48 V微混系統(tǒng)能量管理策略建模仿真研究

王楠楠,徐小東,仇多洋

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學院,安徽 合肥 230051;2.合肥學院,安徽 合肥 230601)

1 研究背景

隨著汽車保有量的不斷增加,汽車尾氣的排放加劇了環(huán)境污染,造成了能源短缺。而混合動力汽車被認為是當前階段降低油耗和空氣污染的有效解決方案,已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化[1]。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)具有重要意義:是降低環(huán)境污染的有效途徑;是推動經(jīng)濟發(fā)展方向轉(zhuǎn)變,促進經(jīng)濟增長的戰(zhàn)略需要;是汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路;是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。在我國多項產(chǎn)業(yè)政策的扶持下,節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)搭上了發(fā)展的高速列車[2-4]。

根據(jù)輸出功率中電機輸出功率所占的比率,即混合度,可將混合動力系統(tǒng)分為微混、輕混、強混、插電式四類。48 V混合動力屬于微混合動力技術(shù)的一種,采用標稱電壓48 V作為系統(tǒng)電壓,在車輛行駛過程中利用BSG(Belt-driven Started/Generator)電機參與動力輸出和能量回收,主要起到降低油耗的作用。48 V微混系統(tǒng)以其低成本、高節(jié)油性能得到了各整車廠及零部件供應(yīng)商的認同,與電機驅(qū)動的強混合動力汽車相比,在技術(shù)層面,48 V微混系統(tǒng)車輛依靠發(fā)動機驅(qū)動,電機主要提供動力和能量回收,結(jié)構(gòu)相對簡單;在安全層面,48 V微混系統(tǒng)車對電機功率要求較低,可使用中等大小的電壓值,安全成本低。因此,在多種混合動力節(jié)油技術(shù)中,48 V微混動力系統(tǒng)被認為是最經(jīng)濟、最安全、最可靠的有效解決方案。該系統(tǒng)可降低整車10%～15%油耗,并優(yōu)化駕駛性和車輛NVH性,而成本增加在6 000元以內(nèi),且開發(fā)難度低,是一種很有前景的方案。

2 混合動力系統(tǒng)架構(gòu)

單電機混合動力系統(tǒng)根據(jù)電機的安裝位置的架構(gòu)形式分為五類,以P0、P1、P2、P3、P4命名,如圖1所示。P0架構(gòu)是用發(fā)電/啟動(Stop-Start)一體式電機取代原來的起動機,通過皮帶驅(qū)動飛輪。P1架構(gòu)是將ISG電機安裝在發(fā)動機飛輪端,并且在離合器前。P2架構(gòu)是將電機安裝在離合器后、變速箱前。P3架構(gòu)是將電機安裝在主減速器前端、變速箱輸出軸后端。P4架構(gòu)是將電機安裝在驅(qū)動橋上直接驅(qū)動車輛,該架構(gòu)主要是和其他架構(gòu)組合,形成雙電機或者三電機的混合動力系統(tǒng),比如長城WEY P8的P0+P4架構(gòu),沃爾沃T8的P2+P4架構(gòu),全新一代唐DM、宋DM的P0+P3+P4架構(gòu)[5]。

圖1 混合動力系統(tǒng)分類

3 整車及動力傳動系統(tǒng)建模

本文搭建基于P0架構(gòu)的48 V微混系統(tǒng)的整車及動力傳動系統(tǒng)模型,進行燃油經(jīng)濟性仿真,同時搭建對應(yīng)的傳統(tǒng)燃油車型和帶有啟停功能的燃油車型來對比分析48 V微混系統(tǒng)的節(jié)油效果?；贏VL CRUISE和Simulink的聯(lián)合仿真結(jié)果表明,在三種車型中,48 V微混系統(tǒng)節(jié)油效果最好。

48 V微混系統(tǒng)的整車及動力傳動系統(tǒng)模型的主要模塊包括整車、發(fā)動機、電機、電池、變速器、差速器、駕駛室模塊等[6]。

3.1 整車模塊

整車模塊是車輛最基本的模塊,在整車模塊中輸入車輛相應(yīng)參數(shù)后,比如整車驅(qū)動形式、整備質(zhì)量、滿載質(zhì)量、重心高度、軸距、前后輪胎壓、迎風面積、空氣阻力系數(shù)、阻力曲線及試驗載荷/參考車阻力曲線及試驗載荷等,可以計算得到車輪動態(tài)負載,整車受到的總阻力、空氣阻力、滾動阻力、加速阻力、坡道阻力等[7]。

