年汽车工程会集增程式电动商用车能量管理控制策略研究

集２０１５中国汽车工程学会年集

２０１５ＣＧ 增程式电动车能量管理控制策略研ꎬ交通大学机械与电子控制动力工程【】本文以能量管理和性能仿真为重点ꎬ对增程式电动车的动力系统进行了简要的分析ꎮ根据增程式电动商用车的运行特点、动力性和经济性的要求ꎬ制定了增程式电动车的控制策略ꎬ并进行制动反馈ꎮ能量管理控制策略能够有效地提高整车的经济性能ꎮＡＶＬＣｒｕｉｓｅ件中进行整车建模ꎬ并进行整车动力性与经济性的考量ꎬ满足性能指标的【】增程式电动车ꎬ能量管理策略ꎬ仿真分析ꎬＥｎｅｒｇｙａａｇｔＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄＤｒｉｖｅｒＰｒｏｇｒａｍＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓＺｈａｏＣｈａｎｇꎬＺｈａｎｇＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬｓｃｈｏｏｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｐｏｗｅｒｔ:ＭｎｆｏｃｕｓｅｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｌｉｅｄｉｎｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＤｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｏｆＥｘｔｅｎｄｅｄＲａｎｇｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ)ｗａｓｂｒｉｅｆｌｙａｎａｌｙｚｅｄＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｕｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓꎬｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙꎬｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆＥＲＥＶｗａｓｆｏｒｍｕｌａｔｅｄｗｈｉｌｅｂｒａｋｉｎｇｆｅｅｄｂａｃｋｗａｓｉｎｃｌｕｄｅｄＥｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓａｂｌｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙＴｈｅｖｅｈｉｃｌｅｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎＡＶＬＣｒｕｉｓｅｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｒｏｕｇｈｗｈｉｃｈｖｅｈｉｃｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓＫｅｙｓ:ＥＲＥＶꎬｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙꎬｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓꎬ 本文以某重型环卫车为研究目标ꎬ以能量管理和性能仿真为重点ꎬ对混合动力电动环卫车进了简要的分析根据增程式电动车的运行特点动力性和经济性的要求ꎬ制定了增程式电动车的控制策略ꎬ并进行制动反馈在车减速或制动过程中ꎬ实现能量回收再利用在Ｌｅ软件中进行整车建模ꎬ制定的能量分配控制策略能够有效地提高整车的经济性能ꎬ为增程式电动车的开发提供了有效的参考 增程式电动车系１ 增程式电动车系统简增程式重型车动力总成系统主要包括驱动电机动力电池柴油机和发电机以及构成传动系统的主器和驱增程式重型车采用集中驱动串联混合动力形式ꎬ发动机与发电机机械连接ꎬ发动机与电机组成增程器系统与动力电池串联在直流母线上ꎬ给驱动电机提供辅助功率ꎬ并为动力电池充电ꎬ驱动电机为整车提供动力ꎬ经主器降

增矩最后经差速器将驱动转矩大致平均地分配给左右驱动半轴ꎬ其动力总成系统结构简图如图１所示整车控制器通过的加速踏板及制动信号ꎬ判断驾驶员需求ꎬ并根据当前整车运行状态ꎬ发送驱动电机目标转矩图１集中直驱式动力系统布置示意１２整车模型的建本文以某重型环卫车为研究目标ꎬ应用ＡＶＬ/Ｃｒｕｉｓｅ软件建立整车模型奥地利ＡＶＬ公司是世界上最大的从事内燃机研究开发内燃机测试设备研究及销售的知名企业其在１９９８年首次推出Ｃｒｕｉｓｅ１０版ꎬ作为汽车仿真软件得到了广泛的应用和好评灵活的模块化理念使得Ｃｒｕｉｓｅ市自然科学基金(４２２０６２)和国家科技支撑计划项目(２０ ０６)资作者简介:(９９２)ꎬ女ꎬ在读ꎬ现就读于交通大学Ｅ￣ａｌ４２３５０＠ｂｊｕｅｄｕ

