運(yùn)用控制策略技術(shù)進(jìn)行增程式冷鏈物流車的有效節(jié)能

辜雄　鄭麗瑩　鞠濤　賴聯(lián)鋒

摘 要：隨著新能源電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展與普及，其電池組的續(xù)航能力提升后的運(yùn)營(yíng)效率愈發(fā)成為應(yīng)用開發(fā)者必須解決的難題之一，其中物流運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)汽車電池組續(xù)航的能源使用效率要求尤為突出。除了電池本身的續(xù)航能力外，節(jié)能增效同樣是提升電池續(xù)航里程的關(guān)鍵因素，因此東蒲聯(lián)合科技（福建）有限責(zé)任公司攜手廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司、寧德師范學(xué)院對(duì)電動(dòng)物流汽車在冷鏈環(huán)境下的續(xù)航能力提升及影響能源效率的因素進(jìn)行分析，針對(duì)冷鏈環(huán)境下電動(dòng)物流汽車能源效率低下的原因，運(yùn)用相應(yīng)的控制策略技術(shù)提出相應(yīng)的節(jié)能措施，并已定制開發(fā)相應(yīng)的增程冷鏈車車型，為中國(guó)國(guó)內(nèi)的冷鏈物流車節(jié)能技術(shù)提供重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 增程式 冷鏈物流汽車 控制策略

1 引言

汽車作為傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品，按照汽車排量可劃分為：微型轎車（排量低于1L）、普通級(jí)轎車（排量為1.0～1.6L）、中級(jí)轎車（排量為1.6～2.5L）、中高級(jí)轎車（排量為2.5～4.0L）、高級(jí)轎車（排量為4L以上）[1-4]。按照汽車類型可分為：載貨汽車、越野汽車、自卸汽車、牽引車、專用汽車、客車、轎車、半掛車等幾種類型，貨車主要是：微型貨車、輕型貨車、中型貨車、重型貨車。按照動(dòng)力來源可分為：新能源汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車，其中新能源汽車的代表車型是由電池提供動(dòng)力來源。按照功能區(qū)分可分為載貨型和載客型，電動(dòng)物流汽車作為載貨型的工具車，對(duì)運(yùn)輸里程、容積空間等均有很大程度的需求，而冷鏈物流汽車是主要用于配送海鮮、生鮮、冷凍食品等需要低溫保存的且部分有形狀要求的物品的汽車類型，故在物流汽車的基礎(chǔ)上需要增加制冷保鮮設(shè)備[5-8]。

其中冷鏈物流汽車根據(jù)車身長(zhǎng)度分為小型冷鏈物流汽車和大型冷鏈物流汽車，由于大型冷鏈物流汽車無法進(jìn)入城市市區(qū)范圍內(nèi)，因此在市區(qū)范圍內(nèi)只能由小型冷鏈物流汽車進(jìn)行物品配送。但是現(xiàn)有的小型冷鏈物流汽車除了驅(qū)動(dòng)電池容量小，因其車小車內(nèi)容積也小僅為7個(gè)立方以內(nèi)，然而車廂改制冷箱后的裝貨容積更是減少了1平方～1.2個(gè)平方直接影響單件的運(yùn)營(yíng)成本，因此適合6個(gè)方空間運(yùn)營(yíng)的冷藏車運(yùn)營(yíng)效率成為最最關(guān)鍵的因素之一，而現(xiàn)有的電動(dòng)車上使用的冷機(jī)都是由傳統(tǒng)能源下大的冷機(jī)直接更改成小的電驅(qū)動(dòng)的冷機(jī)，在小空間的城市道路使用工況下冷機(jī)并不節(jié)能，因此車型的運(yùn)營(yíng)成本是讓城市小型冷鏈物流車批量使用的關(guān)鍵問題。

2 冷鏈環(huán)境下增程式電動(dòng)物流車的能耗高的現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 冷鏈環(huán)境下增程式電動(dòng)物流車的能耗現(xiàn)狀

現(xiàn)存輕型車5200×1700×2055，面包車廂，車廂內(nèi)3240*1550*1440/1640達(dá)到7.2個(gè)立方～7.8個(gè)立方，但由于要對(duì)車廂進(jìn)行冷凍和保溫，且溫度要達(dá)到-70度到5度的運(yùn)營(yíng)要求，需要使用熱塑板和玻璃鋼搭配閉式發(fā)泡技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)，改制后車廂容積能夠達(dá)到5.4立方-5.8立方。

目前的市場(chǎng)上電動(dòng)物流車?yán)錂C(jī)都是用壓縮機(jī)排量在180～250之間的燃油冷機(jī)改制成電驅(qū)動(dòng)冷機(jī)，且覆蓋的空間在6個(gè)立方～9個(gè)立方～17個(gè)立方，滿足不了實(shí)際這款輕型車運(yùn)營(yíng)需求，而且針對(duì)這款6方以下小體積，要求的溫度變化區(qū)間更小，調(diào)溫更平順，功率供給更平穩(wěn)，所以降低能耗也是提高配送時(shí)效和營(yíng)運(yùn)效率的。

