亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        鋰電池壽命與整車節(jié)能雙目標(biāo)優(yōu)化的FCEV能量管理策略

        2021-03-01 03:15:20杜鵬英
        實驗室研究與探索 2021年12期
        關(guān)鍵詞:鋰電池燃料電池電動機

        杜鵬英,李 靜,陳 慧

        (浙大城市學(xué)院信電學(xué)院,杭州 310015)

        0 引言

        燃料電池混合動力汽車具有零排放和高效的優(yōu)點[1-4],特別適合于城市客車和旅游車[5],目前燃料電池汽車一般都采用混合驅(qū)動模式,即在燃料電池基礎(chǔ)上,增加蓄電池或超級電容作為輔助動力[6],以滿足汽車的驅(qū)動動力。

        在混合動力汽車整車控制中,能量管理策略是整車控制的核心[7-8]。氫燃料電池和鋰電池混合動力車(Fuel Cell Lithium Battery Hybrid Electrical Vehicle,F(xiàn)CEV)的能量管理策略主要有兩類,即使用規(guī)則(或模糊規(guī)則)的能量分配以及建立模型的優(yōu)化算法。在第1 類算法中,例如文獻[8]中以電動機需求功率和蓄電池荷電轉(zhuǎn)態(tài)(State of Charge,SoC)值為輸入量,決定蓄電池的穩(wěn)態(tài)輸出功率,剩余功率由燃料電池承擔(dān),本質(zhì)上是規(guī)則的查表模式。文獻[9]中提出一套功率分配規(guī)則,并將規(guī)則描述為一張流程圖。文獻[10-13]中使用模糊邏輯算法,以等效能耗最小為目標(biāo),根據(jù)需求功率和SoC值,建立模糊規(guī)則算法分配能量。

        第2 類算法中,一般以等效能耗最小為指標(biāo),建立整車功率模型,尋求最佳能量分配輸出。例如文獻[9]中采用瞬時優(yōu)化策略,在一個控制周期內(nèi),將動力電池和燃料電池的能耗標(biāo)定為一個目標(biāo)函數(shù),實現(xiàn)蓄電池和燃料電池的能量分配方案。還有一種構(gòu)建模型的全局優(yōu)化,例如文獻[13-14]中采用馬爾科夫鏈建立駕駛員需求功率概率模型,以等效能耗最小為目標(biāo)函數(shù)進行功率分配,在實際行車中再修正概率模型。還有其他一些算法,例如模擬退火、遺傳算法等,采用這些算法的前提條件是要預(yù)知未來的工況,在實際應(yīng)用中只能作為靜態(tài)的參考性評估基準(zhǔn)[15-17]。

        在以上的研究中,主要考慮整車等效能耗最少,而較少考慮電池的壽命。動力蓄電池(尤其是鋰電池)生產(chǎn)成本較高、價格不菲,多報廢一塊電池則增加了整車成本,而且報廢的蓄電池回收很困難,會對環(huán)保造成壓力,把延長電池壽命納入總體綜合考慮范圍。本文研究燃料電池/鋰電池FCEV的能量分配算法,在電動機需求功率和電池SoC 值的約束規(guī)則下,提出一種最優(yōu)化的指標(biāo),指標(biāo)蘊含了燃料電池能耗(效率)與鋰電池壽命指數(shù)2 個參數(shù),根據(jù)此最優(yōu)化指標(biāo)進行能量分配,將計算結(jié)果離散為表格置入整車控制器中,實現(xiàn)FCEV的能量分配最優(yōu)控制。

        1 燃料電池混合動力車功率分配

        燃料電池混合動力汽車的動力系統(tǒng)包括電動機、燃料電池、60Ah 的鋰電池、DC/DC 轉(zhuǎn)換器等,各部件之間通過電氣母線實現(xiàn)物理連接。燃料電池作為主能量源,由于燃料電池動態(tài)特性比較軟,不能提供瞬間啟動、加速、爬坡時的大功率,由鋰電池補足其電流,也吸收燃料電池多余功率以及回收制動能量等,鋰電池瞬時電流可達額定電流的10 倍左右。FCEV 的動力結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

        圖1 FCEV動力結(jié)構(gòu)簡圖

        圖中各變量定義如下:Pm為電動機需求功率;Pbus為母線輸出功率;Pb為鋰電池輸出功率;ηfc為燃料電池效率;ηdc為DC/DC轉(zhuǎn)化效率;ηm為電動機效率。

        功率流程關(guān)系如下:

        因此,

        由式(4)可見蓄電池功率與燃料電池輸出功率之間的關(guān)系。當(dāng)需求功率Pm確定以后,根據(jù)功率分配規(guī)則以及綜合指標(biāo)最優(yōu)計算,在上式的約束條件下,得到二者功率的分配值。