对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真ꎬ同时完善在车辆在纯电动情况下的动力传输路线为:动力电池→驱动电机→主器→差速器→车轮ꎬ当车辆为增程模式时ꎬ则发动机带动Ｇ电机给动力电池充电ꎬ然后动力电池

继续为整车提供动力来源ꎬ发动机始终不直接输出驱动力依据动力的传输路线可以建立车辆的结构模型ꎬ并输入各部件的所需的参数ꎬ如图２所示在整车模型中ꎬ还包括ｐ控制模块电机控制模块ꎬ控制参数模块增程控制模块和发动机控制模块等 能量管理控制策

图２整车的Ｃｒｕｉｓｅ即电池值大于电池值下限ＳＯＣｍｉｎꎬ且电机功率能够满足车辆需求功率Ｐꎬ即ＰＰｍ时ꎬ车辆运行在电量增程式电动汽车运行模式主要分为两种电量消耗和电量保持两个阶段电量消耗即汽车运行在纯电动模式ꎬ发动机完全关闭ꎬ电池作为单一能量源ꎬ电池荷电状态Ｃ值呈下降趋势ꎻ电量保持阶段汽车运行在混合动力状态ꎬ发动机和电池协同工作ꎬ电池Ｃ值维持在较稳定的状态其整车控制策略图如图３所示基本控制思想为:首先踏板信号车速值当电机输出转矩Ｔｍ小于时汽车处于制动状态当Ｔｍ大于时ꎬ车辆电量充足

耗阶段下ꎬ即处于纯电动模式ꎬ蓄电池单独工作ꎻ反之ꎬ当车辆需求功率Ｐｍ大于电机功率所能提供功率Ｐ时ꎬ且电池Ｃ值小于下限时ꎬ进入电量保持阶段ꎬ即增程模式ꎬ蓄电池发动机协同工作在增程模式下ꎬ为使发动机能够较好地满足车辆动力性和经济性需求ꎬ增程器产生的动力经传动系直接驱动车辆行驶ꎬ剩余能量才在电池组中ꎬ这样降低了“化学能—机械能—电能—机械能”之间的多级转化ꎬ减少了功率损失ꎬ从而提高整车能量利用率ꎻ同时ꎬ避免电池过充过放ꎬ调节Ｇ电机的工作状态ꎬ保持电池Ｃ维持在一个适当范围内增程式电动车在制动时ꎬ必须使再生制动和摩擦制动互相配合着工作ꎬ才能真正达到有效的制动和的目的由于电池的ＳＯＣ状态电池以及驱动电机的最大功率和车速是影响集中驱动增程式电动车最为关键的因素ꎬ因此可得到该车的制动控制策略图４其中ꎬＴｒｅｑ是制动需求力矩ꎬＴｍ￣ｂｒ是纯再生制动力矩ꎬＴｂｒ是机械制动力矩ꎬＴｍａｘ￣ｎ是电机最大力矩ꎬＴｍａｘ￣ｓｏｃ是电池最大充电功率对应的力矩如图４所示ꎬ当驾驶员踩下制动踏板输出制动信号ꎬ此时首先开始判断电池的ＳＯＣ状态车速以及计算制动所需力矩当电池ＳＯＣ大于０８或者车速小于５ｋｍ/ｈ时ꎬ则进行机械制动ꎻ当ＳＯＣ处于０６~０８或者车速在５~１０ｋｍ/ｈ时ꎬ设置驱动电机信号计算权重系数ａ＝ｂ＝０５ꎻＳＯＣ小于０６或者车速大于１０ｋｍ/ｈ时ꎬ设置驱动电机信号计算权重系ａ＝ｂ＝１ꎻ结合制动力矩与电池最大充电功率对应的力矩以及电机最大力矩的比较ꎬ根据:图３整车控制策略流程

