電動(dòng)公交客車增程器開關(guān)控制策略和等效能耗最小化策略優(yōu)化*

徐 寧，樓狄明，譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

前言

現(xiàn)階段，純電動(dòng)客車存在成本高、電池壽命衰減快、續(xù)駛里程短等劣勢(shì)，難以在公交領(lǐng)域大范圍推廣。而配備高效柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的增程式電動(dòng)公交客車，成本較低，相對(duì)并聯(lián)和混聯(lián)式結(jié)構(gòu)其控制簡(jiǎn)單，且具有較高的節(jié)油潛力，是一種現(xiàn)階段較為理想的傳統(tǒng)客車替代方案［1-4］。

增程式電動(dòng)汽車首先在純電動(dòng)模式行駛，當(dāng)動(dòng)力電池組荷電狀態(tài)（SOC）低于一定值時(shí)，進(jìn)入增程模式。增程式電動(dòng)公交客車每天在200～300km的運(yùn)行里程中，都存在較大比例的增程模式，即電量維持階段。

在電量維持階段增程式電動(dòng)汽車多采用單點(diǎn)恒溫器開關(guān)式能量管理策略［4-7］，增程器開關(guān)狀態(tài)只與動(dòng)力電池組SOC相關(guān)，當(dāng)SOC低于設(shè)定最小值SOCmin時(shí)開啟，在高于設(shè)定最大值SOCmax時(shí)則關(guān)閉，增程器工作在效率較高的單個(gè)點(diǎn)上，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求電功率的波動(dòng)，存在能量從發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)到儲(chǔ)能系統(tǒng)再到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的多級(jí)傳遞過(guò)程，能量損失增加，能量利用率下降，同時(shí)其電池組充放電也增加，最終導(dǎo)致其節(jié)油率降低和電池組循環(huán)壽命衰減加快。能量管理策略方面，盡管在單點(diǎn)式能量管理策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)效率點(diǎn)，但無(wú)法取得發(fā)動(dòng)機(jī)效率和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率的最優(yōu)，為此可采用實(shí)時(shí)ECMS策略進(jìn)行實(shí)時(shí)最優(yōu)尋解，但對(duì)于增程式電動(dòng)系統(tǒng)，其儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)非插電混合動(dòng)力系統(tǒng)容量較大，其ECMS策略也需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

本文中在原增程器開關(guān)控制策略的基礎(chǔ)上增加中重制動(dòng)工況關(guān)閉等觸發(fā)，并針對(duì)增程式電動(dòng)公交客車改進(jìn)了ECMS策略，從而從增程器開關(guān)控制策略和能量管理策略兩個(gè)方面來(lái)優(yōu)化增程式電動(dòng)公交車電量維持階段性能。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為一款長(zhǎng)12m的城市客車，其整車參數(shù)如表1所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用某永磁同步電機(jī)，其特性參數(shù)如表2所示。動(dòng)力電池組采用磷酸鐵鋰電池組，其參數(shù)如表3所示。

表1 增程式電動(dòng)公交車整車參數(shù)

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

表3 動(dòng)力電池組參數(shù)

增程器采用的是某2.0L四缸柴油機(jī)，最大功率為71kW，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為3 000r／min。增程器系統(tǒng)最終燃油消耗率如圖1所示，其中增程器系統(tǒng)燃油消耗率最小值為 224g／（kW·h），對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為 2 000r／min，轉(zhuǎn)矩為246.5N·m，輸出電功率為48.6kW。

圖1 增程器系統(tǒng)油耗圖

2 模型搭建與能量管理策略仿真優(yōu)化

仿真模型如圖2所示。采用AVLCruise與Simulink聯(lián)合前向建模，其中駕駛員模型、循環(huán)工況模型和整車動(dòng)力學(xué)模型等在AVL Cruise中搭建，而基于功率流的整車控制策略模型在Simulink中搭建，通過(guò) CRUISE Interface進(jìn)行信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

圖2 AVL CRUISE與Simulink聯(lián)合仿真模型

仿真過(guò)程采用《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》［9］推薦中國(guó)典型城市公交工況循環(huán)（CCBC）。仿真過(guò)程采用6個(gè)CCBC循環(huán)組成的仿真循環(huán)，并選取儲(chǔ)能系統(tǒng)電量波動(dòng)最小的一個(gè)循環(huán)作為電量平衡運(yùn)行階段，重點(diǎn)分析其油耗和鋰電池組循環(huán)充放電特性。

