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并聯(lián)式混合動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城市公交客車的能耗與排放要求越來越嚴(yán)格,傳統(tǒng)的公交客車已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的能耗與排放標(biāo)準(zhǔn),然而純電動公交客車雖然能夠?qū)崿F(xiàn)零排放,但其電池成本過高,續(xù)駛里程不足始終是現(xiàn)階段難以解決的問題。并聯(lián)式混合動力客車結(jié)構(gòu)簡單,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)式混合動力客車通過自動離合器機(jī)構(gòu)將發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩動力源集成在一起,兩動力源同軸,并聯(lián)式混合動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降低能量消耗具有重要意義,模式切換與換擋時的轉(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ISG電機(jī)來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn),使發(fā)動機(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。童毅等人針對并聯(lián)式混合動力汽車離合器接合、變速器換擋過程中的汽車轉(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,并對混合動力汽車起步和換擋過程的轉(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)動機(jī)效率曲線的能量管理策略,但只對純電動行進(jìn)中啟動發(fā)動機(jī)過程的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究[4]。以上研究采用了簡單的邏輯門限值控制策略,側(cè)重于發(fā)動機(jī)局部最優(yōu),并且只對部分工作模式切換的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。
本文以國家863計(jì)劃科技攻關(guān)項(xiàng)目中度混合動力客車為研究對象,為了達(dá)到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo),以動力系統(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],對基于自動變速器(Automated Mechanical Transmission,AMT)的并聯(lián)式混合動力系統(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)動機(jī)與電機(jī)。同時,本文對中國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)工作模式切換過程動力傳遞的平穩(wěn)性控制和循環(huán)工況油耗最優(yōu)控制[6]。
1 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文研究的并聯(lián)式混合動力客車的動力系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)輸出軸與自動離合器、ISG電機(jī)、AMT相連,ISG電機(jī)集成在自動離合器與變速器中間,ISG電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)又可作為電動機(jī),驅(qū)動力矩通過AMT輸出,經(jīng)車橋主減速器傳遞至車輪。
通過控制發(fā)動機(jī)、電機(jī)、離合器、變速器的工作狀態(tài),該混合動力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種工作模式,見表1。由表1可知,該混合動力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動、行車充電、停車充電、聯(lián)合驅(qū)動以及制動回饋工作模式。
2 模式切換轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制
并聯(lián)式混合動力客車由靜止啟動,首先進(jìn)入純電驅(qū)動模式,當(dāng)車速信號與加速踏板信號大于設(shè)定閥值時,車輛由純電驅(qū)動模式進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動模式。如果沒有轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制,車輛由純電驅(qū)動模式切換進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動模式時,離合器結(jié)合與變速器換擋會存在很大的沖擊,駕駛舒適性很差。通過在模式切換過程中合理地控制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控制過程。 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。其原則主要是通過純電驅(qū)動、行車充電、混合驅(qū)動等工作模式調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn),使發(fā)動機(jī)大部分時間工作在高效區(qū)域,通過讓電機(jī)參與制動將制動過程中的一部分能量回饋給動力電池,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。此控制策略中的時間軸并非真正試驗(yàn)時的時間軸,此時間軸沒有實(shí)際意義,只是用于說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,即車輛進(jìn)入制動減速或者滑行時,驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行制動能量回饋,將制動能量回收給電池充電,此時SOC升高,車速低于w時就停止能量回饋,進(jìn)入全機(jī)械制動模式;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
以中國典型城市公交工況為混合動力客車的試驗(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AVL Cruise軟件搭建整車動力系統(tǒng)模型,并輸入整車與各部件的技術(shù)參數(shù),通過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Interface接口與AVL Cruise整車動力系統(tǒng)模型交互實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。并聯(lián)式混合動力客車整車動力系統(tǒng)模型如圖5所示。
表3中列出了并聯(lián)式混合動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)動機(jī)及混合驅(qū)動模式的能量分配情況。
5 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析
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Tm1、Te1、Te2 三條臨界負(fù)荷曲線乘以一個系數(shù),得出aTm1、bTe1、cTe2。基于純電驅(qū)動電機(jī)效率、發(fā)動機(jī)燃油消耗特性以及SOC平衡的原則,通過調(diào)整a、b、c三個參數(shù)進(jìn)而得到不同的純電驅(qū)動、行車充電及混合驅(qū)動臨界負(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。
通過仿真分析,可以得到在整個循環(huán)工況下不同節(jié)油方式對節(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,通過減小發(fā)動機(jī)規(guī)格(由傳統(tǒng)車6.7 L發(fā)動機(jī)減小到3.8 L發(fā)動機(jī))可以實(shí)現(xiàn)15.7%的節(jié)油率。在中國典型城市公交工況下,通過發(fā)動機(jī)快速啟動可以實(shí)現(xiàn)在車速<10 km/h時,發(fā)動機(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。在中國典型城市公交工況下,通過低速純電(10 km/h以下為純電工況)與制動回饋(當(dāng)5 km/h<車速>
將參數(shù)三下的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)、發(fā)動機(jī)的外特性以及發(fā)動機(jī)的萬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)動機(jī)90%以上的工作點(diǎn)都分布在了發(fā)動機(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
通過分析并聯(lián)式混合動力客車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),搭建了基于AVL Cruise的整車動力系統(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)通過調(diào)節(jié)不同負(fù)荷臨界參數(shù)(a、b、c),并聯(lián)式混合動力客車在中國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)在中國典型城市公交工況下,通過驅(qū)動電機(jī)調(diào)節(jié)后發(fā)動機(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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