ｓ＝(１×ａ×ｂ×ＴＴ即可求得制动回收时电机对应的制动信

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２０１５ＣＧ 整车模型性能分

图４制动控制逻辑根据课题的集中驱动增程式电动车的所涉及的部件ꎬ在Ｃｒｕｉｓｅ里面完成模型的搭建参数的输入机械连接电气连接等之后ꎬ就可以对整车的动力性经济性进行模拟本文以某重型环卫车作为原型车ꎬ其基本性能参数表表１整车性能参数指测试项目 测试项目 加速时间/(３０ｋ/ｋｈ时ꎬ最高车速ｋ一次充满电续驶里最大爬坡平均节油

图４空载情ｖｔ＝ｖ０＋ 可以计算出要求的加速时间为５０５ｓꎬ由此可见ꎬ该车纯电动情况下的加速性能已经远远大于设计要求同时也计算了车辆半载和满载时的加速度ꎬ可得到０３０ｋｍ/ｈ时的加速特性ꎬ如图５及图６所示３ 整车动力性分车辆的动力性指标的好坏体现一辆车整体的动力和部件之间的匹配水平ꎬ也是决定一辆车能否在各种路况下稳定行驶的重要依据针对增程式电动环卫车的工作特点ꎬ对其最大加速度最高车速及爬坡度进行了测试分析(１)整车最大加速度分利用Ｃｒｕｉｓｅ中ＦｕｌｌＬｏａｄＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ任务对整车最大加速度进行分析ꎬ可得到图４空载时整车的加速特性曲线由图４可以看出ꎬ该车的最大加速接近３ｍｓ

图５半载情

图６满载情因此可得到这三种情况下车辆的加速度汇总表表表２不同车辆负载状态下的加速

通过图８可以看出ꎬ最高车速能够达到８６ｋｍ/ｈꎬ也能够满足设计指标大于８０ｋｍｈ的要求(３)整车最大爬坡度分尽管在市区路况下不存在如同乡村公路那样非常的陡坡ꎬ但是随着水平的提高ꎬ即使是在城市中也必不可少地存在高架桥的上下坡ꎬ而此时则必须考虑车辆的爬坡性能设计不当导致爬坡能力的不足会对交通线的畅通带来不必要的麻烦ꎬ并且也会发生潜在溜车等交通事故从图９中可以十分明显地看出ꎬ爬坡度随着车速的提高而呈现先增大后减小的趋势出现的峰值坡度在左右达到了爬坡度≥２０％的要求其半载满载负荷下的爬坡动力性分析计算结果如图所示车辆负载状加速度时间/车辆负载状加速度时间/加速度(ｓ空５３半６２满７２由表格加速度数据可得ꎬ整车的加速性能十分优越ꎬ即(２)整车最高车速分最大车速对于环卫车来说也有着较为实质性的意义当环卫车完成清扫任务或者改变清扫地点时候ꎬ车速的适当提高可以提高工作效率ꎬ同时也可以减少不必要的拥堵ꎬ这一点对大城市有着十分的必要因此ꎬ设计时也必须将最高车利用Ｃｒｕｉｓｅ中的ＣｏｎｓｔａｎｔＤｒｉｖｅ任务可以对车辆的最高通过图７可以看出ꎬ在空载时候的车辆最高车速已经接近９０ｋｍｈ同时验证满载时的最高车速ꎬ得到图８图７空载时的车辆最高车图８满载时的车辆最高车

图９整车空载时不同车速下的爬坡图１０不同车辆负载状态下的爬坡可以看出即使是在满载状态下车辆的爬坡度也能达到以上可见该车在满载时也完全满足动力指标因此车３ 整车经济性分对于增程式电动环卫车来说ꎬ由于其存在着柴油发动机和动力电池ꎬ因此经济性的考量必须分为纯电动模式增程模式根据西部某典型地区环卫车行驶的路况数据进行统计分析ꎬ得到环卫车循环行驶工况并利用该工况对整车经济性进试其中该工况平均负荷为２５８０２６１７８ｋｇ其车速和时间关系如图１１所示３２ 续驶里(１)动力电池纯电动行驶里程仿真计动力电初始取此时增程器不工作ꎬ整车以蓄电池纯电动供电模式运行图１２为该工况下纯电动模式时电池ＳＯＣ值变化情况可以看出ꎬ在该循环工况下ꎬＳＯＣ值呈整体下降的趋势ꎬ行驶一个工况后蓄电池降至６６同时在集２０１５中国汽车工程学会年会集

