楊維剛， 楊志超， 張學(xué)鋒

(大運(yùn)汽車股份有限公司技術(shù)中心， 山西 運(yùn)城 044000)

新能源混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （插電或非插電） 具有高效節(jié)油、 續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)， 適合在自卸車等車型上應(yīng)用。動(dòng)力電池作為混動(dòng)車的儲(chǔ)能元件， 對(duì)混動(dòng)車的整車動(dòng)力性能、 節(jié)油率及成本影響很大， 其中動(dòng)力電池的容量大小是動(dòng)力電池關(guān)鍵的性能參數(shù)。

動(dòng)力電池容量計(jì)算、 選型與電池SOC控制有著密切的關(guān)系， SOC的控制要基于動(dòng)力電池的容量進(jìn)行， 動(dòng)力電池的容量是否滿足整車動(dòng)力性能的要求， 必須依靠SOC的控制策略來實(shí)現(xiàn)。 本文以一款并聯(lián)混合動(dòng)力自卸車實(shí)車開發(fā)為例， 介紹動(dòng)力電池的容量計(jì)算及SOC控制方法， 實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果。

1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量控制策略

基于規(guī)則的邏輯門限能量管理策略是一種成熟的控制策略， 并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車普遍采用基于規(guī)則的邏輯門限能量管理策略設(shè)計(jì)， 該策略控制方法分為電力輔助型控制策略和SOC、 轉(zhuǎn)矩平衡式控制策略。 電力輔助型控制策略主要思路是： 主驅(qū)電機(jī)根據(jù)車輛運(yùn)行工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)行削峰填谷， 使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在優(yōu)化的工作區(qū)， 同時(shí)將動(dòng)力電池的SOC保持在一定范圍內(nèi)。 SOC、 轉(zhuǎn)矩平衡式控制策略的依據(jù)是發(fā)動(dòng)機(jī)效率MAP圖， 控制的目的是發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)， 取消發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速運(yùn)行工況， 在低速低負(fù)荷時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行， 同時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池的SOC值，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。

根據(jù)上述控制策略， 為了提高并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的節(jié)油率， 降低整車燃油消耗和減少排放， 通過以下具體措施實(shí)現(xiàn)： ①回收利用車輛制動(dòng)時(shí)的回饋制動(dòng)能量， 儲(chǔ)存在動(dòng)力電池里； ②控制發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)工作， 工作狀態(tài)不在高效區(qū)的， 由驅(qū)動(dòng)電機(jī)補(bǔ)償或吸收功率， 動(dòng)力電池提供電能或儲(chǔ)存電能； ③取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行工況或低速低負(fù)荷低效率工況， 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 動(dòng)力電池提供電能。 動(dòng)力電池的容量計(jì)算選型及SOC控制主要圍繞上述措施進(jìn)行。

2 動(dòng)力電池容量計(jì)算

根據(jù)上文所確定的動(dòng)力電池功能及能量控制方案， 動(dòng)力電池的容量要滿足以下需求： ①取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況，或車輛低速、 低負(fù)荷、 低效率工況時(shí)， 車輛純電動(dòng)模式運(yùn)行需要的電能； ②為使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)運(yùn)行， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)補(bǔ)償或吸收發(fā)動(dòng)機(jī)功率需要的供電或儲(chǔ)能需求； ③車輛制動(dòng)工況時(shí)， 滿足儲(chǔ)存回饋制動(dòng)能量的需求。 其中制動(dòng)工況只考慮車輛在平路制動(dòng)的能量回收， 對(duì)于長(zhǎng)大下坡時(shí)的制動(dòng)能量回收， 需要特殊考慮， 開發(fā)專用車型。

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車只有在市區(qū)或市郊工況運(yùn)行才能發(fā)揮出節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)， 車輛運(yùn)行工況對(duì)動(dòng)力電池容量計(jì)算影響很大， 本文以 《GB/T18386 電動(dòng)汽車 動(dòng)力消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》 附錄B所提出的NEDC工況為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算， 其他不同工況可參照本文進(jìn)行。

2.1 車輛起動(dòng)純電動(dòng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)力電池消耗的能量

1） 車速計(jì)算公式

式中： n——發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； v——車速，km/h； i——主減速器傳動(dòng)比； i——變速器傳動(dòng)比； r——輪胎滾動(dòng)半徑， m。

2） 阻力計(jì)算公式

式中： F——車輛總阻力， kN； η——傳動(dòng)系統(tǒng)效率；k——電機(jī)&控制器效率； m——整車滿載質(zhì)量， kg； g——重力加速度， 取9.8m/s； f——滾動(dòng)阻力系數(shù)； C——空氣阻力系數(shù)； A——迎風(fēng)面積， m。

3） 車輛起動(dòng)加速時(shí)消耗的能量

式中： E——?jiǎng)恿﹄姵叵牡目偰芰浚?kWh； E——車輛加速產(chǎn)生動(dòng)能所消耗的能量， kWh； E——阻力所消耗的能量， kWh。

式中： m——整車滿載質(zhì)量， kg； v——起始車速，km/h； v——終止車速， km/h； s——行駛距離， m； a——加速度， m/s； F——輪邊驅(qū)動(dòng)力， N。

2.2 車輛回饋制動(dòng)，回饋給動(dòng)力電池的能量

式中： E——?jiǎng)恿﹄姵鼗仞伒目偰芰浚?kWh； E——車輛動(dòng)能所產(chǎn)生的能量， kWh； v——車輛停止回饋制動(dòng)的最低車速， km/h。

