楊 凡

(廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511450)

現(xiàn)代車輛的服務(wù)廣泛使用各類輔助設(shè)備為用戶提供舒適服務(wù)，例如空調(diào)為用戶提供制冷或制熱服務(wù)，但這些設(shè)備通常占用發(fā)動(dòng)機(jī)總負(fù)荷并消耗一部分燃料。以冷藏運(yùn)輸卡車為例，空調(diào)設(shè)備消耗的總油箱燃料高達(dá)四分之一，而長(zhǎng)途車輛則消耗更多。通常情況下，當(dāng)車輛停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須為這些輔助系統(tǒng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，以維持其特殊功能的動(dòng)力。柴油機(jī)的空轉(zhuǎn)效率通常高達(dá)40%，但是當(dāng)燃料添加物更多時(shí)，效率會(huì)下降到1-11%，這就是許多國(guó)家/地區(qū)制定相關(guān)的法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)制定了更為嚴(yán)格的規(guī)定的原因，從而迫切需要汽車學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員采取措施來消除怠速。電動(dòng)汽車(Electric Vehicles，EV)和混合電動(dòng)汽車(Hybrid Electric Vehicles，HEV)中儲(chǔ)能系統(tǒng)Energy Storage Systems，ESS(電池)的發(fā)展使輔助系統(tǒng)能夠獨(dú)立供電[1]。這意味著使用此類ESS時(shí)車輛中的輔助設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)電氣化，以這種方式，可以消除由于在車輛停止時(shí)為輔助設(shè)備供電而造成的空轉(zhuǎn)，從而大大提高了汽車系統(tǒng)的性能和效率。盡管近年來已經(jīng)引入了多種類型的防空轉(zhuǎn)產(chǎn)品來減少這種空轉(zhuǎn)，但是仍然需要進(jìn)行許多改進(jìn)。結(jié)果提出的最佳再生輔助動(dòng)力系統(tǒng)(Regenerative Auxiliary Power System，RAPS)不僅滿足了輔助動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)防空轉(zhuǎn)的要求，而且還充分利用了回收的制動(dòng)能量來進(jìn)一步提高能量效率。

如圖1所示的RAPS中，ESS被集成到貨車的動(dòng)力總成中，并且能夠?yàn)檩o助設(shè)備單獨(dú)供電。當(dāng)使用交流發(fā)電機(jī)或增加的發(fā)電機(jī)在電池中制動(dòng)時(shí)，RAPS具有收集和節(jié)省一部分動(dòng)能的功效。交流發(fā)電機(jī)通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)組裝在一起，而發(fā)電機(jī)則通過取力器(Power Take-Off，PTO)固定在變速器上。同時(shí)，當(dāng)整體電源管理控制器(Power Management Controller，PMC)需要能源時(shí)，可以通過引擎或插入式電力對(duì)電池進(jìn)行智能充電。因此，電池的主要優(yōu)點(diǎn)是可以有效利用再生能量或發(fā)動(dòng)機(jī)能量，從而使輔助設(shè)備帶電。以此方式，RAPS即可與現(xiàn)有的同類設(shè)備(例如，輔助電池供電系統(tǒng)(ABP)或輔助電源單元(APU))進(jìn)行區(qū)分。

圖1 帶有RAPS的動(dòng)力總成示意圖

1 相關(guān)研究成果

RAPS的組件尺寸必須進(jìn)行優(yōu)化，由于需要將該組件安裝在不同的車輛中，因此采用了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)策略來確定主要組件的大小。同時(shí)，在將優(yōu)化的RAPS引入貨車后，由于增加了ESS，新的動(dòng)力總成變成了類似并聯(lián)的混合動(dòng)力車，而事實(shí)上，增加的電池僅驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)而不是給車輛提供動(dòng)力使其不同于普通的并聯(lián)混合動(dòng)力總成。但是，需要PMC來確定如何以及何時(shí)給電池充電。在本文中，輔助系統(tǒng)是為送貨卡車的制冷系統(tǒng)，結(jié)合制冷系統(tǒng)的電源管理策略和節(jié)能控制器開發(fā)了一種整體控制器。

發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)是造成空氣污染、噪聲污染以及健康問題的主要原因，因此，迫切需要注意消除空轉(zhuǎn)。由于交通運(yùn)輸業(yè)對(duì)降低污染和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的迫切需求，近來已經(jīng)出現(xiàn)了許多反怠速技術(shù)[2]。根據(jù)相關(guān)研究成果，采用兩種分類方法來對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行分類。一方面，從位置的角度來看，稱為移動(dòng)式或固定式；另一方面，基于功能、產(chǎn)品被定義為部分功能和全部功能[3]。