        由于二者的電壓基本恒定(48 V),因此根據(jù)功率可計算出各自的輸出電流,通過調(diào)節(jié)DC/DC 的PWM和燃料電池的調(diào)節(jié)閥門,調(diào)節(jié)各自的輸出電流,共同為電動機供電。

        2 需求功率的計算

        2.1 駕駛員意圖解釋分析

        在國內(nèi)外研究中,一般都是將駕駛員意圖解釋為電動機功率(基本正比于電樞電流),即需求功率直接正比于踏板開度,舉例而言:在速度為零時踩下50%的踏板,則解釋為50%的轉(zhuǎn)矩,即以50%的加速度加速,而實際上駕駛員希望得到50%的速度,在啟動的時候應(yīng)當(dāng)以100%的加速度加速。文獻[14]中已經(jīng)注意到這個問題,提出:當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速接近零的時候,較小的踏板開度應(yīng)解釋為較大的轉(zhuǎn)矩(電流)以克服起步阻力,一旦起步后轉(zhuǎn)矩應(yīng)迅速下降,使汽車起步比較平穩(wěn),符合駕駛員起步意圖。并給出在幾種不同油門開度命令情況下,期望輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的一族非線性曲線。如圖2 所示。

        圖2 輸出轉(zhuǎn)矩曲線

        該研究者認(rèn)為,期望轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)隨著電動機轉(zhuǎn)速的升高而非線性地減小,當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到期望值,即使開度為100%,輸出轉(zhuǎn)矩也應(yīng)當(dāng)降到0,把油門開度與期望速度緊密相關(guān)聯(lián),但是并未通過精確的計算明確開度和期望速度的數(shù)學(xué)關(guān)系,使得曲線配置有些不方便,另外,對于不同的負載(例如爬坡),期望轉(zhuǎn)矩曲線也應(yīng)當(dāng)有所變化。

        2.2 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

        根據(jù)以上對車輛行駛分析,駕駛員意圖實際上體現(xiàn)了對速度的要求。本文提出新的駕駛意圖解釋,并由此設(shè)計如下的閉環(huán)功率計算和分配算法,要點如下:

        (1)將駕駛員意圖解釋為需求車速vr,即需求車速與踏板開度成單調(diào)增接近正比關(guān)系。

        (2)采用帶限幅的PI 控制器計算出需求輸出功率,使驅(qū)動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,母線電流平滑、可控、超調(diào)小、自動限速,并能方便實現(xiàn)對電池的壽命保護。相對于將開度解釋為需求功率,其啟動速度會略有下降,可通過調(diào)節(jié)啟動階段的控制參數(shù)進行補償。

        (3)根據(jù)PI 控制器計算出的需求功率Pm,再根據(jù)本文的能量分配優(yōu)化算法,計算出燃料電池能提供的功率Pfc和鋰電池能提供的Pb,以及二者的輸出電流,從而調(diào)節(jié)各自的電流輸出,二者一起為電動機供電。速度控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

        圖3 速度控制結(jié)構(gòu)框圖

        2.3 需求車速的計算

        設(shè)踏板開度為α(0~1),車輛限速值為vmax,則當(dāng)前需求速度:

        式中:vmax為當(dāng)前負載下的限速值;vmax_N為額定限速值;TL為當(dāng)前負載轉(zhuǎn)矩;TN為額定負載轉(zhuǎn)矩;Im為電樞電流;CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù);B為黏滯系數(shù);ω 為電動機角速度;J為轉(zhuǎn)動慣量。

        式(5)是需求車速與當(dāng)前開度以及當(dāng)前限速的關(guān)系;式(6)是當(dāng)前最大限速與額定最大限速的關(guān)系,由于系統(tǒng)最大輸出功率是一定的,因此最大限速與當(dāng)前負載轉(zhuǎn)矩TL成反比;式(7)是電動機的動力學(xué)方程。根據(jù)式(6)、(7)可得vmax,再根據(jù)式(5)可得vr。

        在式(5)中加入指數(shù)環(huán)節(jié)(1 -e-3α)是為了使在踏板值較大時,增強需求車速的平滑性,防止振蕩,而在踏板值較小時提高敏感度,這是根據(jù)駕駛實測數(shù)據(jù)和人體工效需求而得出的經(jīng)驗公式,這樣的特性更符合行駛實際情況。本課題研究的是燃料電池游覽車,當(dāng)vmax_N=40 km/h,TL=TN時,需求車速與踏板開度的關(guān)系如圖4 所示:

        圖4 需求車速-踏板開度曲線

        當(dāng)車輛處于上坡情況或負載較重時,限速值vmax應(yīng)當(dāng)有所下降,所以按照式(6)可計算出當(dāng)前的負載轉(zhuǎn)矩(式中各參數(shù)可辨識獲得),按式(7)計算出重載時的限速值,例如TL=1.5TN時,vmax=26.7 km/h,從而實現(xiàn)自動換擋。

