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        兩種行駛模式下增程器啟停時(shí)刻優(yōu)化

        2015-07-21 14:09:22黃欣陳凌珊
        關(guān)鍵詞:增程器

        黃欣++陳凌珊

        摘要:增程器作為E-REV的核心部件,其啟停控制決定了汽車(chē)運(yùn)行的工作模式。提出了在短途和長(zhǎng)途兩種行駛模式下減少增程器運(yùn)行時(shí)間,盡可能利用電能驅(qū)動(dòng)E-REV的控制策略。以目標(biāo)里程和電池SOC變化范圍為約束條件,利用Cruise/Simulink對(duì)增程器啟停時(shí)刻仿真優(yōu)化。結(jié)果表明,通過(guò)減少增程器啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間,目標(biāo)里程下純電動(dòng)里程增加,有效降低了燃油消耗和排放。

        關(guān)鍵詞:增程器;啟停時(shí)刻;電池SOC;目標(biāo)里程

        中圖分類(lèi)號(hào):U4697 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1672-1098(2015)01-0031-04

        增程式電動(dòng)汽車(chē)(Extended-Range Electric Vehicle,E-REV)可以解決純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程不足的問(wèn)題,是作為混合動(dòng)力向純電動(dòng)的一種平穩(wěn)過(guò)渡[1]。增程器作為E-REV的核心部件,其啟??刂茮Q定了汽車(chē)運(yùn)行的工作模式。一方面,相比于汽油, 電能價(jià)格較低,因此希望E-REV盡可能的純電行駛。 另一方面, 若汽車(chē)僅運(yùn)行在純電動(dòng)模式, 則又違背了給純電動(dòng)汽車(chē)“增程”的初衷。本文分別考慮汽車(chē)短途和長(zhǎng)途兩種行駛模式, 通過(guò)優(yōu)化控制策略減少增程器啟停次數(shù)和工作時(shí)間, 可達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性和滿足汽車(chē)行駛里程的雙重目的。

        本文以某款E-REV為研究對(duì)象,基于Cruise建立整車(chē)模型,與Simulink建立的控制策略聯(lián)合仿真,在選定工況下,預(yù)設(shè)汽車(chē)行駛里程,并控制電池荷電狀態(tài)SOC(State of Change)在合理范圍內(nèi)變化,通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后增程器啟停次數(shù)和工作時(shí)間,驗(yàn)證控制策略的可行性。

        1E-REV參數(shù)及控制策略

        以某款E-REV為研究對(duì)象,作者已完成了E-REV動(dòng)力匹配與性能仿真的相關(guān)研究,本文仿真中用到整車(chē)參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)可見(jiàn)文獻(xiàn)[2]??紤]車(chē)輛的不同行駛模式,仿真中選用的工況為新歐洲行駛工況(New European Driving Cycle,NEDC),它是一種模式行駛工況,涉及長(zhǎng)時(shí)間的恒速行駛,包含四個(gè)重復(fù)市區(qū)循環(huán)和一個(gè)市郊循環(huán),理論試驗(yàn)距離1087 km,時(shí)間1 180 s[3]。

        增程器輔助動(dòng)力單元(Auxiliary Power,APU)采用恒溫+功率跟隨控制策略[4],發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械上沒(méi)有連接,可以脫離路面負(fù)荷,啟動(dòng)后工作在高效區(qū)域,功率不足的部分由動(dòng)力電池提供。

        圖1反映出恒溫+功率跟隨控制策略的方法。

        圖1恒溫+功率跟隨控制策略

        APU跟隨不同功率值時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作在不同的等功率曲線上,且曲線上的工況點(diǎn)都工作在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線中燃油消耗經(jīng)濟(jì)區(qū)域,把每條等功率曲線上的燃油最低工況點(diǎn)連接起來(lái)組成燃油消耗最低曲線,在這條曲線上,發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)按照恒溫+功率跟隨工作模式,APU在跟隨需求功率的同時(shí)也能保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗經(jīng)濟(jì)性。