2.2 冷鏈環(huán)境下增程式電動(dòng)物流車能耗存在的問題

電動(dòng)車使用的冷機(jī)在實(shí)際工況下的能耗高，冷機(jī)具備在300V～700V的寬電壓下工作，對(duì)啟動(dòng)條件下功率的要求低，但對(duì)工作條件下的功率要求高，且在裝載時(shí)需要預(yù)先打冷。

打冷的功率需要3000W耗電半小時(shí)打冷才能達(dá)到0度（相當(dāng)于1.0度電），2000W耗電2個(gè)小時(shí)內(nèi)達(dá)到-20度條件（相當(dāng)于2度電），而達(dá)到-70度條件需要耗費(fèi)的功耗達(dá)到6度電以上的情況;實(shí)際的運(yùn)營(yíng)中假定室溫為30度，在6立方空間內(nèi)（冷箱保溫性能可達(dá)到-70度），一次開關(guān)門就會(huì)出現(xiàn)跑冷（以5分鐘內(nèi)自然跑冷量估算），一次開門后重新達(dá)到0度需要500W;一次開門后重新達(dá)到-20度將需要2000W。

2.2.1 冷機(jī)的自重超大

目前市場(chǎng)上適合運(yùn)營(yíng)的冷機(jī)最小自重都達(dá)到75KG以上，厚度達(dá)到240mm，使得在輕型面包車上加裝冷機(jī)需要對(duì)車頂進(jìn)行加固處理，不單單增加了5KG以上的車重而且也給最終冷機(jī)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的制冷效率打了折扣;整車自重是影響運(yùn)營(yíng)成本的最重要因素之一，一套增程的冷鏈物流車增加的自重包括，冷機(jī)：75KG，冷箱：250kg，增程系統(tǒng)：150kg，車身改制件10kg，一共增加了485KG，這個(gè)重量已等同于單次送貨重量的一半。

2.2.2 電動(dòng)車自身的能耗高

目前的增程式普遍存在能源轉(zhuǎn)換效率上有30%～40%是被熱量帶走的，只有60%的能源是有效轉(zhuǎn)換成電能，也就造成了普遍1升油只能轉(zhuǎn)換為2.8度左右，有的甚至更低;

而傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)技術(shù)由于其選擇高功率的電機(jī)以及電池包容量的限制需要，選擇用不停的充放電，來提供電能，發(fā)電機(jī)需要在任意時(shí)刻進(jìn)入最佳功率區(qū)間工作的，整車實(shí)際運(yùn)行的能量損失達(dá)到40%甚至以上，這也造成運(yùn)營(yíng)成本居高不下。

3 控制策略提升增程式電動(dòng)物流車的能耗比

東蒲聯(lián)合科技（福建）有限責(zé)任公司攜手廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司、寧德師范學(xué)院共同研發(fā)，運(yùn)用相應(yīng)的控制策略技術(shù)開發(fā)增程冷鏈車車型為冷鏈車的市場(chǎng)提供指導(dǎo)意義。

3.1 系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)化

根據(jù)冷鏈物流專用場(chǎng)景定制技術(shù)路線，在避開使用高倍率特殊電池下，通過增程補(bǔ)電續(xù)航來避開超負(fù)荷使用發(fā)動(dòng)機(jī)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在3000RPM輸出30KW最佳效率和最經(jīng)濟(jì)發(fā)電轉(zhuǎn)換率下工作，而且充電工作電始終落在30KW上;從增程系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速落在2800RPM～3000RPM，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生最經(jīng)濟(jì)能耗。

3.2 優(yōu)化ECU控制邏輯點(diǎn)火和運(yùn)行過程

在取消發(fā)動(dòng)機(jī)惰輪的情況下通過優(yōu)化的ECU控制邏輯點(diǎn)火和運(yùn)行過程，通過VVT來控制進(jìn)氣的速度控制，把握點(diǎn)火系統(tǒng)控制點(diǎn)火的時(shí)機(jī)，調(diào)節(jié)噴油器控制噴油的脈寬以及在ECU控制信號(hào)下精確控制曲軸、凸輪軸和溫度措施來使缸內(nèi)氣體以更好的LAMD實(shí)現(xiàn)更加快速的燃燒。

發(fā)動(dòng)機(jī)選擇上低比油耗的map區(qū)域能夠覆蓋功率需求map，即使在BMS失效下，需要邊充電邊放電也能在最佳工況下滿足工作要求;這個(gè)工況發(fā)電機(jī)將在最高功率下滿載工作，即使在40KW下，燃油經(jīng)濟(jì)性在最佳工況下由1度電0.31L，通過稀薄燃燒的燃油回收上，能夠維持在0.30L的最佳綜合工況能耗。