２０１５ＣＧ 图１１环卫车循环行驶工图１２纯电动模式ＳＯＣ值参数变值下降过程中由于具有制动回收会发生ＳＯＣ值上升的现象ꎬ如图所示

程器恒功率发电ꎬ依当时的功率需求ꎬ给电动机供电和给电池充电当电回升至ＳＯＣｍａｘ时ꎬ关闭增程器ꎬ切换至动力电池供电模式为测试增程器的启动过程ꎬ在增程器续驶里程仿真计算中选初始值为比ＳＯＣｍｉｎ大些ꎬ以验证能量管理策略和计算增程里程增程模式下电池值得变化如图所示图１４增程模式下电ＳＯＣ时间的变由图１４可以看出ꎬ在７２４１ｓ时刻ꎬ电池ＳＯＣ下降至２９９９％ꎬ增程器启动ꎬ辅助延长续驶里程ꎬ增强低ＳＯＣ状态下的整车动力性增程控制策略使发动机的转速稳定在１８２７ｒ/ｍｉｎ左右ꎬ发动机输出功率为３１５ｋＷꎬ恒定向动力电池输出电能输出的电能部分用于驱动牵引电机驱动车辆行驶ꎬ剩余部分为动力电池充电ꎬ为避免发动机频繁启动ꎬ电池ＳＯＣ回升至３０％之后ꎬ继续充电ꎬ直至达到电池ＳＯＣ最大限ＳＯＣｍａｘꎬ然后切换至纯电动驱动ꎬ防止动力电池深充针对环卫车循环行驶工况ꎬ进行了增程续驶里程计算ꎬ在ＳＯＣ初始值为２９９９％的情况下且油箱容积为２００Ｌꎬ增程器的增程里程约为７６１３０ｋｍꎬ满足长距离行驶的需求３２ 燃油经济因增程电动车能量来源方式及能量消耗模式比较特殊ꎬ为了便于与传统柴油机汽车和传统混合动力汽车进行经济性比较ꎬ采用基于油电等价因子的等效百公里燃油消耗评价方法:图１３制动回收下ＳＯＣ值上升在行驶过程中ꎬ制动能量回收系统回收车辆在制动

Ｑｓ

＋ＳＥｆ× 性滑行中释放出的多余能量ꎬ并通过发电机将其转化为能ꎬ再在蓄电池中ꎬ用于之后的加速行驶因此ꎬ蓄电池的ＳＯＣ值上升体现了制动回收的作用根据电的变化量ꎬ由式(３)计算动力电池纯电动续驶里程ＳＳ＝ＤＯＤ(１ηａＳｃｙｃ)/ 式中动力电池放电深度ꎬ取０ηａ汽车附件能耗比例系数ꎬ取０Ｓｃｙｃ一个循环工况下车辆的行驶距离ꎻΔＳＯＣ—的变化量经过计算ꎬ环卫车典型工况下电池纯电动续驶里程Ｓ为１４３ｋｍ可以看出满足性能指(２)增程器续驶里程仿真计在增程模式下ꎬ增程器动力电池共同供电ꎬ当电由初始值降低到设定下限值ＳＯＣｍｉｎ＝时ꎬ启动

式中Ｑｆｕｅｌ燃油消耗量ꎬ单位为Ｑｅ电能消耗量ꎬ单位为ｋＷｈＥｆ油电等价因市工业电价０８０元ｋｈꎬ工业柴油价５元则Ｅｆ＝ＷｈＳ为行驶里增程式电动车的节油效果与行驶工况和行驶里程密切相关在环卫车典型工况下ꎬ在电量消耗阶段ꎬ由式(４)得到等效百公里油耗为８３Ｌ/１００ｍꎬ在充电阶段ꎬ增程器启动ꎬ等效百公里油耗增加ꎬ为２６Ｌ/１００ｍ与原型车相比ꎬ可节油５０％以上 １