參考《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》［10］中推薦的電量油耗折合公式進(jìn)行折算到燃油消耗體積Vfuel，單位為L(zhǎng)，如式（1）所示。

式中：Ek為儲(chǔ)能系統(tǒng)電量變化量，kW·h；Dfuel為燃料密度，g／cm3；Qfuel-low為燃料低熱值，J／g；ηeng和 ηgen分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)效率。

由于鋰電池組充放電倍率較小，用其循環(huán)累計(jì)充電量的大小來(lái)近似衡量電池循環(huán)壽命［11］。定義鋰電池組循環(huán)充電系數(shù)cbatt_charge為

式中：Qbatt_charge_total為對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)累計(jì)充電量，kW·h；Qbatt_charge為鋰電池額定容量，kW·h；S為行駛里程，km。

2.1 電量維持階段增程器開關(guān)控制策略優(yōu)化

增程器開關(guān)控制策略中首先增加了大驅(qū)動(dòng)功率需求時(shí)開啟增程器的策略來(lái)補(bǔ)償高速及加速過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率需求。為避免制動(dòng)能回收潛力被占用，在中重制動(dòng)過(guò)程，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充電功率絕對(duì)值小于增程器輸出功率和驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大制動(dòng)回收功率之和時(shí)，將關(guān)閉增程器。但增程器將較頻繁地停機(jī)，并會(huì)導(dǎo)致鋰電池組SOC長(zhǎng)期處于較低狀態(tài)，在某些工況可能出現(xiàn)過(guò)放電的可能。為保證電量維持階段鋰電池組SOC波動(dòng)范圍不頻繁低于SOCmin，在電量維持階段增加了較大驅(qū)動(dòng)功率需求時(shí)預(yù)測(cè)開啟增程器策略。最終增程器開關(guān)控制策略由4部分組成：基于SOC上下限的基本開關(guān)策略、大驅(qū)動(dòng)功率需求時(shí)開啟觸發(fā)、較大驅(qū)動(dòng)功率需求時(shí)預(yù)測(cè)開啟觸發(fā)和中重制動(dòng)關(guān)閉觸發(fā)，如圖3所示。同時(shí)，為防止增程器起停太過(guò)頻繁，也將基于SOC上下限的基本開關(guān)控制策略中的輸入量上次開關(guān)狀態(tài)定義為優(yōu)化后的增程器開關(guān)控制策略上次開關(guān)狀態(tài)輸出。

優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略前后增程式電動(dòng)公交客車各方面性能對(duì)比如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后，增程器起停次數(shù)增加，且在較大驅(qū)動(dòng)工況會(huì)開啟，在中重制動(dòng)工況會(huì)關(guān)閉，這一方面使鋰電池組SOC波動(dòng)減少到約1.7%，因此動(dòng)力電池組循環(huán)充放電減少，另一方面制動(dòng)過(guò)程鋰電池組的充電功率不再被增程器發(fā)電功率占用，而更多地用于公交客車制動(dòng)能量的回收，如圖6所示。

圖7和圖8分別為優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)功率分布和鋰電池組充放電功率分布情況。從圖7和圖8中可以看出，優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后增程式電動(dòng)公交客車制動(dòng)能量回收潛力顯著提升，每次制動(dòng)過(guò)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率都能達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充電功率和當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大制動(dòng)回收電功率的最大值。

仿真結(jié)果表明，優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后，折合百公里油耗從 38.49降低到 34.59L，降低了10.1%，鋰電池組循環(huán)百公里充電系數(shù)也從1.79降低到1.13，降低了36.7%。對(duì)應(yīng)的能量流動(dòng)對(duì)比分析結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略之后，鋰電池組充放電消耗減少，仿真循環(huán)下儲(chǔ)能系統(tǒng)消耗降低了45%，但占比仍然較高，達(dá)3.2%。同時(shí)制動(dòng)消耗也因制動(dòng)能量回收的增加而顯著減少。

圖3 優(yōu)化后增程器開關(guān)控制策略示意圖

圖4 原增程器開關(guān)控制策略下增程器開關(guān)狀態(tài)和SOC變化趨勢(shì)仿真結(jié)果

圖5 優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后增程器開關(guān)狀態(tài)和SOC變化趨勢(shì)仿真結(jié)果

2.2 實(shí)時(shí)優(yōu)化的等效燃油消耗最小策略與改進(jìn)