圖2發(fā)動(dòng)機(jī)最佳功率在2300RPM～3000RPM之間示意圖。

3.3 增程系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

增程系統(tǒng)以補(bǔ)電為主按照特定場(chǎng)景設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)的功率點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際固定運(yùn)營(yíng)路線的爬坡路段，城市道路和顛婆路段的道路譜對(duì)比數(shù)據(jù)，和實(shí)際城市路況上就開始補(bǔ)電行駛到顛簸路段，爬坡路段路況停止，在實(shí)際進(jìn)入到增程發(fā)電的時(shí)候，通過功率跟隨策略的使用，在極短的時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)能量?jī)?nèi)耗轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)發(fā)電，通過線性規(guī)劃激活發(fā)電機(jī)最經(jīng)濟(jì)功耗工作，通過加強(qiáng)學(xué)習(xí)和線上線下訓(xùn)練等過程不斷記錄和更新軟件，進(jìn)一步的通過線性規(guī)劃從剛最先的出廠狀態(tài)規(guī)劃上千組的功率區(qū)間和SOC以及電壓關(guān)系數(shù)據(jù)，到固定場(chǎng)景運(yùn)營(yíng)后的實(shí)際場(chǎng)景累計(jì)然后積累到臺(tái)架和整車再多次訓(xùn)練，最終將訓(xùn)練結(jié)構(gòu)通過CAN網(wǎng)絡(luò)更新到線性規(guī)劃數(shù)據(jù)內(nèi)，實(shí)際的效果是從最初運(yùn)營(yíng)的一天幾次出現(xiàn)電驅(qū)直接驅(qū)動(dòng)升級(jí)到0次直接驅(qū)動(dòng)的情況進(jìn)而達(dá)到通過補(bǔ)電的最經(jīng)濟(jì)能耗，同時(shí)也優(yōu)化了臨時(shí)性突發(fā)路況下與電直驅(qū)平衡的優(yōu)化。

根據(jù)復(fù)雜的負(fù)載變化，進(jìn)一步優(yōu)化了能耗使用模式間的切換，使得緩慢上升的2600RPM～3200RPM轉(zhuǎn)速落在最佳最經(jīng)濟(jì)功率點(diǎn)上對(duì)增程進(jìn)行充電補(bǔ)充，因此選擇充電的時(shí)機(jī)是跟隨固定執(zhí)行線路上的運(yùn)營(yíng)路況下平穩(wěn)補(bǔ)電以實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)能耗。

本文制定了如下策略：

（1）基于確定性規(guī)則的控制策略如功率跟隨，固定點(diǎn)基于在15KW，30KW和40KW，如需要驅(qū)動(dòng)60KW的大電機(jī)則發(fā)動(dòng)機(jī)可擴(kuò)展功率50kw，65kw和80KW都是最佳工況的工作點(diǎn)，但補(bǔ)電過程是曲線始終落在在經(jīng)濟(jì)能耗的30KW;（2）基于模糊規(guī)則的控制策略，如自適應(yīng);（3）基于局部?jī)?yōu)化的控制策略如等效燃油消耗控制;（4）基于全局優(yōu)化的控制策略如強(qiáng)化學(xué)習(xí)和線性規(guī)劃，使得基于SOC狀態(tài)和功率需求的固定點(diǎn)式Map都在最佳燃油經(jīng)濟(jì)點(diǎn)上。

以此讓油耗保持在最經(jīng)濟(jì)燃燒功率的0.34L基礎(chǔ)上，通過燃油回收，進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性，最終得出燃油經(jīng)濟(jì)性在最經(jīng)濟(jì)工況下由1度電0.30L提升到0.295L。

圖3進(jìn)一步說明了在不同SOC下發(fā)動(dòng)機(jī)落在最佳功率特點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了東蒲聯(lián)合科技（福建）有限責(zé)任公司和廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司、寧德師范學(xué)院共同開發(fā)的增程式冷鏈物流車節(jié)能項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的深入了解和把握，利用自身優(yōu)勢(shì)制定控制策略和能量管理邏輯，通過達(dá)到優(yōu)化工況促使發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)效率時(shí)刻保持在行駛的最佳工作區(qū)間，從而達(dá)到進(jìn)一步降低能耗的效果。此項(xiàng)目技術(shù)已經(jīng)在利程牌增程冷鏈物流車上解決了能源轉(zhuǎn)換、使用效率問題，為國(guó)內(nèi)冷鏈物流車的開發(fā)研究提供了重要指導(dǎo)意義。

致謝：該項(xiàng)目得到福建省新能源汽車電機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)基地科研平臺(tái)資助。

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