丁鈺航，宋 珂

(同濟(jì)大學(xué),上海 201804)

0 引 言

近年來(lái)，隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的逐漸突出，人們對(duì)環(huán)保的需求逐漸增加，排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也逐漸提高，因此，越來(lái)越多的商用車采用動(dòng)力電池作為動(dòng)力來(lái)源。采用動(dòng)力電池作為車輛的動(dòng)力源具有節(jié)能環(huán)保、減少排放等優(yōu)點(diǎn)。然而，電動(dòng)汽車仍具有續(xù)航里程短、電池適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)制約了電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用。為了提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能并增加其續(xù)航里程，有必要對(duì)電動(dòng)汽車的能量管理策略進(jìn)行研究。

提出了一種基于瞬時(shí)優(yōu)化的純電動(dòng)能量管理策略。瞬時(shí)優(yōu)化常用于混合動(dòng)力汽車的能量管理策略。對(duì)于采用雙電機(jī)的純電動(dòng)商用車，瞬時(shí)優(yōu)化方法同樣可以用于確定能量管理策略。提出的能量管理策略首先構(gòu)建了能量損失函數(shù)，對(duì)于任意的需求功率，計(jì)算不同的功率分配方案下的能量損失并進(jìn)行比較，最終確定最優(yōu)的功率分配方案，從而減少動(dòng)力系統(tǒng)的能量損失，提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能。

結(jié)構(gòu)如下：第一章介紹了研究的純電動(dòng)商用車的動(dòng)力系統(tǒng)；第二章對(duì)提出的基于瞬時(shí)優(yōu)化的能量管理策略進(jìn)行了介紹；第三章對(duì)提出的能量管理策略進(jìn)行了仿真測(cè)試；第四章對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行了討論和分析；第五章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 純電動(dòng)商用車動(dòng)力系統(tǒng)

研究對(duì)象為一輛純電動(dòng)商用車。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.所示。研究對(duì)象的動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力電池、作業(yè)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。在車輛處于清掃模式時(shí)，作業(yè)電機(jī)用于清掃作業(yè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。當(dāng)車輛處于行進(jìn)模式時(shí)，兩個(gè)電機(jī)共同用于驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。對(duì)車輛處于行進(jìn)模式時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的能量管理策略。

圖1 本文研究的純電動(dòng)商用車的動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)部件的主要參數(shù)如表1.所示。

表1 本文研究的純電動(dòng)商用車的動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

純電動(dòng)商用車的作業(yè)電機(jī)的效率如圖2所示。

圖2 作業(yè)電機(jī)的效率圖

純電動(dòng)商用車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率圖

2 瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略

2.1 瞬時(shí)優(yōu)化方法介紹

瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略通過(guò)在不同的動(dòng)力來(lái)源之間尋找最優(yōu)的功率分配方法來(lái)減少系統(tǒng)整體的功率損失。對(duì)于由內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力電池作為動(dòng)力源的混合動(dòng)力汽車，該方法通過(guò)比較不同功率分配下內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力電池的功率損失綜合，確定對(duì)于任意需求功率的能量分配方案。本文所研究的純電動(dòng)商用車雖然只配備了一個(gè)動(dòng)力電池作為能量來(lái)源，但由于兩個(gè)電機(jī)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)，因此瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略也可以用于本文研究對(duì)象的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。

2.2 能量損失函數(shù)

為了對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化，需要首先確定優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)如公式(1)，約束條件為公式(2)。

(1)

Preq=Pmotor1+Pmotor2

(2)

其中，Preq是車輛行駛過(guò)程中的需求功率，Pmotor1是電機(jī)1所提供的功率，Pmotor2是電機(jī)2所提供的功率，Ltotal(Pmotor1,Pmotor2)是兩個(gè)電機(jī)的功率損失的總和。

Ltotal(Pmotor1+Pmotor2)=L(Pmotor1)+L(Pmotor2)

(3)

電機(jī)的功率損失為

L(Pmotor)=Pmotor·(1/ηmotor-1)

(4)

對(duì)于任意需求功率，車輛可以以三種模式工作，即電機(jī)1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。因此，可以通過(guò)比較三種模式的功率損失大小，從而確定車輛的工作模式。

當(dāng)兩個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)行星齒輪結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，可以得到如下關(guān)系。

(5)

Tr=kTs

(6)

Tc=-(1+k)Ts

(7)

其中，nc和Tc分別是行星齒輪輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；ns和Ts分別是太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；nr和Tr分別是外部齒輪輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；k為行星齒輪的特征參數(shù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

圖4 CHTC-B工況

在仿真過(guò)程中，車輛行駛時(shí)的需求功率可以通過(guò)公式(8)得到。

Preq=v(ma+Fa+Fr+Fg)

(8)

其中，v為車速，m為整車質(zhì)量，a為車輛加速度，F(xiàn)a為空氣阻力，F(xiàn)r為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)g為坡度阻力。

在得到需求功率后，就可以根據(jù)能量管理策略計(jì)算不同電機(jī)工作模式的功率損失，從而得到當(dāng)前最優(yōu)的電機(jī)工作模式。

4 結(jié)果和討論

對(duì)所研究的純電動(dòng)商用車在CHTC-B工況下進(jìn)行了一個(gè)周期的仿真，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。

表2 不同能量管理策略下動(dòng)力電池SOC的下降情況

與完全采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)相比，采用瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略后，在整個(gè)循環(huán)工況中，車輛電池需要輸出的能量下降了6.1%。

5 結(jié) 論

提出了一種基于瞬時(shí)優(yōu)化的純電動(dòng)商用車能量管理策略。瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略通過(guò)對(duì)比不同的電機(jī)分配方案之間能量損失，確定瞬時(shí)最優(yōu)的功率分配方案，從而提高車輛的經(jīng)濟(jì)性能。在仿真實(shí)驗(yàn)中，采用本文提出的能量管理策略，純電動(dòng)商用車的經(jīng)濟(jì)性能可以提高6.1%。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，本文提出的能量管理策略可以有效的提高雙電機(jī)純電動(dòng)商用車的經(jīng)濟(jì)性能。