等效燃油消耗最小策略需要建立當(dāng)前時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)消耗的電能與增程器未來(lái)時(shí)刻補(bǔ)償這些能量而消耗的燃油之間的等效關(guān)系，對(duì)每一時(shí)刻增程器實(shí)際油耗與儲(chǔ)能系統(tǒng)等效油耗的總和進(jìn)行優(yōu)化，使其最小，并保證儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC維持在目標(biāo)值附近。

圖6 優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率分配特性

圖7 優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)功率分布

圖8 優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略前后鋰電池組充放電功率分布

圖9 優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略前后能量流動(dòng)對(duì)比

等效燃油消耗最小策略的目標(biāo)函數(shù)為

從儲(chǔ)能系統(tǒng)角度出發(fā)，工況可分為儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)補(bǔ)償工況和未來(lái)消耗工況。儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)補(bǔ)償工況的儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬時(shí)等效燃油消耗為

式中：Pess_dis和ηdis分別為該時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬時(shí)放電功率和放電效率g分別為未來(lái)補(bǔ)償過(guò)程增程器平均燃油消耗率和儲(chǔ)能系統(tǒng)平均充電效率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)消耗工況的儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬時(shí)等效燃油消耗為

式中：Pess_chg和ηchg分別為該時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬時(shí)充電功率和充電效率s分別為未來(lái)消耗過(guò)程增程器平均燃油消耗率和儲(chǔ)能系統(tǒng)平均放電效率。

同時(shí)，單純依靠改進(jìn)ECMS無(wú)法實(shí)現(xiàn)SOC穩(wěn)定，因此需要增加平衡補(bǔ)償函數(shù)f（SOC）：

式中：SOC（t）為當(dāng)前時(shí)刻的 SOC；SOCmax和 SOCmin分別為電量維持階段的上下限值，電量維持階段需要保證。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量較小，常進(jìn)行制動(dòng)過(guò)程的能量回收修正，其將部分代替未來(lái)鋰電池組電能補(bǔ)償時(shí)燃油消耗［12-13］，能起到在驅(qū)動(dòng)工況向儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)補(bǔ)償策略傾斜的作用，其目的是為后續(xù)制動(dòng)過(guò)程提供足夠的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。

但對(duì)于插電增程式電動(dòng)汽車，無(wú)論在儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)補(bǔ)償和未來(lái)消耗模式，儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量都較高，不影響制動(dòng)能量回收，且在優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后更明顯，所以將不考慮制動(dòng)能量回收修正。此外，對(duì)于增程式電動(dòng)公交客車，增程器輸出功率較低，在較大驅(qū)動(dòng)工況無(wú)法滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求，因此其儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)消耗模式所占的時(shí)間比例會(huì)較低，而未來(lái)補(bǔ)償模式所占的時(shí)間比例會(huì)較高。

最終等效燃油消耗最佳目標(biāo)函數(shù)為

式中：Papu_max和Papu_min分別為增程器輸出功率上下限值；Pess_chg_max和Pess_dis_max分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充放電功率。

最終改進(jìn)后ECMS的控制框架如圖10所示。

圖10 改進(jìn)ECMS系統(tǒng)框圖

等效燃油消耗最小策略下，增程器開關(guān)狀態(tài)和SOC變化趨勢(shì)仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，改進(jìn)ECMS下增程器輸出功率波動(dòng)較大，多數(shù)工況能跟隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求，但儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC波動(dòng)情況顯著減小。

圖11 改進(jìn)ECMS下增程器開關(guān)狀態(tài)和SOC變化趨勢(shì)仿真結(jié)果

圖12 所示為改進(jìn)ECMS下驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率分配特性。從圖12中可以看出，改進(jìn)ECMS下，增程器輸出功率基本能跟蹤驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率需求，在功率需求較大時(shí)，增程器輸出功率為最大輸出功率65kW。

圖12 改進(jìn)ECMS下驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率分配特性

最終，進(jìn)一步采用改進(jìn)ECMS后增程式電動(dòng)公交客車百公里油耗進(jìn)一步降低，達(dá)到34.20L，相對(duì)優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后單點(diǎn)能量管理策略降低了1.1%，鋰電池組循環(huán)充電系數(shù)降低更明顯，降低了多達(dá)35.4%。