便攜式類型位于車輛上，包括APU、ABP、自動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉裝置以及為執(zhí)行特定功能而開發(fā)的其他部件，例如對(duì)臥鋪車廂的加熱和冷卻。其中，ABP和APU是全功能型的，因?yàn)樗鼈兡軌蛲耆峁┧璧墓β?，而其他ABP和APU則是由于它們的臨時(shí)能力有限(例如，冷卻或加熱)而被稱為部分功能型。同時(shí)，卡車司機(jī)可以從那里獲得服務(wù)，例如電力、供暖/制冷或互聯(lián)網(wǎng)、固定產(chǎn)品也指卡車?？侩姎饣?Truck Stop Electrification，TSE)系統(tǒng)，分為車載產(chǎn)品和非車載產(chǎn)品。前者(例如CabAire LLC和Shorepower Technology)需要在車輛中安裝冷卻或加熱系統(tǒng)和配件，而后者(例如Envirodock，IdleAire和AireDock)則通過外部設(shè)備提供電，冷卻和加熱[4]。

優(yōu)化后的RAPS與同類產(chǎn)品相比具有主要優(yōu)勢(shì)：首先，由于沒有額外的引擎，經(jīng)過優(yōu)化的RAPS比現(xiàn)有的APU更加干凈、安靜。其次，盡管優(yōu)化后的RAPS與ABP相似，但它仍能夠獲得制動(dòng)能量。因此，相對(duì)較小的ESS能夠容易地滿足要求，并且僅需要較小的發(fā)動(dòng)機(jī)功率即可充電，從而降低了成本。此外，設(shè)計(jì)的整體PMC將以最大效率監(jiān)督RAPS的工作。此外，由于成本極高，混合動(dòng)力服務(wù)車輛仍未被廣泛使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)從數(shù)量上研究了常規(guī)卡車輔助設(shè)備的電氣化所帶來的節(jié)油效益。為了研究車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，通過組合幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)來創(chuàng)建一個(gè)駕駛循環(huán)，循環(huán)時(shí)間如圖2所示。該駕駛循環(huán)可用于表示典型貨車的日常駕駛信息。周期描述如下：上午10:00，卡車在倉(cāng)庫(kù)中裝載約15分鐘，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的高速公路和城市行駛路線到兩家零售店交貨。但是，為了使貨物(例如，蔬菜和水果)保持新鮮，無論卡車處于裝卸還是正在移動(dòng)，制冷系統(tǒng)都應(yīng)始終運(yùn)轉(zhuǎn)。在裝載/卸載期間，常規(guī)卡車不移動(dòng)，但應(yīng)保持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)為制冷系統(tǒng)提供動(dòng)力。因此，與等待紅燈時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速相比，在裝載/卸載期間的怠速持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)并且排放更多的污染物[5-7]。

圖2 組合行駛周期圖

為了簡(jiǎn)化研究，假設(shè)制冷系統(tǒng)的標(biāo)稱功率為2kW。表1中列出了平均驅(qū)動(dòng)功率和輔助功率，其中將典型城市駕駛周期(UDDS)和建議的駕駛周期中車輛的平均驅(qū)動(dòng)功率與輔助設(shè)備消耗的功率進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：輔助功率較低，因此，該車輛可稱為輕型服務(wù)車輛。

表1 驅(qū)動(dòng)功率和輔助功率

2.1 算法設(shè)計(jì)

該算法設(shè)計(jì)目的是使用系統(tǒng)模型來找到最佳組件尺寸和適當(dāng)?shù)碾娫垂芾聿呗?。組件模型應(yīng)該是通用、模塊化和靈活的，以便優(yōu)化程序可以輕松地對(duì)其進(jìn)行修改。在該研究中，使用建模方法來減少零部件和車輛系統(tǒng)不必要的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，從而減少了計(jì)算時(shí)間[9]。

如圖3所示，優(yōu)化算法根據(jù)車輛規(guī)格更新系統(tǒng)模型。該算法使用行駛周期、服務(wù)周期(即輔助功率曲線)和設(shè)計(jì)變量(即組件尺寸和適當(dāng)?shù)某潆姴呗宰兞?作為輸入。使用更新的模型和輸入，可以模擬系統(tǒng)操作，以燃油和電力消耗的形式計(jì)算車輛的能耗。仿真結(jié)果將轉(zhuǎn)移到目標(biāo)函數(shù)J，以評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的成本。根據(jù)總系統(tǒng)成本(目標(biāo)函數(shù))的變化，該算法在可行域中選擇一組更新的變量，然后重復(fù)整個(gè)過程，直到達(dá)到最佳變量為止。

