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并聯(lián)式混合動力客車能量管理策略研究與仿真分析理工論文
能源危機與城市環(huán)境污染的日益加劇對城市公交客車的能耗與排放要求越來越嚴格,傳統(tǒng)的公交客車已經無法滿足現在的能耗與排放標準,然而純電動公交客車雖然能夠實現零排放,但其電池成本過高,續(xù)駛里程不足始終是現階段難以解決的問題。并聯(lián)式混合動力客車結構簡單,在成本增加有限的前提下,能夠很好地降低能耗與排放。并聯(lián)式混合動力客車通過自動離合器機構將發(fā)動機和電動機兩動力源集成在一起,兩動力源同軸,并聯(lián)式混合動力客車具有多種工作模式,能夠實現不同工作模式之間的靈活切換[1]。
當前,混合動力汽車的能量管理策略和協(xié)調控制算法已成為研究的重要方向,合理的能量管理策略對降低能量消耗具有重要意義,模式切換與換擋時的轉矩協(xié)調控制能夠較大程度地改善駕駛舒適性。能量管理策略側重于通過ISG電機來調節(jié)發(fā)動機的工作點,使發(fā)動機始終工作在高效區(qū)域,進而達到節(jié)約能源與減少排放的目的。童毅等人針對并聯(lián)式混合動力汽車離合器接合、變速器換擋過程中的汽車轉矩管理策略和協(xié)調控制算法進行了研究[2]。古艷春等人采用了基于邏輯門限值的能量管理策略,并對混合動力汽車起步和換擋過程的轉矩協(xié)調控制策略進行了仿真研究[3]。戴一凡等人采用了基于優(yōu)化發(fā)動機效率曲線的能量管理策略,但只對純電動行進中啟動發(fā)動機過程的協(xié)調控制進行了研究[4]。以上研究采用了簡單的邏輯門限值控制策略,側重于發(fā)動機局部最優(yōu),并且只對部分工作模式切換的協(xié)調控制進行了研究。
本文以國家863計劃科技攻關項目中度混合動力客車為研究對象,為了達到最優(yōu)的燃油經濟性目標,以動力系統(tǒng)效率最優(yōu)兼顧荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)平衡為實現方法[5],對基于自動變速器(Automated Mechanical Transmission,AMT)的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)工作模式區(qū)域進行劃分,并制定出相應的能量分配控制策略,計算出在中國典型城市公交工況下任意車速的需求功率,并將需求功率合理地分配給發(fā)動機與電機。同時,本文對中國典型城市公交工況下工作模式之間切換的轉矩協(xié)調控制算法進行了研究。以上研究可以實現工作模式切換過程動力傳遞的平穩(wěn)性控制和循環(huán)工況油耗最優(yōu)控制[6]。
1 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結構
本文研究的并聯(lián)式混合動力客車的動力系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)中發(fā)動機輸出軸與自動離合器、ISG電機、AMT相連,ISG電機集成在自動離合器與變速器中間,ISG電機既可作為發(fā)電機又可作為電動機,驅動力矩通過AMT輸出,經車橋主減速器傳遞至車輪。
通過控制發(fā)動機、電機、離合器、變速器的工作狀態(tài),該混合動力系統(tǒng)可實現多種工作模式,見表1。由表1可知,該混合動力系統(tǒng)可實現純電驅動、發(fā)動機單獨驅動、行車充電、停車充電、聯(lián)合驅動以及制動回饋工作模式。
2 模式切換轉矩協(xié)調控制
并聯(lián)式混合動力客車由靜止啟動,首先進入純電驅動模式,當車速信號與加速踏板信號大于設定閥值時,車輛由純電驅動模式進入并聯(lián)驅動模式。如果沒有轉矩協(xié)調控制,車輛由純電驅動模式切換進入并聯(lián)驅動模式時,離合器結合與變速器換擋會存在很大的沖擊,駕駛舒適性很差。通過在模式切換過程中合理地控制ISG電機的轉矩變化能夠很大程度降低離合器結合與變速器換擋的沖擊,進而改善駕駛舒適性。如圖2所示,給出了工作模式切換的整個控制過程。 3 整車能量管理控制策略
整車能量管理控制策略是以燃油經濟性為主要目標,結合動力電池的SOC狀態(tài)、車速信息、負荷信息等因素進行能量分配與工作模式切換的一種控制策略。其原則主要是通過純電驅動、行車充電、混合驅動等工作模式調節(jié)發(fā)動機的工作點,使發(fā)動機大部分時間工作在高效區(qū)域,通過讓電機參與制動將制動過程中的一部分能量回饋給動力電池,從而達到節(jié)油的目標。
