智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 146|回复: 0
收起左侧

[分享] 混合动力客车控制策略仿真与分析

[复制链接]
发表于 2020-3-23 10:01:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
混合动力客车控制策略仿真与分析

贺庆运a,杨宗霄a,b,李根生a,蔡大明a
(河南科技大学 a.车辆与交通工程学院;b.低风速风电技术河南省工程实验室,河南 洛阳 471003)
摘要:混合动力城市公交车运行过程中平均速度偏低,导致过度使用动力电池,由于无法使用混合动力,使得整个行驶工况中不能保持良好的燃油经济性。本文提出了基于车速和电池荷电状态(SOC)规划的控制策略,在MATLAB/Simulink软件中搭建所设计的控制策略模型,并将控制策略导入CRUISE软件中,与所搭建的整车动力系统模型进行联合仿真。研究结果表明:基于车速和SOC规划的混合动力客车控制策略与基于规则的控制策略相比,整车燃油经济性提高了2.7%,且SOC的平衡性可控制在5%以内。
关键词:混合动力;能量管理;能源效率;行驶车速;经济性;仿真

近年来,随着环保和节能的需求,新能源公交车因其良好的节油性能得到市场的青睐。综合现有工业基础,混合动力客车成为现阶段最好的解决方法之一[1]。

基于规则类的混合动力汽车能量管理控制策略因控制简单而被广泛应用。文献[2]提出了对电能消耗阶段进行优化的控制策略。文献[3]在原有的电量消耗-电量维持(charge depleting-charge sustaining,CD-CS)控制策略基础上,制定4阶段的控制策略。文献[4]依据整车不同电量状态和功率需求,提出多阶段多目标的控制策略。文献[5]以目标行驶里程和电池荷电状态(state of charge,SOC)制定控制策略,选择最佳的电能使用方式。文献[6]基于动力电池荷电状态规划制定混合动力公交客车控制策略,采用参考SOC轨迹的转矩分配方式实现了SOC的平衡性。上述控制策略主要针对动力电池SOC进行规划,没有考虑行驶速度和动力电池过度充放电对整车燃油经济性的影响。因此,将动力电池SOC和行驶车速结合的混合动力客车控制策略,可作为一个研究方向。

本文以提高整车燃油经济性和延长动力电池使用寿命为目的,提出了一种统筹考虑动力电池SOC和行驶车速规划的能量管理控制策略。


1 控制策略设计

1.1 混合动力传动系统的拓扑结构

混联式动力系统客车采用单轴混联式的动力系统结构[7],传动系统拓扑图如图1所示。该系统有多种可供选择的工作模式,既可以在动力电池SOC较低时以增程模式工作,也可以在动力电池SOC较高时以发动机和电机并联的方式工作。其特点是发动机、汽车起动发电一体机(integrated starter and generator,ISG)和驱动电机在同一轴上,动力经离合器与驱动电机耦合,再经主减速器传递到车轮,由于取消了变速器,动力系统传递效率高。


1.2 混合动力整车参数匹配

在进行整车控制策略建模和仿真时,需要提供整车基本参数、发动机参数、主减速器参数、轮胎参数等。根据最高车速、最大爬坡度要求及加速时间计算整车需求功率,结合不同能量管理策略对电机的要求计算电机功率[8-10]。动力电池组功率的选择和电机有关,要满足电机的功率需求[9,11]。本文根据已有混合动力客车整车参数来设计控制策略,整车基本参数见表1。

