發(fā)布時間：2022-04-25所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】 為節(jié)約能源、降低排放，油電混合的混合動力汽車得到大力發(fā)展，作為電機(jī)的儲能裝置，傳統(tǒng)的蓄電池功率密度低、循環(huán)壽命短，制約著混合動力汽車的發(fā)展。文章針對城市中運行的傳統(tǒng)小型客車，首先根據(jù)整車的性能完成了電機(jī)和復(fù)合電源儲能裝置的匹配設(shè)計，通過 DC-
【摘要】 為節(jié)約能源、降低排放，油電混合的混合動力汽車得到大力發(fā)展，作為電機(jī)的儲能裝置，傳統(tǒng)的蓄電池功率密度低、循環(huán)壽命短，制約著混合動力汽車的發(fā)展。文章針對城市中運行的傳統(tǒng)小型客車，首先根據(jù)整車的性能完成了電機(jī)和復(fù)合電源儲能裝置的匹配設(shè)計，通過 DC-DC 模塊實現(xiàn)復(fù)合電源的功能，從而利用超級電容“削峰填谷”的特性，降低了頻繁充放電對蓄電池性能的影響。其次，設(shè)計了基于發(fā)動機(jī)效率的模糊控制器，協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在高效區(qū)運行。最后，將各模塊嵌入 ADVISOR 軟件中，在城市工況下對整車性能進(jìn)行仿真試驗，驗證了文章提出的基于模糊控制策略的復(fù)合電源后軸驅(qū)動混合動力客車的性能。
【關(guān)鍵詞】 復(fù)合電源 超級電容 模糊控制 ADVISOR 軟件 混合動力
0 引言
隨著全球能源短缺、人們對于環(huán)境問題日漸重視，環(huán)境保護(hù)與新能源開發(fā)問題逐漸成為世界各國重點關(guān)注的熱點[1]。在這種形勢下，汽車行業(yè)對新能源汽車技術(shù)的研究大力發(fā)展，混合動力汽車已經(jīng)成為解決環(huán)境問題和能源危機(jī)的重要方向[2]。傳統(tǒng)混合動力汽車多采用單一蓄電池作為電源，蓄電池存在重量大、功率密度低、快速充放電困難、循環(huán)壽命短等缺點，制約了混合動力汽車的發(fā)展[3]。超級電容器則具有比功率大、充放電迅速、壽命長等優(yōu)點，將其與蓄電池并聯(lián)，構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)，既能發(fā)揮兩者比能量和比功率的優(yōu)勢，又能利用超級電容“削峰填谷”的特點緩解大電流對蓄電池的沖擊，從而延長電池的使用壽命，提高混合動力汽車的性能[4-7]。
提高混合動力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性是混合動力汽車研究的重點和目標(biāo)，其一方面取決于多動力源系統(tǒng)各部件的效率提高，更取決于整車的能量管理策略( 亦稱為控制策略、能量分配策略) 。作為智能控制之一的模糊邏輯控制，以模糊控制器為核心，協(xié)調(diào)車輛各部件的能量流動，是一種有效的控制技術(shù)，能夠使整車的性能達(dá)到最佳[8]。鄧國紅在《ISG 混合動力電動汽車的轉(zhuǎn)矩控制》一文中以發(fā)動機(jī)需求轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前最佳效率轉(zhuǎn)矩的比值和蓄電池 SOC 作為輸入，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為輸出設(shè)計了模糊邏輯控制器[9]; 付主木在《并聯(lián)式混合動力汽車模糊控制策略及優(yōu)化研究》一文中以混合動力汽車總需求轉(zhuǎn)矩和蓄電池 SOC 為輸入，發(fā)動機(jī)需求轉(zhuǎn)矩為輸出設(shè)計了模糊控制器[10]; 魯子卉在《混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)的模糊控制策略研究》中以電池 SOC 和車輛負(fù)載功率為輸入，發(fā)動機(jī)目標(biāo)功率為輸出設(shè)計了模糊邏輯控制器[11]; 李峰在《混合動力履帶車輛能量分配控制策略研究》中以電機(jī)的需求功率和電池 SOC 為輸入，發(fā)動機(jī)目標(biāo)功率為輸出設(shè)計了模糊邏輯控制器[12]; 吳海嘯在《混合動力汽車的控制策略優(yōu)化研究》中以電機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池 SOC 和整車需求扭矩與發(fā)動機(jī)最佳扭矩的比值為輸入，發(fā)動機(jī)目標(biāo)扭矩為輸出設(shè)計了模糊控制器[13]。
