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并聯(lián)式混合動(dòng)力客車能量管理策略研究與仿真分析理工論文
能源危機(jī)與城市環(huán)境污染的日益加劇對(duì)城市公交客車的能耗與排放要求越來(lái)越嚴(yán)格,傳統(tǒng)的公交客車已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在的能耗與排放標(biāo)準(zhǔn),然而純電動(dòng)公交客車雖然能夠?qū)崿F(xiàn)零排放,但其電池成本過(guò)高,續(xù)駛里程不足始終是現(xiàn)階段難以解決的問(wèn)題。并聯(lián)式混合動(dòng)力客車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在成本增加有限的前提下,能夠很好地降低能耗與排放。并聯(lián)式混合動(dòng)力客車通過(guò)自動(dòng)離合器機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩動(dòng)力源集成在一起,兩動(dòng)力源同軸,并聯(lián)式混合動(dòng)力客車具有多種工作模式,能夠?qū)崿F(xiàn)不同工作模式之間的靈活切換[1]。
當(dāng)前,混合動(dòng)力汽車的能量管理策略和協(xié)調(diào)控制算法已成為研究的重要方向,合理的能量管理策略對(duì)降低能量消耗具有重要意義,模式切換與換擋時(shí)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制能夠較大程度地改善駕駛舒適性。能量管理策略側(cè)重于通過(guò)ISG電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn),使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)域,進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源與減少排放的目的。童毅等人針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車離合器接合、變速器換擋過(guò)程中的汽車轉(zhuǎn)矩管理策略和協(xié)調(diào)控制算法進(jìn)行了研究[2]。古艷春等人采用了基于邏輯門限值的能量管理策略,并對(duì)混合動(dòng)力汽車起步和換擋過(guò)程的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了仿真研究[3]。戴一凡等人采用了基于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)效率曲線的能量管理策略,但只對(duì)純電動(dòng)行進(jìn)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究[4]。以上研究采用了簡(jiǎn)單的邏輯門限值控制策略,側(cè)重于發(fā)動(dòng)機(jī)局部最優(yōu),并且只對(duì)部分工作模式切換的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。
本文以國(guó)家863計(jì)劃科技攻關(guān)項(xiàng)目中度混合動(dòng)力客車為研究對(duì)象,為了達(dá)到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo),以動(dòng)力系統(tǒng)效率最優(yōu)兼顧荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)平衡為實(shí)現(xiàn)方法[5],對(duì)基于自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission,AMT)的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式區(qū)域進(jìn)行劃分,并制定出相應(yīng)的能量分配控制策略,計(jì)算出在中國(guó)典型城市公交工況下任意車速的需求功率,并將需求功率合理地分配給發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)。同時(shí),本文對(duì)中國(guó)典型城市公交工況下工作模式之間切換的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制算法進(jìn)行了研究。以上研究可以實(shí)現(xiàn)工作模式切換過(guò)程動(dòng)力傳遞的平穩(wěn)性控制和循環(huán)工況油耗最優(yōu)控制[6]。
1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文研究的并聯(lián)式混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與自動(dòng)離合器、ISG電機(jī)、AMT相連,ISG電機(jī)集成在自動(dòng)離合器與變速器中間,ISG電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)又可作為電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)AMT輸出,經(jīng)車橋主減速器傳遞至車輪。
通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、離合器、變速器的工作狀態(tài),該混合動(dòng)力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種工作模式,見表1。由表1可知,該混合動(dòng)力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、行車充電、停車充電、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)以及制動(dòng)回饋工作模式。
2 模式切換轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制
并聯(lián)式混合動(dòng)力客車由靜止啟動(dòng),首先進(jìn)入純電驅(qū)動(dòng)模式,當(dāng)車速信號(hào)與加速踏板信號(hào)大于設(shè)定閥值時(shí),車輛由純電驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。如果沒有轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制,車輛由純電驅(qū)動(dòng)模式切換進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式時(shí),離合器結(jié)合與變速器換擋會(huì)存在很大的沖擊,駕駛舒適性很差。通過(guò)在模式切換過(guò)程中合理地控制ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化能夠很大程度降低離合器結(jié)合與變速器換擋的沖擊,進(jìn)而改善駕駛舒適性。如圖2所示,給出了工作模式切換的整個(gè)控制過(guò)程。 3 整車能量管理控制策略
整車能量管理控制策略是以燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo),結(jié)合動(dòng)力電池的SOC狀態(tài)、車速信息、負(fù)荷信息等因素進(jìn)行能量分配與工作模式切換的一種控制策略。其原則主要是通過(guò)純電驅(qū)動(dòng)、行車充電、混合驅(qū)動(dòng)等工作模式調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn),使發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間工作在高效區(qū)域,通過(guò)讓電機(jī)參與制動(dòng)將制動(dòng)過(guò)程中的一部分能量回饋給動(dòng)力電池,從而達(dá)到節(jié)油的目標(biāo)。