8c0e5fa8cc31ad7dc68777506440470f.png
图1 混合动力传动系统拓扑图

表1 整车基本参数
03027d5dedda916198d242c9f8db917a.jpg

1.3 初始SOC对发动机工作点的影响

当动力电池SOC设置不同初始值时,发动机油耗发生变化,对应的综合油耗也会发生变化。发动机工作点为发动机工作在某一转速和转矩时所占的时间比例。当电池初始SOC为50%时,发动机工作点见图2。如图2所示,整车控制器控制发动机工作在最佳效率曲线上,故发动机工作点靠近发动机最佳效率曲线,整个仿真工况每100 km综合油耗为17.20 L。当电池初始SOC为80%时,发动机工作点见图3。如图3所示,动力系统会优先选择纯电动模式,整个仿真工况中发动机油耗减少,电量消耗相应增加,整车仿真工况每100 km综合油耗为18.67 L。

a7d688b675aa996f7cc12afbabce4d8c.jpg

1.4 基于车速与SOC规划的控制策略

本文在基于转矩需求的控制策略基础上,以提高整车燃油经济性为目标。根据不同的车速区间对整车工作模式有影响[12],而且动力电池的最佳高效区间为40%~60%,结合汽车行驶车速与动力电池SOC状态,在传统CD-CS控制策略的基础上[13],制定基于车速与SOC规划的控制策略,见图4。如图4所示,设计了既有利于延长动力电池工作时间,又能提高整车燃油经济性的混合动力客车控制策略。

092b05f08182edbc60435b5806be35d3.png
图4 混合动力客车控制策略功能图

[size=1em]根据如图5所示的发动机外特性曲线,在转矩分配过程中以发动机最佳工作曲线为原则,以当前需求转矩与发动机最优转矩曲线进行比较,划分出低需求转矩(≥2 N·m~<700 N·m)、中需求转矩(≥700 N·m~<900 N·m)和高需求转矩(≥900 N·m)。根据如图6所示的驱动电机外特性曲线,驱动电机具有低速大转矩特点,低速时以电机驱动为主。综上,结合两者特点设计不同工作模式,以保证发动机燃油经济性最优。

b157935ab4ee6beb245f84c2de937e70.jpg

为清晰表达各工作状态,设置不同数字代表不同工作模式:0为制动能量回收模式,1为纯电动模式,2为行车充电模式,3为发动机单独驱动模式,4为发动机和电机联合驱动模式。混合动力工作模式判断如表2所示。

表2 混合动力工作模式判断
f30f99a92edac4d2b5bf3ff743d4bcf7.jpg

制动能量回收模式:当汽车行驶状态处于滑行和制动时,车轮传递动力到驱动电机,进行制动能量回收,此时驱动电机作为发电机使用,回收的能量进入动力电池。

纯电动模式:当v<20 km/h时,整车需求功率较小,发动机将工作在低效区。当SOC≥40%时,电动机在低速时有转矩大的优点,此阶段可采用电动机单独驱动;当SOC<40%时,断开离合器,混合动力客车以增程模式行驶。

行车充电模式:当20 km/h≤v≤40 km/h且SOC<40%时,此时控制发动机工作在高效区,发动机不仅提供满足整车行驶需求的转矩,剩余转矩将提供给ISG电机,ISG产生的电能进入动力电池。

发动机单独驱动模式:当20 km/h≤v≤40 km/h且SOC≥40%时,发动机工作在高效区;当v>40 km/h时,驱动电机提供的转矩降低,此时可采用发动机单独驱动。

发动机和电机联合驱动模式:当20 km/h≤v≤40 km/h时,整车需求功率大于发动机提供的最大功率,此时控制发动机工作在最佳效率曲线上,驱动电机提供剩余转矩。


2 控制策略建模与仿真

2.1 控制策略Simulink模型的建立

为进行动力性和燃油经济性仿真,根据混合动力客车控制策略功能图,在MATLAB/Simulink软件中搭建混合动力控制策略模型,有限状态机模式判断图如图7所示。根据从CRUISE软件中传递出来的各种信号进行处理,整车CRUISE模型构建如图8所示。Simulink根据当前车速信号和SOC信号判定下一步工作模式,建立有限状态机的驱动模式判断模型,然后在驱动执行模型中进行发动机和电机转矩分配。

d0cfb318f4742fc74f0511430a3fadd8.jpg

2.2 Simulink和CRUISE联合仿真
60e240d47d55114405b2db6f6af36eae.png
图9 联合仿真通信图

为验证所设计的控制策略,将Simulink搭建的控制策略编译成.dll文件,通过CRUISE软件自带的dll接口即可实现联合仿真[14]。两者通过控制器局域网络(controller area network,CAN)总线通信,将CRUISE软件中传输的车速及负载等信号传输到Simulink,在Simulink中经过驱动计算器判断工作模式,将发动机信号和电机信号等传输到整车CRUISE模型。联合仿真通信图如图9所示。