3給出了詳細的控制策略示意圖。
如圖3所示,黑色曲線為車速曲線,藍色曲線為SOC狀態(tài)曲線。此控制策略中的時間軸并非真正試驗時的時間軸,此時間軸沒有實際意義,只是用于說明不同工作模式之間的切換情況。整車能量管理策略具體描述如下:當車速≤u且n≤SOCu且n≤SOCu且n≤SOC且b≤loadw且load=0時,即車輛進入制動減速或者滑行時,驅動電機進行制動能量回饋,將制動能量回收給電池充電,此時SOC升高,車速低于w時就停止能量回饋,進入全機械制動模式;當SOC 將整車能量管理策略進行轉矩解析,如圖4所示,表示了在不同轉速下的需求轉矩與不同工作模式之間的關系。當0≤Treq 表2列出了不同工作模式下,電機與發(fā)動機的轉矩分配情況。
4 搭建仿真模型
論文發(fā)表范文
以中國典型城市公交工況為混合動力客車的試驗工況,利用整車性能仿真分析專業(yè)軟件AVL Cruise進行性能仿真分析。通過AVL Cruise軟件搭建整車動力系統(tǒng)模型,并輸入整車與各部件的技術參數,通過Matlab/Simulink搭建整車能量管理策略模型,并將整車控制策略模型通過Interface接口與AVL Cruise整車動力系統(tǒng)模型交互實現聯(lián)合仿真。并聯(lián)式混合動力客車整車動力系統(tǒng)模型如圖5所示。
表3中列出了并聯(lián)式混合動力客車整車的基本參數。
圖6為整車控制策略中并聯(lián)模式下的能量管理模型,此模型規(guī)定了并聯(lián)模式下行車充電、純發(fā)動機及混合驅動模式的能量分配情況。
5 仿真結果與試驗結果對比分析
根據系統(tǒng)效率最優(yōu)原則,為了獲得最低的油耗值,在標定文件中分別對Tm1、Te1、Te2 三條臨界負荷曲線乘以一個系數,得出aTm1、bTe1、cTe2�；诩冸婒寗与姍C效率、發(fā)動機燃油消耗特性以及SOC平衡的原則,通過調整a、b、c三個參數進而得到不同的純電驅動、行車充電及混合驅動臨界負荷曲線,分別進行仿真分析。表4中列出了三組不同參數下的仿真油耗值,對比之后在參數三(0.8、0.9、1.1)下的油耗值最低為28.8 L/100 km,進而獲得了最優(yōu)的臨界負荷曲線。
通過仿真分析,可以得到在整個循環(huán)工況下不同節(jié)油方式對節(jié)油率的貢獻情況,見表5。基準傳統(tǒng)車型工況油耗為42 L/100 km,通過減小發(fā)動機規(guī)格(由傳統(tǒng)車6.7 L發(fā)動機減小到3.8 L發(fā)動機)可以實現15.7%的節(jié)油率。在中國典型城市公交工況下,通過發(fā)動機快速啟動可以實現在車速<10 km/h時,發(fā)動機始終處于停機狀態(tài),進而可以實現5%的節(jié)油率。在中國典型城市公交工況下,通過低速純電(10 km/h以下為純電工況)與制動回饋(當5 km/h<車速>
將參數三下的發(fā)動機工作點、發(fā)動機的外特性以及發(fā)動機的萬有特性曲線表示在同一圖中,如圖7所示。從圖中可以看出,發(fā)動機90%以上的工作點都分布在了發(fā)動機效率高于38%的區(qū)域。由此可見,其系統(tǒng)效率達到了最優(yōu)值,中國典型城市公交工況下的燃油經濟性能最好。
將參數三(a3,b3,c3)對應的a3Tm1、b3Te1、c3Te2臨界負荷曲線應用到試驗樣車中進行油耗試驗,試驗所得在公共典型城市公交工況下的綜合油耗為28.9 L/100 km,相對基準傳統(tǒng)車型油耗42 L/100 km,節(jié)油率達到了31.2%,節(jié)油效果明顯。
6 結論
通過分析并聯(lián)式混合動力客車的動力系統(tǒng)結構特點,搭建了基于AVL Cruise的整車動力系統(tǒng)模型以及基于Matlab/Simulink的控制策略模型,并
設計了基于參數化調節(jié)的能量管理控制策略。使用AVL Cruise與Matlab/Simulink進行聯(lián)合性能仿真分析,計算整車基于中國典型城市公交工況下的油耗,并進一步在試驗樣車上進行試驗驗證,結果表明:
(1)通過調節(jié)不同負荷臨界參數(a、b、c),并聯(lián)式混合動力客車在中國典型城市公交工況下的綜合工況油耗能夠降低到28.9 L/100 km,與基準傳統(tǒng)車型相比,節(jié)油率達到了31.2%。 (2)在中國典型城市公交工況下,通過驅動電機調節(jié)后發(fā)動機能夠達到90%以上的工作點集中在高效區(qū)域,能夠很大程度改善車輛燃油經濟性。
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