本文的目標(biāo)是建立具有復(fù)合電源系統(tǒng)的后軸驅(qū)動混合動力客車，設(shè)計基于模糊規(guī)則的能量管理策略來驗證整車性能。首先，建立了客車的后軸驅(qū)動仿真模型，根據(jù)客車的性能要求，完成了電機(jī)和動力電池的匹配計算及建模。其次，設(shè)計了蓄電池 - 超級電容的復(fù)合電源系統(tǒng)以及 DC-DC 雙向變換器，實現(xiàn)復(fù)合電源的功率分配。再次，根據(jù)整車性能要求和行駛工況，建立基于發(fā)動機(jī)效率的模糊控制能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)整車能量分配。最后，將建立的整車模型、復(fù)合電源模型和能量管理策略嵌入 ADVISOR 軟件，進(jìn)行整車性能仿真試驗，驗證了控制策略的有效性。
1 混合動力客車動力參數(shù)匹配及建模
1. 1 客車后軸驅(qū)動建模
以某小型客車為原型，設(shè)計混合動力客車，并對其進(jìn)行參數(shù)匹配和建模。該客車原有參數(shù)如表 1 所示，其發(fā)動機(jī)參數(shù)如表 2 所示。
按照并聯(lián)混合動力汽車的結(jié)構(gòu)，根據(jù)發(fā)動機(jī)的參數(shù)及其外特性曲線和萬有特性曲線，編寫 M 文件，建立該客車的發(fā)動機(jī)仿真模型。由于 ADVISOR動力驅(qū)動形式為前輪驅(qū)動，而該客車采用后輪驅(qū)動，因此在 ADVISOR 軟件中需要對牽引力控制模塊進(jìn)行后軸驅(qū)動的再開發(fā)，主要對其中兩個模塊進(jìn)行重新設(shè)計與計算: 其一為汽車牽引力控制模塊，主要限制牽引力不超過輪胎與地面的附著力; 其二為整車速度不能超過其最大牽引力所提供的最大車速[14]。如圖 1 所示為建立好的牽引力控制模塊。
1. 2 混合動力客車電機(jī)匹配
混合動力客車整車動力源的功率必須滿足汽車動力性能指標(biāo)包括的最高車速、加速時間及最大爬坡要求的功率需求[14]。本客車的最高設(shè)計車速為 95 km /h，加速性能采用客車從初始速度 0 加速至行駛車速 60 km /h 的加速性能進(jìn)行評價，客車在市區(qū)運行，爬坡度為 0. 1，在純電動模式下的客車車速為 40 km /h。根據(jù)車輛性能的要求，計算電機(jī)功率應(yīng)大于 15. 88 kW，因此選擇額定功率為20 kW 的無刷直流電機(jī)，取其峰值功率為 40 kW。當(dāng)混合動力客車在純電動模式下行駛時，電機(jī)通過主減速器直接驅(qū)動車輛，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足純電行駛的車速要求，經(jīng)計算并考慮電機(jī)的過載系數(shù)，確定了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 250 r/min。
根據(jù)計算確定的電機(jī)參數(shù)，選擇永磁無刷直流電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表 3 所示。
2 復(fù)合電源設(shè)計
復(fù)合電源采用蓄電池與超級電容并聯(lián)形式蓄電池為主電源，提供電機(jī)的平均需求功率，超級電容充分利用其快充快放的優(yōu)點，作為輔助電源，在混合動力客車起步、爬坡、加速及制動等大電流工況下工作，發(fā)揮“削峰填谷”的作用，滿足瞬時功率需求，保護(hù)蓄電池，減少電流沖擊，從而延長蓄電池的使用壽命。
選擇中國典型城市工況，在 ADVISOR 中建立循環(huán)工況曲線，如圖 2 所示，循環(huán)時間為 1 304 s，最高車速為 60. 35 km/h，車輛行駛距離為 5. 87 km。