3 仿真与结果分析

3.1 燃油经济性分析

在中国典型城市公交循环工况中进行燃油经济性仿真[15],根据上述控制策略,当v<20 km/h时,该阶段为纯电动模式;当20 km/h≤v≤40 km/h时,该阶段为混合驱动阶段,根据不同的SOC状态,对应不同的工作模式;当v>40 km/h时,考虑到电机转矩随着转速增加而减小,故该阶段为发动机单独驱动模式。设置不同的车速阈值进行燃油经济性仿真,结果如表3所示。

表3 不同初始SOC下的燃油经济性仿真结果
5884f057496f0945794695b6d591f3cd.jpg

本文以综合油耗最小为目标,整个仿真过程中不考虑附件损耗,而且混合动力以恒定整车装备质量行驶。从表3可以看出:综合油耗随着SOC初始值的增加而增加,主要原因是当SOC初始值变大时,根据设置的控制策略,行驶工况多为纯电动工作模式且消耗动力电池电量较多,而对应制动能量回收的就越少。结合混合动力公交车仿真结果,SOC初始值在50%时综合油耗最小。

为验证本文提出控制策略的燃油经济性,将基于规则的CD-CS控制策略在中国典型城市公交循环工况下进行仿真。CD-CS控制策略描述如下:当动力电池SOC<30%时,以纯电动模式行驶;当动力电池SOC>30%时,以发动机和电机混合驱动的工作模式行驶,具体建模过程本文不再论述。

将CD-CS控制策略与本文控制策略进行仿真对比,仿真结果如表4所示。由表4可知:本文提出的基于SOC与车速规划的控制策略燃油经济性比CD-CS控制策略提高了2.7%,主要是因为本文同时对行驶车速和动力电池SOC进行规划。

表4 不同控制策略下的燃油经济性
57a9e79fe9809e41b600df72876938f4.jpg

d5854d708c706d328261be9416cf6b95.png
图10 不同初始SOC随时间变化图

3.2 SOC平衡性分析

动力电池在充放电过程中,工作效率在动力电池SOC处于40%~60%时最高[10],且要求混合动力汽车在真实运行工况过程中保证动力电池SOC的平衡性。SOC平衡性主要是保证在一个仿真工况过程中,动力电池的SOC变化较小[11]。图10为不同初始SOC随时间变化图。由图10可知:当动力电池初始SOC为80%时,SOC轨迹变化由最初的80%降到工况结束时的63%,下一步将进入40%~60%高效区间。当动力电池初始SOC为50%时,SOC轨迹变化由最初的50%降到工况结束时的51%,且SOC平衡性保持在5%以内。当动力电池初始SOC为35%时,SOC轨迹变化由最初的35%降到工况结束时的42%,然后进入40%~60%高效区间。

经过上述仿真分析,动力电池初始SOC和行驶路况中平均车速会影响混合动力客车的综合燃油经济性,故在设计整车控制策略时应考虑以上两个控制参数。


4 结论

[size=1em]本文提出的控制策略,在中国典型城市公交循环仿真工况下可使燃油经济性提高2.7%,动力电池SOC在初始值50%时,SOC的平衡性控制在5%以内。根据特征控制参数行驶车速和SOC对整车燃油经济性产生的影响,对上述特征参数进行优化可挖掘混合动力节油潜力,后续研究将考虑工况识别对控制参数进行优化,进一步提升整车燃油经济性。




您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则