3給出了詳細(xì)的控制策略示意圖。
如圖3所示,黑色曲線為車速曲線,藍(lán)色曲線為SOC狀態(tài)曲線。此控制策略中的時(shí)間軸并非真正試驗(yàn)時(shí)的時(shí)間軸,此時(shí)間軸沒有實(shí)際意義,只是用于說(shuō)明不同工作模式之間的切換情況。整車能量管理策略具體描述如下:當(dāng)車速≤u且n≤SOCu且n≤SOCu且n≤SOC且b≤loadw且load=0時(shí),即車輛進(jìn)入制動(dòng)減速或者滑行時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量回饋,將制動(dòng)能量回收給電池充電,此時(shí)SOC升高,車速低于w時(shí)就停止能量回饋,進(jìn)入全機(jī)械制動(dòng)模式;當(dāng)SOC 將整車能量管理策略進(jìn)行轉(zhuǎn)矩解析,如圖4所示,表示了在不同轉(zhuǎn)速下的需求轉(zhuǎn)矩與不同工作模式之間的關(guān)系。當(dāng)0≤Treq 表2列出了不同工作模式下,電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配情況。
4 搭建仿真模型
論文發(fā)表范文
以中國(guó)典型城市公交工況為混合動(dòng)力客車的試驗(yàn)工況,利用整車性能仿真分析專業(yè)軟件AVL Cruise進(jìn)行性能仿真分析。通過(guò)AVL Cruise軟件搭建整車動(dòng)力系統(tǒng)模型,并輸入整車與各部件的技術(shù)參數(shù),通過(guò)Matlab/Simulink搭建整車能量管理策略模型,并將整車控制策略模型通過(guò)Interface接口與AVL Cruise整車動(dòng)力系統(tǒng)模型交互實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。并聯(lián)式混合動(dòng)力客車整車動(dòng)力系統(tǒng)模型如圖5所示。
表3中列出了并聯(lián)式混合動(dòng)力客車整車的基本參數(shù)。
圖6為整車控制策略中并聯(lián)模式下的能量管理模型,此模型規(guī)定了并聯(lián)模式下行車充電、純發(fā)動(dòng)機(jī)及混合驅(qū)動(dòng)模式的能量分配情況。
5 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
根據(jù)系統(tǒng)效率最優(yōu)原則,為了獲得最低的油耗值,在標(biāo)定文件中分別對(duì)Tm1、Te1、Te2 三條臨界負(fù)荷曲線乘以一個(gè)系數(shù),得出aTm1、bTe1、cTe2�；诩冸婒�(qū)動(dòng)電機(jī)效率、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗特性以及SOC平衡的原則,通過(guò)調(diào)整a、b、c三個(gè)參數(shù)進(jìn)而得到不同的純電驅(qū)動(dòng)、行車充電及混合驅(qū)動(dòng)臨界負(fù)荷曲線,分別進(jìn)行仿真分析。表4中列出了三組不同參數(shù)下的仿真油耗值,對(duì)比之后在參數(shù)三(0.8、0.9、1.1)下的油耗值最低為28.8 L/100 km,進(jìn)而獲得了最優(yōu)的臨界負(fù)荷曲線。
通過(guò)仿真分析,可以得到在整個(gè)循環(huán)工況下不同節(jié)油方式對(duì)節(jié)油率的貢獻(xiàn)情況,見表5�；鶞�(zhǔn)傳統(tǒng)車型工況油耗為42 L/100 km,通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格(由傳統(tǒng)車6.7 L發(fā)動(dòng)機(jī)減小到3.8 L發(fā)動(dòng)機(jī))可以實(shí)現(xiàn)15.7%的節(jié)油率。在中國(guó)典型城市公交工況下,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)在車速<10 km/h時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于停機(jī)狀態(tài),進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)5%的節(jié)油率。在中國(guó)典型城市公交工況下,通過(guò)低速純電(10 km/h以下為純電工況)與制動(dòng)回饋(當(dāng)5 km/h<車速>
將參數(shù)三下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性以及發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線表示在同一圖中,如圖7所示。從圖中可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)90%以上的工作點(diǎn)都分布在了發(fā)動(dòng)機(jī)效率高于38%的區(qū)域。由此可見,其系統(tǒng)效率達(dá)到了最優(yōu)值,中國(guó)典型城市公交工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性能最好。
將參數(shù)三(a3,b3,c3)對(duì)應(yīng)的a3Tm1、b3Te1、c3Te2臨界負(fù)荷曲線應(yīng)用到試驗(yàn)樣車中進(jìn)行油耗試驗(yàn),試驗(yàn)所得在公共典型城市公交工況下的綜合油耗為28.9 L/100 km,相對(duì)基準(zhǔn)傳統(tǒng)車型油耗42 L/100 km,節(jié)油率達(dá)到了31.2%,節(jié)油效果明顯。
6 結(jié)論
通過(guò)分析并聯(lián)式混合動(dòng)力客車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),搭建了基于AVL Cruise的整車動(dòng)力系統(tǒng)模型以及基于Matlab/Simulink的控制策略模型,并
設(shè)計(jì)了基于參數(shù)化調(diào)節(jié)的能量管理控制策略。使用AVL Cruise與Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合性能仿真分析,計(jì)算整車基于中國(guó)典型城市公交工況下的油耗,并進(jìn)一步在試驗(yàn)樣車上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:
(1)通過(guò)調(diào)節(jié)不同負(fù)荷臨界參數(shù)(a、b、c),并聯(lián)式混合動(dòng)力客車在中國(guó)典型城市公交工況下的綜合工況油耗能夠降低到28.9 L/100 km,與基準(zhǔn)傳統(tǒng)車型相比,節(jié)油率達(dá)到了31.2%。 (2)在中國(guó)典型城市公交工況下,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)后發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到90%以上的工作點(diǎn)集中在高效區(qū)域,能夠很大程度改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。
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