.9、1}

當(dāng)ΔT是“負(fù)大”，SOC是“NB”，且OC“過低”，SC為“high”時(shí)，則K為“1”，車輛目標(biāo)扭矩電能由太陽能電池輸出電能；當(dāng)ΔT是“負(fù)大”，SOC是“PS”，且OC“過低”，SC為“l(fā)ow”時(shí)，則K為“0”，車輛需求扭矩電能由動(dòng)力電池輸出電能；從而完成三源三充太陽能客車動(dòng)力系統(tǒng)模糊智能控制策略。

2 三源三充太陽能客車經(jīng)濟(jì)性分析

以8.5 m左右的三源三充太陽能客車、純電動(dòng)客車及傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

2.1 三源三充系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

文獻(xiàn)[8]對(duì)此動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配計(jì)算：動(dòng)力電池的功率為27 kW，共7箱電池；8個(gè)超級(jí)電容模組；車頂安裝96×6=576個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池(12.5 cm×12.5 cm)，峰值功率24.96 kW,對(duì)比純電動(dòng)客車整備質(zhì)量計(jì)算，太陽能電池總重量為21×6=126 kg,超級(jí)電容8個(gè)模組總重量為113.6 kg，少7箱動(dòng)力電池共計(jì)1 400 kg。因此三源三充太陽能客車整備質(zhì)量:8 200-1 400+126+113.6 =7 039.6 kg。

1) 購車成本。太陽能電池陣列組件的價(jià)格為2.5元/W[9]，對(duì)于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，其壽命周期成本[10]C為：

C=CsW+CbWb=2.5×24 960+2.2×27 000=121 800元

式中：Cs為光伏組件的單價(jià)；W為太陽電池峰瓦數(shù)；Cb為動(dòng)力電池的單價(jià)；Wb為動(dòng)力電池的功率。 3 000 F單體的超級(jí)電容8個(gè)模組,所需成本5 000×8=40 000元,其他車體成本共450 000元,購車成本:121 800+40 000+450 000=611 800元。

2) 運(yùn)營成本。假如太陽能電池組件以22%的轉(zhuǎn)換效率[11]，1 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)日均垂直太陽輻射為11.347 MJ/(m2·d), 太陽照射時(shí)間按0.5天計(jì)算,則太陽電池的能量為[12]：Q=ηEst=0.22×11.347×0.125×0.125×576×0.5=11.23 MJ/(m2·d)，因1 MJ =0.28 kW·h，所以發(fā)電量為11.23×0.28=3.14 kW·h,逆變器的轉(zhuǎn)換效率按90%來計(jì)算,該系統(tǒng)每天發(fā)電量為24.96×0.9×3.14=70.5 kW·h，日行駛里程200 km,年運(yùn)行360天,整車使用周期8年,動(dòng)力電池使用周期5年, 太陽能電池板壽命為10年,百公里耗電 65 kW·h(不開空調(diào)),市電單價(jià)0.56元/度，年使用成本：(65×2-70.5)×360×0.56=11 995.2元，保險(xiǎn)30 000元/年，電池更換成本150 000元左右，總運(yùn)營成本：11 995.2×8+30 000×8+150 000=485 961.6元。

3) 補(bǔ)貼。國家分布式光伏項(xiàng)目的電價(jià)為每千瓦時(shí)0.42元,按照每天運(yùn)營8小時(shí)制, 整車使用周期8年,補(bǔ)貼為24.96×8×0.42×360×8=241 532元。

總投入成本=購車成本+運(yùn)營成本-補(bǔ)貼=856 229.6元。

2.2 純電動(dòng)車系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

市場(chǎng)現(xiàn)有純電動(dòng)城市客車型號(hào): HFF6853G03 EV1, 整備質(zhì)量8 200 kg, 磷酸鐵鋰電池容量218.54 kW·h。

1) 購車成本。國內(nèi)市場(chǎng)購車成本550 000元。

2) 運(yùn)營成本。假設(shè)純電動(dòng)城市客車日行駛里程200 km,年運(yùn)行360天,整車使用周期8年,動(dòng)力電池使用周期5年,百公里耗電75 kW·h,市電單價(jià)0.56元/度，年使用成本：75×2×360×0.56=30 240元，保險(xiǎn)30 000元/年，若動(dòng)力電池2023年后以450元/度進(jìn)行電池更換，廠商毛利20%， 4S店盈利30%，則換電池成本：218.5×450×120%×130%=153 387元，總運(yùn)營成本：30 240×8+30 000×8+153 387=635 307元。

3) 補(bǔ)貼。2018年8.5 m純電動(dòng)補(bǔ)貼200 000元左右。

總投入成本=購車成本+運(yùn)營成本-補(bǔ)貼=985 307元。

2.3 傳統(tǒng)燃油車系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

市場(chǎng)現(xiàn)有傳統(tǒng)燃油車型號(hào): JNQ6860GK41,整備質(zhì)量7 500 kg。

1) 購車成本。國內(nèi)市場(chǎng)購車成本250 000元左右。

2) 運(yùn)營成本。百公里油耗26.4 L左右，6.08元/L，每天按200 km計(jì)算，年360天燃油消耗：26.4×6.08×2×360=115 568.64元，保險(xiǎn)20 000元/年，8年的運(yùn)營成本總計(jì)：115 568.64×8+20 000×8=1 084 549.12元。

3) 補(bǔ)貼。柴油補(bǔ)貼240.27元/月，8年共計(jì)：240.27×12×8=23 065元。

總投入成本=購車成本+運(yùn)營成本-補(bǔ)貼=1 311 484.12元。

從以上分析可以看出，三源三充太陽能客車動(dòng)力系統(tǒng)與同級(jí)車型的純電動(dòng)客車、傳統(tǒng)燃油車相比整備質(zhì)量較小、經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，同時(shí)其大大減少發(fā)電企業(yè)高額發(fā)電成本，節(jié)能減排效果更佳，也提高了車輛運(yùn)行的續(xù)航里程，理論計(jì)算從360 km增至580 km。

3 結(jié) 論

通過分析，三源三充太陽能客車動(dòng)力系統(tǒng)有如下結(jié)論：

1) 與純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)相比，提高了車輛運(yùn)行的電力系統(tǒng)總能量以及續(xù)航里程，理論計(jì)算從360 km增至580 km。

2) 與燃油車動(dòng)力系統(tǒng)相比，大大減少經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)能減排效果更佳，同時(shí)也減少企業(yè)發(fā)電成本。