對該循環(huán)工況進(jìn)行需求功率分解，對正負(fù)功率需求分別積分，從而求得客車驅(qū)動模式與制動模式下對應(yīng)的正負(fù)能量需求，其中正能量需求為 1. 088 × 107 J，負(fù)能量需求為 - 2. 160 × 106 J。再對驅(qū)動和制動循環(huán)時間進(jìn)行統(tǒng)計求和，得到驅(qū)動和制動模式下的平均功率需求約為 10 kW，最大峰值功率約為 36 kW。
2. 1 蓄電池參數(shù)匹配
根據(jù)整車性能和計算得到的平均功率需求，完成蓄電池的參數(shù)匹配計算和建模。參照 GB /T 31466 - 2005《電動汽車高壓系統(tǒng)等級》，確定混合動力客車蓄電池組的額定電壓等級為 144 V。電池組的參數(shù)須滿足以下兩個條件: 滿足車輛純電模式下續(xù)航里程的要求; 滿足指定循環(huán)工況的平均功率需求。
2. 2 超級電容參數(shù)匹配
由 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器的特性可知，當(dāng)復(fù)合電源系統(tǒng)中超級電容與蓄電池組的電壓等級接近時，DC-DC 功率變換器效率最高，故根據(jù)前文確定的蓄電池組電壓 144 V，選擇 56 個單體最大電壓為 2. 5 V 的超級電容構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)的超級電容部分。
為保證超級電容效率，最小電壓通常取最大電壓的一半，即 1. 25 V。經(jīng)計算得到超級電容的容量應(yīng)大于 2 743 F，因此選擇 Maxwell 公司生產(chǎn)的超級電容，基本參數(shù)如下: 最大電壓為 2. 5 V，最小 電 壓 為 1. 25 V，電 容 為 3 000 F，電 流 范 圍 為- 225 - 225 A。
2. 3 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計
根據(jù)功率守恒原則，即輸出功率等于輸入功率乘以 DC-DC 轉(zhuǎn)化器效率，設(shè)計 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器。由于功率轉(zhuǎn)換器的效率是蓄電池組與超級電容端電壓比值和輸入功率的二次函數(shù)，因此利用二次插值形式建立 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模型，如圖 3 所示。
將建立好的蓄電池模型、超級電容模型和 DCDC 功率轉(zhuǎn)換器模型嵌入 ADVISOR 軟件中，其中復(fù)合電源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。復(fù)合電源的控制策略采用邏輯門限濾波控制策略，在文中不做詳述。
3 整車模糊控制策略設(shè)計
將模糊控制策略應(yīng)用于混合動力汽車，通過對發(fā)動機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足蓄電池充放電平衡的前提下，使發(fā)動機(jī)盡可能工作在高效區(qū)，輸出轉(zhuǎn)矩接近發(fā)動機(jī)最佳轉(zhuǎn)矩，以提升發(fā)動機(jī)工作效率。模糊控制策略采用雙輸入單輸出形式，以發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前需求轉(zhuǎn)矩之差和蓄電池 SOC 為輸入，以發(fā)動機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩為輸出。