        2行駛里程計(jì)算

        電池SOC初值設(shè)為10,增程器的原有控制策略為電池SOC值低于03時(shí)增程器啟動(dòng),電池SOC值高于07時(shí)增程器關(guān)閉。設(shè)定汽車(chē)行駛里程為D,單位km。定義行駛里程容量比概念,公式為:汽車(chē)行駛里程/電池SOC變化量,單位km/%,可反映電池單位SOC的行駛里程。用參數(shù)λ1、λ2、λ3分別表示電池SOC從初值下降到03、增程器開(kāi)啟后SOC從03充電到07、純電動(dòng)行駛SOC從07下降到03的里程容量比,其中,汽車(chē)到達(dá)目標(biāo)里程的前一段時(shí)間工作在純電動(dòng)模式可由目標(biāo)里程長(zhǎng)度決定。

        設(shè)整個(gè)行駛過(guò)程中增程器啟動(dòng)次數(shù)為n,則行駛里程為D為

        D=70λ1+40nλ2+40(n-1)λ3+(70-SOCt)λ3(1)

        式中:SOCt表示汽車(chē)到達(dá)目標(biāo)里程停車(chē)時(shí)電池SOC大小。其中,增程器未開(kāi)啟時(shí)間內(nèi),E-REV以純電動(dòng)行駛的距離d為

        d=70λ1+40(n-1)λ3+(70-SOCt)λ3(2)

        則在整個(gè)行駛過(guò)程中,E-REV以純電動(dòng)行駛的距離占總目標(biāo)里程比ε為

        ε=dD=70λ1+40(n-1)λ3+(70-SOCt)λ3

        70λ1+40nλ2+40(n-1)λ3+(70-SOCt)λ3×100%(3)

        相比燃油價(jià)格,電能價(jià)格低廉,且不會(huì)帶來(lái)排放問(wèn)題。因此,在汽車(chē)整個(gè)行駛過(guò)程中因盡量增加純電動(dòng)里程,即盡量使比例ε增大??刂撇呗酝ㄟ^(guò)電池SOC值控制增程器啟停,一方面,為了避免電池深度放電而導(dǎo)致電池壽命降低,設(shè)定的SOC下限值不能過(guò)小;另一方面,若單純縮小電池SOC的變化范圍,又會(huì)導(dǎo)致增程器啟停頻繁,在發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)排放較多且振動(dòng)較大,導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性下降[5]。因此,本文優(yōu)化策略的核心思想是合理控制電池SOC值的變化范圍,同時(shí)減少增程器的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間,以增加全里程內(nèi)純電動(dòng)行駛里程的比例。

        3控制策略優(yōu)化

        31短途模式

        原有的控制策略中電池SOC值的變化范圍為03~07。本文設(shè)置的短途行駛距離為90 km,在短途模式下,可以通過(guò)提前開(kāi)啟或提前關(guān)閉增程器來(lái)減少增程器的運(yùn)行時(shí)間,此種優(yōu)化策略縮小了電池SOC值的變化范圍,到達(dá)目的地時(shí)電池SOC值剛好到達(dá)設(shè)定的下限值,保證車(chē)輛停止后能及時(shí)利用外接電源充電。如圖2~圖3所示,增程器提前開(kāi)啟和提前關(guān)閉時(shí),純電里程都有所增加,根據(jù)式(1)~式(3)計(jì)算,ε提高了133%。

        圖2增程器提前開(kāi)啟

        圖3增程器提前關(guān)閉

        32長(zhǎng)途模式

        短途模式中的優(yōu)化思想不能簡(jiǎn)單應(yīng)用于長(zhǎng)途行駛模式,縮小電池SOC值變化范圍能使增程器的單次工作時(shí)間減少,但會(huì)導(dǎo)致增程器的啟停次數(shù)增多,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng),長(zhǎng)途行駛時(shí)不能達(dá)到優(yōu)化目的。因?yàn)殡姵豐OC直接決定了汽車(chē)純電動(dòng)續(xù)駛能力,基于上述思想,提出新策略如下:延長(zhǎng)E-REV行車(chē)充電時(shí)間,以換取下一次較長(zhǎng)的純電行駛里程,雖然增程器單次工作時(shí)間延長(zhǎng),但在整個(gè)行駛過(guò)程中累計(jì)運(yùn)行時(shí)間變短,并可以減少增程器啟停次數(shù);在增程器最后一次運(yùn)行時(shí)可提前關(guān)閉,之后汽車(chē)以純電動(dòng)行駛到達(dá)目標(biāo)里程,且保證到達(dá)目標(biāo)里程時(shí)SOC值≥03,避免電池深度放電,使車(chē)輛停止后能及時(shí)利用外接電源充電。汽車(chē)行駛里程、電池SOC初值、下限值和(1)~(3)式中條件不變,優(yōu)化后設(shè)SOC上限值為SOC1,增程器最后一次運(yùn)行提前關(guān)閉時(shí)SOC值為SOC2,有下式endprint

