丁鈺航,宋 珂
(同濟(jì)大學(xué),上海 201804)
近年來,隨著能源問題和環(huán)境問題的逐漸突出,人們對環(huán)保的需求逐漸增加,排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也逐漸提高,因此,越來越多的商用車采用動力電池作為動力來源。采用動力電池作為車輛的動力源具有節(jié)能環(huán)保、減少排放等優(yōu)點。然而,電動汽車仍具有續(xù)航里程短、電池適應(yīng)性差等缺點,這些缺點制約了電動汽車的廣泛應(yīng)用。為了提高電動汽車的經(jīng)濟(jì)性能并增加其續(xù)航里程,有必要對電動汽車的能量管理策略進(jìn)行研究。
提出了一種基于瞬時優(yōu)化的純電動能量管理策略。瞬時優(yōu)化常用于混合動力汽車的能量管理策略。對于采用雙電機(jī)的純電動商用車,瞬時優(yōu)化方法同樣可以用于確定能量管理策略。提出的能量管理策略首先構(gòu)建了能量損失函數(shù),對于任意的需求功率,計算不同的功率分配方案下的能量損失并進(jìn)行比較,最終確定最優(yōu)的功率分配方案,從而減少動力系統(tǒng)的能量損失,提高電動汽車的經(jīng)濟(jì)性能。
結(jié)構(gòu)如下:第一章介紹了研究的純電動商用車的動力系統(tǒng);第二章對提出的基于瞬時優(yōu)化的能量管理策略進(jìn)行了介紹;第三章對提出的能量管理策略進(jìn)行了仿真測試;第四章對測試的結(jié)果進(jìn)行了討論和分析;第五章對全文進(jìn)行了總結(jié)。
研究對象為一輛純電動商用車。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.所示。研究對象的動力系統(tǒng)由動力電池、作業(yè)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)等組成。在車輛處于清掃模式時,作業(yè)電機(jī)用于清掃作業(yè),驅(qū)動電機(jī)用于驅(qū)動車輛前進(jìn)。當(dāng)車輛處于行進(jìn)模式時,兩個電機(jī)共同用于驅(qū)動車輛前進(jìn)。對車輛處于行進(jìn)模式時的狀態(tài)進(jìn)行研究,并提出相應(yīng)的能量管理策略。
圖1 本文研究的純電動商用車的動力系統(tǒng)
動力系統(tǒng)部件的主要參數(shù)如表1.所示。
表1 本文研究的純電動商用車的動力系統(tǒng)主要參數(shù)
純電動商用車的作業(yè)電機(jī)的效率如圖2所示。
圖2 作業(yè)電機(jī)的效率圖
純電動商用車的驅(qū)動電機(jī)的效率如圖3所示。
圖3 驅(qū)動電機(jī)的效率圖
瞬時優(yōu)化能量管理策略通過在不同的動力來源之間尋找最優(yōu)的功率分配方法來減少系統(tǒng)整體的功率損失。對于由內(nèi)燃機(jī)和動力電池作為動力源的混合動力汽車,該方法通過比較不同功率分配下內(nèi)燃機(jī)和動力電池的功率損失綜合,確定對于任意需求功率的能量分配方案。本文所研究的純電動商用車雖然只配備了一個動力電池作為能量來源,但由于兩個電機(jī)可以同時驅(qū)動車輛前進(jìn),因此瞬時優(yōu)化能量管理策略也可以用于本文研究對象的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。
為了對車輛經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化,需要首先確定優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)如公式(1),約束條件為公式(2)。
(1)
Preq=Pmotor1+Pmotor2
(2)
其中,Preq是車輛行駛過程中的需求功率,Pmotor1是電機(jī)1所提供的功率,Pmotor2是電機(jī)2所提供的功率,Ltotal(Pmotor1,Pmotor2)是兩個電機(jī)的功率損失的總和。
Ltotal(Pmotor1+Pmotor2)=L(Pmotor1)+L(Pmotor2)
(3)
電機(jī)的功率損失為
L(Pmotor)=Pmotor·(1/ηmotor-1)
(4)
對于任意需求功率,車輛可以以三種模式工作,即電機(jī)1單獨驅(qū)動,電機(jī)2單獨驅(qū)動,兩個電機(jī)共同驅(qū)動。因此,可以通過比較三種模式的功率損失大小,從而確定車輛的工作模式。
當(dāng)兩個電機(jī)共同驅(qū)動時,通過對行星齒輪結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析,可以得到如下關(guān)系。
(5)
Tr=kTs
(6)
Tc=-(1+k)Ts
(7)
其中,nc和Tc分別是行星齒輪輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩;ns和Ts分別是太陽輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩;nr和Tr分別是外部齒輪輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩;k為行星齒輪的特征參數(shù)。
圖4 CHTC-B工況
在仿真過程中,車輛行駛時的需求功率可以通過公式(8)得到。
Preq=v(ma+Fa+Fr+Fg)
(8)
其中,v為車速,m為整車質(zhì)量,a為車輛加速度,F(xiàn)a為空氣阻力,F(xiàn)r為滾動阻力,F(xiàn)g為坡度阻力。
在得到需求功率后,就可以根據(jù)能量管理策略計算不同電機(jī)工作模式的功率損失,從而得到當(dāng)前最優(yōu)的電機(jī)工作模式。
對所研究的純電動商用車在CHTC-B工況下進(jìn)行了一個周期的仿真,仿真實驗的結(jié)果如表2所示。
表2 不同能量管理策略下動力電池SOC的下降情況
與完全采用驅(qū)動電機(jī)用于驅(qū)動車輛前進(jìn)相比,采用瞬時優(yōu)化能量管理策略后,在整個循環(huán)工況中,車輛電池需要輸出的能量下降了6.1%。
提出了一種基于瞬時優(yōu)化的純電動商用車能量管理策略。瞬時優(yōu)化能量管理策略通過對比不同的電機(jī)分配方案之間能量損失,確定瞬時最優(yōu)的功率分配方案,從而提高車輛的經(jīng)濟(jì)性能。在仿真實驗中,采用本文提出的能量管理策略,純電動商用車的經(jīng)濟(jì)性能可以提高6.1%。仿真實驗的結(jié)果證明,本文提出的能量管理策略可以有效的提高雙電機(jī)純電動商用車的經(jīng)濟(jì)性能。