為使發(fā)動機(jī)實際工作點靠近發(fā)動機(jī)高效區(qū)，發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線來決定。在萬有特性曲線上，按照不同轉(zhuǎn)速，選擇最小比油耗點，以此作為發(fā)動機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線。在控制策略中，根據(jù)當(dāng)前發(fā)動機(jī)的需求轉(zhuǎn)速，參照制定的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線，確定發(fā)動機(jī)工作于高效區(qū)對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。該混合動力汽車萬有特性曲線如圖5 所示。
由萬有特性曲線可知，發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩值為 350 N·m，與理想最小轉(zhuǎn)矩的差值為 350 N·m，考慮臨界值，將模糊控制策略的轉(zhuǎn)矩差 ΔT 的模糊論域確定為[- 360 360]N·m。在模糊控制器中將輸入量轉(zhuǎn)矩差 ΔT 的模糊語言變量值分為 7 檔，分別為“正大”、“正中”、“正小”、“零”、“負(fù)小”、“負(fù)中”、“負(fù)大”，分別用字母 PB、PM、PS、 ZO、NS、NM、NB 表示。選擇梯形隸屬度函數(shù)，計算語言變量中語言值的隸屬度程度，完成對精確量的模糊化。模糊控制器的另一個輸入為蓄電池 SOC 值，SOC 值的取值范圍為[0，1]。將 SOC 的模糊語言變量值分為 5 檔，分 別 為“正 大”、 “正小”、“零”、“負(fù)小”、“負(fù)大”，分別用字母 PB、 PS、ZO、NS、NB 表示。同樣選擇梯形隸屬度函數(shù)完成模糊化。
模糊控制器的輸出為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩因子 K。輸出轉(zhuǎn)矩因子 K 是發(fā)動機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩與最佳轉(zhuǎn)矩的比值，根據(jù)萬有特性曲線，輸出轉(zhuǎn)矩因子的取值范圍為[0，1. 4]。模糊控制器采用 Sugeno 的類型，將去模糊化結(jié)合到模糊推理中，得到最后的輸出量為精確量。因此 K 取值定為[0 0. 2 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 75 0. 8 0. 85 0. 9 0. 95 1 1. 05 1. 1 1. 15 1. 2 1. 25 1. 3 1. 35 1. 4]，分別用 K1、K2，…，K21 表示。
按照上文確定的輸入輸出量，建立模糊規(guī)則如表 4 所示。將設(shè)計完成的模糊控制模型嵌入 ADVISOR 軟件中，在圖 4 的基礎(chǔ)上替換原有的電機(jī)輔助控制，建立混合動力客車頂層模型如圖 6 所示。
4 仿真驗證
為了驗證本文所建立的復(fù)合電源系統(tǒng)和整車模糊控制策略適用于后軸驅(qū)動混合動力客車的有效性，在 ADVISOR 仿真環(huán)境下進(jìn)行建模和仿真分析，選擇圖 2 所示的中國典型工況為測試工況，同時與 ADVISOR 原有的整車轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行對比研究。
首先，在原有的電機(jī)輔助控制策略基礎(chǔ)上，驗證復(fù)合電源的有效性。整車的實際運行車速如圖 7 所示，圖中兩條曲線分別表示循環(huán)工況的要求車速和實際車速。從圖中可以看出，實際車速很好地跟隨了工況的要求車速，說明設(shè)計的復(fù)合電源系統(tǒng)應(yīng)用于該混合動力客車，可以滿足循環(huán)工況要求。
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單一電源下電機(jī)的需求功率全部由蓄電池提供，其功率曲線如圖 8 所示。由圖可知，蓄電池提供的最大功率達(dá)到 23 kW。蓄電池工作電流如圖 9 所示，圖中蓄電池須承受較大的放電和充電電流，最大放電電流接近 250 A，最大充電電流接近 90 A，并且充放電電流波動明顯，不利于蓄電池的使用壽命。
