电传动装甲车辆多动力源参数匹配与优化

陈路明， 廖自力， 刘春光， 许增斌

(1. 装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072； 2. 68207部队， 甘肃 嘉峪关 735100)

电传动装甲车辆多动力源参数匹配与优化

陈路明1， 廖自力1， 刘春光1， 许增斌2

(1. 装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072； 2. 68207部队， 甘肃 嘉峪关 735100)

为提高电传动装甲车辆的动力性和燃油经济性，根据极限行驶工况确定了各动力源参数可行域。依据某重型车辆循环行驶工况，选取5组不同混合度的参数匹配方案，分别在Cruise整车模型上进行仿真试验，确定了等效燃油消耗量。结果表明：匹配与优化后的多动力源参数匹配方案能够满足车辆动力性要求，提高燃油经济性。

电传动装甲车辆; 动力性; 燃油经济性; 小波变换; 混合度

随着科学技术的不断发展，电传动装甲车辆已成为未来装甲车辆的发展方向[1]。电传动装甲车辆静音行驶等性能的发挥需要充足的电力供应，而传统车辆的电力系统结构简单、动力单一，往往难以满足能量和功率需求，因此研发包含多个动力源的电传动装甲车辆非常关键[2]。在电传动装甲车辆设计初期，合理匹配与优化各动力源参数对提高其动力性和燃油经济性至关重要[3]。

现阶段大多采用基于整车性能指标和循环行驶工况的方法匹配各动力源参数，其中：于远彬等[4]在整车设计性能约束下，依据中国典型城市公交循环工况，完成了单轴并联混合动力汽车中发动机、电机和电池、电容的参数匹配与仿真验证；邹渊等[5]在最大动力因数和最高车速性能约束下，依据推土机典型和极限工况，完成了串联式混合动力推土机中超级电容与发动机/发电机组的参数匹配与验证。但由于缺乏公认的装甲车辆循环行驶工况，依据上述轻型车辆典型循环行驶工况，匹配与优化得到的多动力源参数对整车性能的提升往往不够理想。笔者针对此问题，选取某重型车辆循环行驶工况，重点研究了多动力源参数匹配与优化的方法。

1 电传动装甲车辆设计要求

1.1 基本参数和性能指标

某型电传动装甲车辆的基本参数和性能指标分别如表1、2所示。

表1 电传动装甲车辆基本参数

表2 电传动装甲车辆性能指标

1.2 多动力源拓扑结构

电传动装甲车辆采用的多动力源拓扑结构[6]如图1所示。

图1 多动力源拓扑结构

图中：发动机-发电机组作为主动力源，采用单向功率传递方式，为直流母线提供电能；动力电池和超级电容作为辅助动力源，采用双向功率传递方式，为直流母线提供电能或吸收来自驱动电机的回馈电能。

2 多动力源参数可行域确定

2.1 整车需求功率计算

根据车辆动力学理论，可知整车需求功率P的计算公式[7]为

(1)

式中：m为整车质量；g为重力加速度；α为坡度角；f为滚动摩擦因数；Cd为空气阻力系数；A为车体正面迎风面积；v为车速；δ为旋转质量换算系数；t为行驶时间。

考虑能量传递效率，当车辆以最大车速Vmax、最大越野速度Vyue、最大爬坡速度Vgra和最大加速度amax等极限工况行驶时，直流母线需要提供的功率分别为

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:ηx、ηn、ηm、ηp分别为行驶装置、双向DC/AC变换器、轮毂电机和行星减速器的工作效率；f1、f2、f3、f4分别为公路、砂石路、混凝土路和泥土路滚动摩擦因数；Vs为车辆加速过程中瞬时速度；T为加速时间；x为曲线拟合系数。

综上可知：提供给直流母线的系统总功率PDC必须满足

PDC≥max(PDC1,PDC2,PDC3,PDC4)=325(kW)。

(6)

2.2 动力电池参数可行域

动力电池单独供电时，需要驱动车辆行驶10 km，假设车辆以平均速度Vbatt=20 km/h在水平公路上行驶，时间t=30 min，则动力电池提供的平均功率Pbatt为

(7)

考虑到辅助电气的设备需求功率，取实际功率换算系数μ=1.2，放电窗口Δ=50%，则动力电池储备能量Ebatt需达到

(8)

母线电压U=750 V，则动力电池容量Q满足

(9)

2.3 发动机参数可行域

根据性能指标要求，发动机-发电机组单独供电时应能满足最高车速70%的稳定行驶要求。考虑发电机效率为ηg,则发动机输出功率Peg应满足

197(kW)。

(10)

2.4 超级电容参数可行域

超级电容直接并联到直流母线上，提供最直接的负载功率补偿。当负载剧烈变化时，假设发动机调整时间Δt=3 s，母线电压最大波动Δu=100 V，母线限制电流i=500 A，代入公式

(11)

可知：超级电容C≥15 F，耐压等级为850 V。

3 多动力源参数优化

在一般行驶条件下，车辆很少处于极限工况，因此在满足动力性指标后，为实现最优参数匹配，还应考虑实际道路行驶工况。

3.1 循环行驶工况分析

循环行驶工况是进行车辆仿真的重要前提，能为确定车辆燃油消耗量等指标提供测试环境和评判标准。车辆结构、类型和用途等因素的差异，决定了其循环行驶工况也不尽相同。由于目前针对重型车辆尤其是装甲车辆没有公认的循环行驶工况，因此笔者采用文献[8]得到的循环行驶工况作为参考。图2为该重型车辆循环行驶工况,其主要特征参数如表3所示。