3.2 發(fā)動機模型

發(fā)動機模型基于發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù),通過查詢發(fā)動機速度特性曲線(圖2)和燃油消耗MAP圖(圖3),插值計算發(fā)動機實際輸出扭矩和油耗[8]。

圖2 發(fā)動機速度特性曲線

be=f(Te,ne),

其中,Te為發(fā)動機在全負荷工況下的輸出扭矩;Ne為轉(zhuǎn)速;ai為擬合發(fā)動機在全負荷工況下輸出扭矩時的多項式系數(shù);be為發(fā)動機瞬時燃油消耗率;ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;Q為發(fā)動機從t0到t時間內(nèi)的總油耗;Pe為發(fā)動機輸出功率;ρe為燃油密度。

3.3 電機模塊

電機模塊可以作為電動機,也可以作為發(fā)電機。作為電動機進行驅(qū)動時的輸出功率Pd和作為發(fā)電機時的輸出功率Pc的計算公式如下[8]:

Pc=(Tm+Tr)·nm·ηm,

其中,Tm為電機輸出轉(zhuǎn)矩;nm為電機轉(zhuǎn)速;ηm為電機效率;Tr為制動回收扭矩。

電機的外特性曲線如圖4所示,電機效率如圖5所示。

圖4 電機外特性曲線

圖5 電機效率圖

3.4 電池模塊

電池模型可以等效為一個電壓源和一個電阻的電路。電池的端電壓Ub=UO-IbRb。電池輸出給電機的功率的計算公式為

Pb=UbIb.

電池的回路電流計算公式為

其中,Ub為電池端電壓;UO為電池開環(huán)電壓;Ib為電池回路電流;Rb為電池內(nèi)阻;Pb為電池輸出功率。

電池開環(huán)電壓曲線如圖6所示。

3.5 駕駛員模塊

駕駛員模塊通過信號連接完成駕駛員和車輛的信息傳遞。采用閉環(huán)控制方式來建模,即基于車輛需求車速和實際車速的差值來控制加速踏板和制動踏板開度[5]。

其中,y(t)為控制信號;k1為比例系數(shù);k2為積分控制系數(shù);k3為微分控制系數(shù);vo(t)為目標車速;v(t)為實際車速;ya(t)為加速踏板開度信號;yb(t)為制動踏板開度信號。

為了體現(xiàn)48 V微混車的燃油經(jīng)濟性能好的優(yōu)勢,使用分層建模方式。將模型分為三個層級,分別是傳統(tǒng)燃油車、12 V啟停車、48 V微混車,每個層級有以下子系統(tǒng):公用傳遞系、發(fā)動機+制動機+監(jiān)視器+附件、48 V系統(tǒng)部件、48 V系統(tǒng)控制單元。各個層級模型是不同子系統(tǒng)的組合。傳統(tǒng)燃油車、12 V啟停車和48 V微混車系統(tǒng)模型分別如圖7至圖9所示。

圖7 傳統(tǒng)燃油車分層模型

圖8 12 V啟停車模型

圖9 48 V微混車系統(tǒng)整車分層模型

4 控制策略

混合動力汽車的設(shè)計核心是能量管理策略,在不同的行駛工況下,協(xié)調(diào)各個能量源的工作,從能量利用最優(yōu)的角度控制汽車各個部件的工作狀態(tài),同時滿足汽車的行駛需求。目前能量管理策略主要有兩種:基于優(yōu)化的能量管理策略和基于規(guī)則的能量管理策略。其中,基于優(yōu)化的能量管理策略分為全局優(yōu)化和瞬時優(yōu)化;基于規(guī)則的能量管理策略對控制器硬件性能要求不高,魯棒性好,容易實現(xiàn),開發(fā)成本低,多用于當前工業(yè)生產(chǎn)?；谝?guī)則的混合動力汽車能量管理策略,本文研究共包含三部分:負載扭矩解析、模式切換策略、扭矩分配。

4.1 負載扭矩解析

駕駛員控制油門踏板,將不同的扭矩輸送給車輪,使車輛獲得相應(yīng)的加速度。當車輛有小的加速度需求時,駕駛員踩下小的油門踏板開度,當車輛有大的加速度需求時,駕駛員踩下大的油門踏板開度。也就是說,負載扭矩與油門踏板開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。負載扭矩解析的目的是獲得油門踏板開度、負載扭矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,在控制策略中可以通過建立MAP圖來實現(xiàn)。圖10為負載扭矩解析的MAP圖。