復(fù)合電源下電機(jī)的需求功率由復(fù)合電源系統(tǒng)提供，其中蓄電池提供平均功率，而峰值功率由超級電容提供，其功率對比曲線如圖 10 所示。由圖可知，蓄電池提供的最大功率僅為 10 kW，與單一電源需提供 23 kW 功率相比，降低 50% 以上。超級電容提供了電機(jī)需求功率的瞬態(tài)部分，充分發(fā)揮其快充快放的特性。復(fù)合電源下蓄電池和超級電容的工作電流如圖 11 所示，圖中蓄電池在承受放電電流相對于單一電源時明顯減小，最大放電電流僅為 70 A，并且放電電流波動較小，有利于提高蓄電池的壽命。在圖 11 中負(fù)電流表示充電電流，從圖中可以看出蓄電池充電電流很少，超級電容的充電電流相對較多，即幾乎全部的充電電流由超級電容回收，因此導(dǎo)致蓄電池 SOC 值略有下降，但 SOC 曲線整體變平穩(wěn)，說明蓄電池較好地保持了充放電的平衡。單一電源和復(fù)合電源中蓄電池 SOC 對比如圖 12 所示。
其次，在驗證了復(fù)合電源系統(tǒng)有效性的基礎(chǔ)上，繼續(xù)驗證本文設(shè)計的整車模糊轉(zhuǎn)矩控制策略的有效性。此模糊控制策略旨在滿足整車性能的同時，能提高發(fā)動機(jī)工作效率，從而降低排放，提高經(jīng)濟(jì)性。圖 13 中的兩個圖分別為 ADVISOR 原有電機(jī)輔助控制策略下和模糊控制策略下發(fā)動機(jī)實際工作效率點圖，能夠明顯看出，在原有策略下，發(fā)動機(jī)效率最高雖達(dá)到近 0. 4，但是工作點分散，整體效率不高。在模糊控制策略下，發(fā)動機(jī)的工作點更為密集，效率集中在 0. 3 - 0. 4 之間的工作點更多，說明發(fā)動機(jī)整體效率有所提升。圖 14 中的兩個圖分別為 ADVISOR 原有電機(jī)輔助控制策略下和模糊控制策略下發(fā)動機(jī)實際工作點圖。兩圖對比也可明顯看出發(fā)動機(jī)工作點更靠近高效區(qū)。
將模糊控制策略下的復(fù)合電源中蓄電池 SOC 曲線加入圖 12 中，得到單一電源、復(fù)合電源和模糊控制策略下復(fù)合電源的蓄電池 SOC 曲線對比圖，如圖 15 所示。由于在模糊控制策略下，發(fā)動機(jī)接近高效區(qū)，同時發(fā)動機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩有所提高，因此對電機(jī)的需求有所降低，并且在蓄電池 SOC 較低時，以滿足整車動力性能之外的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，用來為蓄電池充電，即有更多的充電電流為蓄電池充電，因此有利于保證蓄電池 SOC 平穩(wěn)。圖中通過模糊控制下蓄電池 SOC 曲線可以明顯看出，與電機(jī)輔助策略下蓄電池 SOC 曲線相比，模糊控制下蓄電池 SOC 曲線變化平穩(wěn)，且終止時刻 SOC 值較高，蓄電池在整個循環(huán)工況中消耗較小，有利于蓄電池保持更高的后備能量。
5 結(jié)語
本文在原有普通燃油客車的基礎(chǔ)上，在滿足車輛性能的前提下，首先完成了儲能裝置和電機(jī)的匹配設(shè)計，其次開發(fā)了蓄電池 - 超級電容的復(fù)合電源系統(tǒng)，最后提出了應(yīng)用于復(fù)合電源混合動力客車的模糊轉(zhuǎn)矩分配策略，將建立的整車模型、復(fù)合電源模型、能量管理策略嵌入 ADVISOR 軟件中，進(jìn)行整車性能仿真，結(jié)果表明:
( 1) 配備有合適參數(shù)的電機(jī)和蓄電池的混合動力客車，能夠滿足原有客車對行駛性能的要求，證明設(shè)計的混合動力客車具有實際使用價值。
( 2) 建立的蓄電池 - 超級電容復(fù)合電源系統(tǒng)，能夠發(fā)揮超級電容“削峰填谷”的優(yōu)勢，DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)功率分流，避免了蓄電池頻繁大電流充放電，延長了蓄電池使用壽命。
( 3) 提出的基于發(fā)動機(jī)效率的模糊轉(zhuǎn)矩分配策略，能夠使發(fā)動機(jī)工作于高效區(qū)，提高了發(fā)動機(jī)工作效率，同時有利于蓄電池充放電平衡，在保證整車性能不變的前提下，降低了排放，延長了蓄電池壽命。——論文作者：牛曉燕、馮國勝
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