        限速值可進行一定的步長分檔(例如5 km/h 為一等級),避免頻繁的限速切換。

        3 功率的最優(yōu)分配方案

        3.1 能量分配的原則和規(guī)則

        能量分配既要控制車行速度,也要保證電池的使用安全,在滿足以上的情況下盡量使系統(tǒng)的效率最高、電池的使用壽命最長。因此,確定系統(tǒng)的能量分配原則如下:

        (1)保證燃料電池和鋰電池的安全;

        (2)保證車輛平穩(wěn)啟動及正常行駛;

        (3)當(dāng)車輛下坡(反充電)或者停車期間,電池SoC值低于最佳區(qū)上限時,F(xiàn)C對鋰電池充電;

        (4)當(dāng)鋰電池SoC 值低于最佳區(qū)下限,而車輛正常行駛或者啟動時,由FC 單獨承擔(dān)功率,若達不到需求功率,則給出相應(yīng)信號,車輛減速乃至停車,保護鋰電池安全;

        (5)當(dāng)鋰電池SoC 值高于最佳區(qū)下限,且車輛正常行駛或啟動時,由FC和鋰電池共同承擔(dān)功率,其功率分配由最優(yōu)化算法得到,詳見3.3(3)。

        由以上原則確定能量分配規(guī)則,定義鋰電池SoC值節(jié)點和電動機需求功率的不同節(jié)點

        SoC1:最佳工作區(qū)域下限。低于此值則鋰電池停止工作(一般為20%);

        SoC2:最佳工作區(qū)域上限。大于此值時鋰電池停止被充電(一般為80%);

        Pm1:燃料電池單獨提供功率時的最大電動機需求功率;

        Pm2:電動機最大需求功率(一般是啟動功率)。

        能量分配總規(guī)則見表1,其中fc 表示燃料電池,b表示鋰電池。

        表1 能量分配總規(guī)則

        3.2 FC、B同時工作區(qū)能量最優(yōu)計算分析

        由表1 可見,在功率需求較大且鋰電池SoC 值不低于最低值時,fc和b同時工作,則需要分配好FC 和B的功率。

        將系統(tǒng)總體耗能最小和鋰電池壽命最長二者都納入考慮范圍。系統(tǒng)耗能最小可以歸結(jié)為燃料電池效率值最高,因為燃料電池效率波動大,且經(jīng)過DC/DC 轉(zhuǎn)換,而鋰電池是直接向母線供電,不用考慮效率而應(yīng)主要考慮其壽命。鋰電池壽命可由壽命曲線獲得。本文引入雙目標(biāo)函數(shù),函數(shù)中包含整車效率以及鋰電池的壽命指數(shù),在功率約束條件下,在每一個需求功率的離散值,通過計算機求解獲得最佳功率分配,使目標(biāo)函數(shù)達到最大值。

        3.3 目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造

        (1)燃料電池效率。燃料電池的效率如圖5 所示,由圖可見,燃料電池的效率最高值約為0.8,當(dāng)功率為0.3 kW時達到最大。0.3~2.7 kW間是高效工作區(qū),2.7 kW以上則特性變得較軟,效率迅速降低。

        圖5 燃料電池效率曲線

        (2)鋰電池壽命指數(shù)。鋰電池最佳供電電流為0.7C(C為鋰電池的額定電流),在其兩側(cè),則逐漸下降,其放電壽命(σb)曲線如圖6 所示。

        圖6 鋰電池放電壽命曲線(p.u.)

        鋰電池的壽命長短還與其充放電次數(shù)有關(guān),但充放電次數(shù)與整車工作時長、作功總量相關(guān),這是由車輛使用所決定,而無法通過功率(或電流)分配算法改變,因此,在以下的討論中,其壽命參數(shù)以壽命指標(biāo)(σb)為代表。

        (3)雙目標(biāo)函數(shù)及約束條件。根據(jù)燃料電池和鋰電池二者綜合效能指標(biāo)最優(yōu),并考慮鋰電池的SoC 值對其放電性能的影響,本項目中構(gòu)造如下效能函數(shù):

        式中,σ為整車效能綜合指標(biāo)。式(8)右邊第1 項為效率,分子為最后輸出功率,分母為輸入功率。ηb為鋰電池等效效率,因為鋰電池的電量來自于燃料電池通過DC/DC充電電量,充電電流設(shè)定為鋰電池最佳值0.5C(即30 A),從而得到等效的效率為:

        從需求功率來說,課題所選擇的電動機其額定功率為PN=5 kW,最大啟動功率為16.8 kW。燃料電池最大輸出功率為5 kW。鋰電池為60 Ah,最大瞬時輸出電流10 C,母線電壓為48 V 時,最大輸出功率28.8 kW。

        在指定需求功率為Pm的情況下,求解下述問題:

        已知條件

        需求功率為Pm(0~16.8 kW)

        目標(biāo)函數(shù)

        這屬于非線性約束條件下的非線性極值求解問題。由于約束條件與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系只能用實測曲線的點進行描述。因此,本極值問題需通過計算機搜索求解。在本例中,采用步長加速法進行最小值的搜索。

        3.4 最優(yōu)化計算結(jié)果

        使Pm在0~16.8 kW之間變化,精度為0.1 kW。在以0.1 為步長的SoC 值下進行仿真計算,在式(8)中,以SoC =0.8 為例,在Matlab中進行計算,以Pm為橫坐標(biāo),Pfc、Pb為縱坐標(biāo),繪出曲線如圖7 所示,并繪出整車效率曲線和B的壽命曲線如圖8 所示。

        圖7 FC和B的功率分配曲線(本算法)

        圖8 FC效率和B的壽命曲線(本算法)

        3.5 原有算法的功率分配

        在原有算法中,不考慮鋰電池的壽命,只考慮整車的效率。即在式(8)中取消第2 項。其功率分配以及效率分別如圖9、10 所示。

        圖9 fc和b的功率分配曲線(原算法)

        3.6 在城市行車工況下的功率和效率變化曲線

        在城市普通行車工況下,控制器輸出需求功率,根據(jù)優(yōu)化算法進行分配,以及原有算法進行分配,整車效率和鋰電池壽命對比分別如圖11~14 所示。

        圖10 fc效率和b的壽命曲線(原算法)

        圖11 工況下fc和b的功率曲線(本算法)

        圖12 工況下fc和b的功率曲線(原算法)

        圖13 工況下fc效率和b壽命曲線(本算法)

        圖14 工況下fc效率和b壽命曲線(原算法)

        在行車期間,燃料電池和鋰電池的輸出平均功率和平均效率,見表2。

        表2 本算法與原有算法效能之對比

        4 結(jié)語

        本文針對燃料電池和鋰電池混合動力電動車,研究了能量管理算法,采用基于規(guī)則和效率、壽命指數(shù)復(fù)合最優(yōu)算法,在相同的行車和需求功率情況下,與未使用優(yōu)化算法相比,整車效率幾乎相等,而鋰電池壽命指數(shù)卻提高了5%,降低了系統(tǒng)總成本,減少了由于電池報廢造成的環(huán)境污染,該優(yōu)化策略對FCEV 能量管理具有一定的借鑒價值。

        猜你喜歡
        鋰電池燃料電池電動機
        淺析電動機日常維護與保養(yǎng)
        防爆電機(2021年4期)2021-07-28 07:42:56
        永磁同步電動機的節(jié)能計算
        燃料電池題解法分析
        試駕豐田氫燃料電池車“MIRAI未來”后的六個疑問?
        車迷(2017年12期)2018-01-18 02:16:11
        燃料電池的維護與保養(yǎng)
        電子制作(2017年10期)2017-04-18 07:23:13
        基于SVM的鋰電池SOC估算
        基于KB0的電動機軟啟動控制系統(tǒng)
        電動機的保護配合及CPS在民用建筑中的應(yīng)用
        一種多采樣率EKF的鋰電池SOC估計
        Hyundai公司的iX35燃料電池車
        亚洲暴爽av人人爽日日碰| 国产精品久久久在线看| 成人免费无码大片a毛片抽搐色欲| 国产卡一卡二卡三| 偷看农村妇女牲交| 亚洲精品久久中文字幕| 精品人妻无码中文字幕在线| 亚洲成av在线免费不卡| 开心久久综合婷婷九月| 国产边摸边吃奶叫床视频| 亚洲一区中文字幕在线电影网 | 久久国产亚洲中文字幕| 白白色发布在线观看视频| 精品久久久久久久久午夜福利| 国产色综合天天综合网| 欧美综合图区亚洲综合图区| 精品国产三区在线观看| 色综合久久无码五十路人妻| 人成午夜免费大片| 人片在线观看无码| 亚洲av熟女中文字幕| 日本乱偷人妻中文字幕| 91精品福利一区二区| 亚洲精品在线观看一区二区| 91成人自拍在线观看| 久久成人国产精品| 久久精品中文字幕极品| 日本一区二区三区免费| 天天躁日日躁aaaaxxxx| 八戒网站免费观看视频| 日韩Va亚洲va欧美Ⅴa久久| 亚洲精品中文字幕导航| 久久久久久亚洲av无码蜜芽| 欧美精品中文字幕亚洲专区| 少妇人妻偷人中文字幕| 久久精品丝袜高跟鞋| 日日碰狠狠添天天爽超碰97| 亚洲AV无码成人精品区日韩密殿| 亚洲一品道一区二区三区| 男人进去女人爽免费视频 | 欧美精品人人做人人爱视频|