2.3 動(dòng)力電池容量計(jì)算

1） 車輛一個(gè)啟動(dòng)制動(dòng)循環(huán)需要消耗動(dòng)力電池的能量

式中： E——附件消耗的能量， kWh； P——附件功率， kW。

2） 動(dòng)力電池容量計(jì)算

國標(biāo) 《GB/T18386 電動(dòng)汽車 動(dòng)力消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》 附錄B中， 每個(gè)NEDC循環(huán)由4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)市郊循環(huán)組成， 4個(gè)市區(qū)循環(huán)工況的周期很短， 啟動(dòng)和制動(dòng)只能消耗動(dòng)力電池能量， 發(fā)動(dòng)機(jī)無法給動(dòng)力電池充電； 市郊工況下， 發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)， 給動(dòng)力電池補(bǔ)充電量。

本文計(jì)算動(dòng)力電池容量的前提， 是在一個(gè)NEDC周期內(nèi)， 動(dòng)力電池電量保持平衡， 且動(dòng)力電池SOC在40%~65%區(qū)間波動(dòng)。 按照每個(gè)NEDC循環(huán)有13次啟動(dòng)和制動(dòng)， 計(jì)算的蓄電池容量如下：

式中： μ——電池充放電效率。

2.4 并聯(lián)混合動(dòng)力自卸車動(dòng)力電池容量計(jì)算實(shí)例

2.4.1 并聯(lián)混合動(dòng)力自卸車技術(shù)參數(shù)

為進(jìn)行新能源混合動(dòng)力汽車研究， 我們開發(fā)了一款6×4新能源混合動(dòng)力自卸車， 整車及零部件具體參數(shù)如下： 整車最大總質(zhì)量25000kg； 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率275kW， 轉(zhuǎn)速1900r/min； 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩1800Nm， 轉(zhuǎn)速1000~1400r/min；發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速600 r/min； 后橋減速比5.262； 變速器12擋， 速比12.10， 9.41， 7.31， 5.71， 4.46， 3.48， 2.71， 2.11，1.64； 輪胎半徑0.545m； 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率105kW， 峰值功率200kW； 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1078r/min， 峰值轉(zhuǎn)速3000r/min；驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩930Nm， 峰值轉(zhuǎn)矩2100Nm； η傳動(dòng)系統(tǒng)效率0.88； f 滾動(dòng)阻力系數(shù)0.01； A迎風(fēng)面積7m； CD風(fēng)阻系數(shù)0.7； 附件功率5kW。

2.4.2 動(dòng)力電池SOC控制策略

動(dòng)力電池SOC按照40%-65%控制， 當(dāng)SOC接近40%時(shí)，整車控制器HCU減少電機(jī)電驅(qū)動(dòng)功率， 增大電機(jī)發(fā)電充電功率。 當(dāng)SOC接近65%時(shí)， HCU增大電機(jī)電驅(qū)動(dòng)功率， 減小電機(jī)發(fā)電充電功率。

當(dāng)SOC低于20%時(shí)， HCU輸出給MCU的驅(qū)動(dòng)扭矩小于0，防止消耗動(dòng)力電池電能。 當(dāng)SOC低于15%時(shí)， HCU發(fā)出SOC低報(bào)警， 停止DCDC、 空調(diào)、 電動(dòng)油泵等用電設(shè)備工作， 防止SOC過低。

SOC低于5%時(shí)， HCU允許輸出負(fù)扭矩， 使驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行給動(dòng)力電池充電。

正常情況下， 車輛起步擋位為4擋。

2.4.3 并聯(lián)混合動(dòng)力自卸車動(dòng)力電池容量計(jì)算

按照上述公式及并聯(lián)混合動(dòng)力自卸車技術(shù)參數(shù)， 計(jì)算不同車速、 油門開度的情況下， 動(dòng)力電池的計(jì)算容量。 表1~表3分別為油門踏板50%、 70%、 100%開度時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)。

表1 油門踏板50%開度時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)

表3 油門踏板100%開度時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)

從表1、 表2、 表3可以看出， 動(dòng)力電池容量的選型與純電運(yùn)行的車速、 油門踏板開度相關(guān)， 混合動(dòng)力車純電動(dòng)運(yùn)行車速高， 需要的動(dòng)力電池容量大； 油門踏板開度大， 需要的動(dòng)力電池容量小。

表2 油門踏板70%開度時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果， 我們選用了一款標(biāo)稱容量為26.5kWh， 標(biāo)稱電壓為529V的錳酸鋰電池。

3 項(xiàng)目驗(yàn)證

新能源并聯(lián)混合動(dòng)力自卸車試制、 調(diào)試完成后， 先后進(jìn)行了轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)、 路試試驗(yàn)。 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)按照NEDC工況法進(jìn)行， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖1， 從圖中可以看出， 在NEDC循環(huán)過程中， SOC波動(dòng)范圍沒有超出設(shè)定的40%~65%范圍，符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)語

新能源混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜， 涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)、 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、 控制系統(tǒng)、 動(dòng)力電池、 變速器、 離合器等多個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備。 同時(shí)各系統(tǒng)的計(jì)算選型與整車的架構(gòu)和控制策略密切相關(guān)。 本文主要探討動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)計(jì)算選型， 實(shí)車驗(yàn)證了動(dòng)力電池設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。