圖10 負載扭矩解析MAP圖

4.2 模式切換策略

整車工作模式的劃分及切換邏輯是通過MATLAB/SIMULINK中的Stateflow模塊來制定,通過輸入輸出信號與SIMULINK的其他模塊相連,使控制策略模型協(xié)調(diào)控制整車模塊。

4.3 扭矩分配

當不同的動力源工作時,需要根據(jù)當前需求扭矩和動力部件的自身特點來分配各個動力源需要提供的扭矩。為了判斷哪個動力部件參與驅(qū)動,需要設(shè)定不同的工作模式,對不同模式設(shè)定不同規(guī)則,只要車輛運行工況符合設(shè)定的規(guī)則,那么車輛即進入指定工作模式[7]。控制策略頂層模型如圖11所示。根據(jù)電池荷電狀態(tài)、需求扭矩、車速時間狀態(tài)、發(fā)動機輸出扭矩、電機輸出扭矩將車輛運動狀態(tài)分為六種驅(qū)動狀態(tài)。各工作模式的扭矩分配如表1所示,S為電池荷電狀態(tài)值,Sl為電池荷電狀態(tài)下限值,Sh為荷電狀態(tài)上限值,Tr為整車需求扭矩,v為當前車速,Tm為發(fā)動機最大扭矩,Te為發(fā)動機最佳效率工作扭矩,Tb為允許制動能量回收的最大扭矩值,Tc為發(fā)動機充電扭矩,vb為允許制動能量回收的最低車速,Ts為允許發(fā)動機自動停止的最大扭矩值,t為車輛當前停車的時間,ts為允許發(fā)動機自動停止的最小車輛停止時間,Ta為允許發(fā)動機自動啟動的最小扭矩值。

表1 各工作模式的扭矩分配

圖11 控制策略頂層模型

5 整車仿真結(jié)果分析

在道路仿真中使用較為廣泛的NEDC循環(huán)工況,由4個城市工況(ECE)和1個市郊工況(EUDC)組成,循環(huán)工況總時間為1 181 s,總距離為10.93 km,平均速度為33.2 km/h,最大速度為120 km/h,怠速時間為300 s。對傳統(tǒng)車、增加普通啟停的汽車、48 V微混車在NEDC循環(huán)工況下進行仿真。仿真過程中車速跟隨情況見圖12。由仿真結(jié)果可以看出,基于規(guī)則的能量管理策略下,實際車速與目標車速是一致的,車速跟隨誤差較小。

圖12 車速跟隨情況

傳統(tǒng)車、增加普通啟停的汽車、48 V微混車三種車型的發(fā)動機工作點圖如圖13至圖15所示。從三種車型在低扭矩區(qū)域的工作點分布來看,傳統(tǒng)車和啟停車的分布情況相似,最不密集的是48 V微混車,其次是啟停車,最密集的是傳統(tǒng)車。48 V微混車的發(fā)動機工作點更多集中在燃油經(jīng)濟性能好的區(qū)域。

圖13 傳統(tǒng)車發(fā)動機工作點圖

圖14 啟停車發(fā)動機工作點圖

圖15 48 V微混車發(fā)動機工作點圖

將三種車型的累積油耗進行對比(圖16),從圖16可以看出,隨著時間增加,累積油耗逐漸增多,且增加率越來越大。48 V微混車的油耗最小,啟停車次之,傳統(tǒng)車最大。原車百公里油耗是5.152 L,啟停車百公里油耗是4.685 L,其相比原車減少的油耗量是0.467 L,節(jié)油率為11.8%。48 V微混車百公里油耗是4.148 L,比原車油耗節(jié)省1.004 L,節(jié)油率是19.488%。經(jīng)過比較可以得到如下結(jié)論:相對于啟停車,從燃油經(jīng)濟性來看,48 V微混車更加省油。

圖16 累積油耗對比

6 結(jié)語

本文基于CRUISE軟件構(gòu)建48 V微混系統(tǒng)動力模型,并進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)車、啟停車,匹配48 V系統(tǒng)的汽車在燃油經(jīng)濟性方面更具優(yōu)勢。