圖3 具有整體控制器的RAPS的結(jié)構(gòu)

J=(Fuelconsumed×Fuelcost+Plug_inenergy×Electricitycost)

×Daysactive×Years+Batterybanks×Batterycost+Accessorycost

表2說明了本研究中J的所有變量及其描述。選擇用于設(shè)計(jì)RAPS的最佳選項(xiàng)。根據(jù)電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中常規(guī)電池組的生命周期，假定該電池組可以持續(xù)使用將近5年(在服務(wù)車輛的工作狀態(tài)下為260天/年)，而無需進(jìn)行更換。

表2 目標(biāo)函數(shù)變量的描述

使用該模型和目標(biāo)函數(shù)在5年內(nèi)最大化RAPS的效益可以計(jì)算出目標(biāo)服務(wù)車輛的組件大小。當(dāng)考慮圖2中的輸入驅(qū)動(dòng)周期時(shí)，通過遺傳算法獲得的優(yōu)化算法結(jié)果表明，在標(biāo)稱電壓為12V，容量為520Ah時(shí)，最佳充電策略還可以防止電池達(dá)到30%的放電深度。為了獲得最佳的RAPS，最初的投資將在2-3年后收回，這是電池預(yù)期壽命的一半。

2.2 RAPS的整體控制器開發(fā)及驗(yàn)證

在上述模型和參數(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于MPC的整體控制器，以優(yōu)化電池充電并優(yōu)化汽車電子輔助系統(tǒng)消耗的能量。文獻(xiàn)[10]中已經(jīng)在車輛系統(tǒng)中使用了不同的高級(jí)控制策略。但是，整個(gè)系統(tǒng)的緩慢動(dòng)態(tài)適合于MPC的實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此實(shí)際周期仍可以遵循標(biāo)稱周期，但與標(biāo)稱周期并不完全一致。由于未來的駕駛信息是未知的，因此唯一可預(yù)測(cè)的知識(shí)是標(biāo)稱駕駛周期。一旦在開發(fā)MPC期間擴(kuò)大了用于預(yù)測(cè)的步長(zhǎng)，將抵消由名義周期的負(fù)偏差和正偏差對(duì)狀態(tài)預(yù)測(cè)的影響，這將使兩種狀態(tài)的預(yù)測(cè)軌跡相似。此外，將擴(kuò)大預(yù)測(cè)范圍，以使解決方案和全局最優(yōu)解更加接近，而不會(huì)產(chǎn)生額外的計(jì)算成本。

一旦獲得了最佳軌跡，就僅將其第一個(gè)元素送入執(zhí)行器，以在下一個(gè)瞬間操作設(shè)備。然后，MPC利用新數(shù)據(jù)重復(fù)整個(gè)過程。如圖3顯示了帶有整體控制器的RAPS的演示。所提出的整體控制器起著四個(gè)主要作用，即在所有發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉條件下保證電池中有足夠的能量，命令再生制動(dòng)，將制冷系統(tǒng)的能耗降至最低，并確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否以及何時(shí)給電池充電，以使整體效率最大化。

針對(duì)以上關(guān)于RAPS的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)分析對(duì)本文所提算法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)過程及結(jié)果如下：

如圖4所示為2.5小時(shí)的實(shí)際駕駛周期，在整個(gè)行駛周期中，對(duì)于貨車來說，作為主要輔助設(shè)備的制冷系統(tǒng)消耗的能量要比其余輔助設(shè)備多得多。制冷系統(tǒng)的功率隨運(yùn)行條件和環(huán)境變化而變化。

圖4 標(biāo)稱和實(shí)際行駛周期

使用與行駛周期相同的方法，獲取具有干擾的實(shí)際服務(wù)周期，如圖5所示，包括加熱負(fù)載(HL)和環(huán)境溫度。HL與溫度差成正比，此外，由于經(jīng)常在現(xiàn)有HL上開門以形成名義上的HL，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的HL。

圖5 環(huán)境溫度和加熱負(fù)載(HL)

3 結(jié)論

本文為再生輔助電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)整體控制器MPC，該系統(tǒng)組裝在傳統(tǒng)的貨運(yùn)卡車動(dòng)力總成中，以使其輔助系統(tǒng)電氣化以實(shí)現(xiàn)防怠速并最大程度地提高更新動(dòng)力總成的能源效率。本文簡(jiǎn)要介紹了RAPS的總體結(jié)構(gòu)以及模型，同時(shí)還驗(yàn)證了控制器的魯棒性。研究結(jié)果表明，在預(yù)測(cè)的駕駛周期與實(shí)際周期不同的情況下，所設(shè)計(jì)的MPC也與最優(yōu)的性能相似。