圖13所示為改進(jìn)ECMS下能量流動(dòng)分析圖。

圖13 改進(jìn)ECMS下能量消耗分配

從圖13中可以看出，采用改進(jìn)ECMS后，盡管發(fā)動(dòng)機(jī)消耗和發(fā)電機(jī)消耗都有所增加，但減少了動(dòng)力鋰電池組大功率放電工況比例，并使動(dòng)力鋰電池組充放電深度減少，儲(chǔ)能系統(tǒng)能量消耗也因此顯著減少，此外小制動(dòng)工況增程器不關(guān)閉時(shí)改進(jìn)ECMS下增程器輸出功率較小，可進(jìn)一步增加制動(dòng)能量回收，減少制動(dòng)消耗。可見，改進(jìn)ECMS下可以顯著減少動(dòng)力鋰電池組大功率充電比例，從而減少動(dòng)力鋰電池組低效率充放電工況，如圖14所示。

3 半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建

用于驗(yàn)證增程式電動(dòng)客車整車控制策略的半實(shí)物仿真平臺(tái)如圖15所示。從圖15中可以看出，增程器為實(shí)物，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、整車、駕駛員和道路工況等都為虛擬模型。最終將虛擬模型和整車控制策略集成在Motohawk開發(fā)板中，如圖16所示。

圖14 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率分布圖（＋是放電，-是充電）

圖17 增程器示意圖

圖15 半實(shí)物仿真平臺(tái)示意圖

圖16 Motohawk ECM-0565-128開發(fā)板

此外增程器所匹配的永磁同步電機(jī)采用某電力測(cè)功機(jī)電機(jī)替代，如圖17所示，但用匹配的永磁同步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和效率MAP等進(jìn)行修正，從而通過(guò)在控制模型中對(duì)電機(jī)性能的限制實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁發(fā)電機(jī)的實(shí)物模擬。

3.2 優(yōu)化策略試驗(yàn)驗(yàn)證

最終增程器開關(guān)控制策略優(yōu)化前后以及改進(jìn)ECMS下SOC和增程器輸出功率仿真與試驗(yàn)對(duì)比如圖18～圖20所示。

圖18 增程器開關(guān)控制策略優(yōu)化前SOC和增程器輸出電功率變化趨勢(shì)

圖19 增程器開關(guān)控制策略優(yōu)化后SOC和增程器輸出電功率變化趨勢(shì)

圖20 改進(jìn)ECMS下SOC和增程器輸出電功率變化趨勢(shì)

由圖可見：增程器開關(guān)控制策略優(yōu)化前，SOC和增程器輸出功率跟蹤都較好；但增程器開關(guān)控制策略優(yōu)化后以及采用改進(jìn)ECMS后，SOC跟蹤略有差異。這主要是因?yàn)轭l繁起停過(guò)程，實(shí)際過(guò)程起停及瞬態(tài)切換相對(duì)仿真有所滯后引起的，但變化趨勢(shì)都符合相關(guān)增程器開關(guān)控制策略和能量管理策略下的規(guī)律。

最終百公里油耗和鋰電池組循環(huán)充電系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。

圖21 增程器開關(guān)控制策略和改進(jìn)ECMS下性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖21中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)相同。優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后，增程式電動(dòng)公交客車電量維持階段百公里油耗和鋰電池組循環(huán)充電系數(shù)分別降低了7.3%和33.0%，但增程器起停次數(shù)會(huì)有所增加。進(jìn)一步采用ECMS后，百公里油耗低至35.22L，鋰電池組100km循環(huán)充電系數(shù)降至0.99，相對(duì)能量管理策略優(yōu)化前分別降低了2.8%和25.0%，其中油耗結(jié)果略有改善，但鋰電池組循環(huán)充電系數(shù)明顯減少。

4 結(jié)論

（1）電量維持階段，優(yōu)化增程器開關(guān)控制策略后，增程式電動(dòng)公交客車百公里油耗和鋰電池組循環(huán)充電系數(shù)分別降低了7.3%和33.0%，改善明顯，但增程器起停次數(shù)會(huì)有所增加。

（2）進(jìn)一步采用改進(jìn)ECMS能量管理策略后，百公里油耗略有降低，循環(huán)充電系數(shù)則進(jìn)一步明顯減少，增程式電動(dòng)公交客車百公里油耗降至35.22L，鋰電池組100km循環(huán)充電系數(shù)降至0.99，相對(duì)原增程器開關(guān)控制策略和能量管理策略下，分別降低了多達(dá)9.9%和49.7%。