        D=70λ1+(n-1)(SOC1-30)(λ2+λ3)+(SOC2-30)(λ2+λ3)(4)

        目標(biāo)里程D為已知條件,到達(dá)目標(biāo)里程時(shí)SOC值等于03,SOC1和SOC2滿足關(guān)系式(4),可通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)調(diào)整它們的大小以滿足行車(chē)?yán)锍獭nA(yù)設(shè)汽車(chē)長(zhǎng)途行駛里程為300 km,選定NEDC工況,在原有的控制策略下,仿真結(jié)果如圖4所示。

        圖4優(yōu)化前

        在Simulink中導(dǎo)入新的控制策略,將模型轉(zhuǎn)化成dll文件與Cruise進(jìn)行聯(lián)合仿真,通過(guò)計(jì)算調(diào)整SOC變化范圍值,優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示。

        圖5優(yōu)化后

        通過(guò)仿真,在滿足在目標(biāo)里程約束條件下,結(jié)合式(4)計(jì)算并調(diào)整SOC1和SOC2值,最終得到的SOC1和SOC2值分別為0823和0710,參數(shù)λ1、λ2、λ3分別為106、046、104,優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如表1所示。

        表1優(yōu)化前后對(duì)比(%)

        優(yōu)化前優(yōu)化后

        啟動(dòng)次數(shù)43

        純電里程比ε70.7675.39

        ε增加百分比04.63

        由上表可知,新策略同時(shí)完成了增程器啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化,在行駛過(guò)程中增程器啟停次數(shù)減少一次,運(yùn)行時(shí)間減少,純電動(dòng)里程增加。因此,汽車(chē)行駛經(jīng)濟(jì)性和排放性能得到了提升。

        4結(jié)束語(yǔ)

        以某款E-REV為研究對(duì)象,以目標(biāo)里程和電池SOC值為約束條件,分別提出了短途和長(zhǎng)途行駛模式下增程器啟??刂频男虏呗?,并通過(guò)Cruise/Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證了策略的可行性,達(dá)到了優(yōu)化目的。但是,本文提出的新控制策略受目標(biāo)里程和行駛工況的影響較大,目標(biāo)里程和行駛工況改變時(shí)可能達(dá)不到優(yōu)化效果,但本文為汽車(chē)常用路徑和工況行駛下[6]的控制策略提供了理論研究基礎(chǔ)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]TATE E D, MICHAEL O H, PETER J S. The electrification of the automobile:from conventional hybrid, to plug-in hybrids, to extended-range electric vehicles[C]//SAE, 2008(58):1-4.

        [2]黃欣,陳凌珊. 基于Cruise的增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配與性能仿真[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,(5):56-60.

        [3]李孟良,朱西產(chǎn),張建偉,等. 典型城市車(chē)輛行駛工況構(gòu)成的研究[J]. 汽車(chē)工程,2005(5):557-560.

        [4]陳長(zhǎng)紅. 增程式電動(dòng)汽車(chē)控制策略的研究[D].錦州:遼寧工業(yè)大學(xué),2013.

        [5]張博彥,雷艷,周大森. 混合電動(dòng)車(chē)輔助動(dòng)力系統(tǒng)噪聲控制[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2005(6):64-66.

        [6]于瀛霄,張煒航,王天利. 常用路徑及工況下增程式電動(dòng)汽車(chē)能量控制策略研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(4):104-107.

        (責(zé)任編輯:李麗,范君)endprint

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