图2 重型车辆循环行驶工况

3.2 控制策略分析

电传动装甲车辆性能的发挥，不仅取决于整车结构和循环行驶工况，还与控制策略有密切关系。在一定的控制策略条件下，开展参数匹配与优化研究才具有参考价值。因此需要先依据各动力源拓扑结构和特性，确定合适的控制策略。

表3 重型车辆循环行驶工况主要特征参数

电传动装甲车辆质量通常较大，在启动、加速和制动等条件下需求功率变化频繁，存在较多高频分量，对电力系统供电品质和安全性提出了严峻挑战。为提升电力系统对负载的跟随能力，并发挥多动力源的结构优势[9-10]，选择基于小波变换的控制策略作为最终方案。根据小波变换思想，对需求功率进行时域-频域变换，分解得到低频分量和高频分量，分别作为稳态需求功率和瞬态需求功率，分流到各动力源。

采用基于小波变换的控制策略进行功率分流，得到的稳态和瞬态需求功率过程如图3所示。

3.3 动力源混合度

为方便表示发动机-发电机组和动力电池对稳态需求功率的贡献程度，选取K表示混合度，其表达式为

(12)

当发动机-发电机组和动力电池联合供电时，发动机-发电机组输出功率最大;当动力电池功率取最低值41 kW(满足静音行驶需求)，并且以最低速率1 C放电时，发动机-发电机功率可取最高值284 kW，此时混合度最小值Kmin=0.13；若整车能量完全由发动机-发电机组提供，应满足车辆按最高车速70%的持续行驶要求，发动机-发电机组最小平均功率应不小于205 kW，此时动力电池功率为120 kW，混合度最大值Kmax=0.37。

3.4 系统等效燃油消耗量

由能量守恒定律可知：不同形式的能量可以等效转化。为方便对不同参数匹配方案进行评判，将燃油消耗作为最终的优化目标，并将发动机-发电机

图3 功率分流示意图

组和动力电池提供的能量等效表示为燃油消耗量[11-12]。

发动机-发电机组等效燃油消耗量Jeg为

(13)

式中：Peg(t)为发动机的瞬时输出功率；be(t)为发动机的比油耗；ηe、ηg、ηq分别为发动机、发电机和整流器效率；D为柴油的密度；tk(k=0,1,2,…)为第k个积分时间插值。

动力电池等效燃油消耗函数为

(14)

式中：ED为柴油的能量密度；ηf、ηc、ηs分别为动力电池放电效率、充电效率和双向DC/DC变换器效率。则整车等效燃油消耗函数为

J=

(15)

4 仿真验证

根据综合电力系统结构，在Cruise中搭建整车模型，依据上述循环行驶工况和功率分流策略进行仿真试验[13]。在[0.13,0.37]的限制范围内，混合度K分别选取0.15、0.20、0.25、0.30、0.35，形成5套多动力源参数匹配方案，如表4所示，并分别进行仿真试验。

表4 不同混合度动力源匹配方案

根据各动力源稳态需求功率的分配情况，可得到不同方案的动力电池和发动机-发电机组电流变化曲线，如图4-8所示。

由图4-8可知：1)随着混合度的提高，动力电池在动力源中所占比重增大，充放电频率和电流强度显著提高；2)发动机-发电机组输出电流波动频率和强度降低，在动力源中所占比重减小，容易达到发动机-发电机组的额定输出功率。不同混合度的燃油消耗情况如表5所示。

由表5可知：随着混合度的增大，功率链前向传递(放电)效率逐步减小，而反向传递(充电)效率则逐步增大，总的燃油消耗呈现先减小后增大的趋势。

图4 K=0.15时,动力电池与发动机-发电机组电流变化曲线

图5 K=0.20时,动力电池与发动机-发电机组电流变化曲线

图6 K=0.25时，动力电池与发动机-发电机组电流变化曲线

图7 K=0.30时,动力电池与发动机-发电机组电流变化曲线

图8 K=0.35时，动力电池与发动机-发电机组电流变化曲线

表5 不同混合度的燃油消耗情况

方案序号混合度K等效燃油消耗量/(L·(100km)-1)功率链前向传递效率/%功率链反向传递效率/%10.15108.887.7518.8620.20105.482.9323.4330.25103.679.6429.7440.30104.973.9735.1550.35106.770.1040.99

这种变化符合实际情况，因为当动力电池比例较小时，制动或减速过程中回收的能量偏小，主要依靠发动机-发电机组对系统进行供电，所以燃油经济性不高；当动力电池比例较大时，虽然可以回收大部分的制动能量，但为维持电池SOC的相对稳定，动力电池频繁吸收和释放来自发动机-发电机组的能量，在能量转换过程中存在较大损耗，燃油经济性也不高。因此，混合度的选取需要兼顾制动能量回收能力和电池充放效率2种因素。

5 结论

依据某型电传动装甲车辆设计性能要求，从满足动力性和燃油经济性两方面出发，提出一种多动力源参数匹配与优化的方法，利用Cruise软件搭建的整车模型进行仿真试验，验证了所提出的参数匹配与优化方法的有效性。选取的循环行驶工况虽然针对重型车辆，但并不能够完全代表电传动装甲车辆实际行驶工况，下一步需针对该类特殊车辆，选取或建立与实际行驶情况更相符的装甲车辆循环行驶工况，提升参数匹配与优化效果。

[1] 廖自力,马晓军,臧克茂,等.全电战斗车辆发展概况及关键技术[J].火力与指挥控制,2008,33(5):1-4.

[2] 肖磊.军用混合动力技术发展与展望[C]∥第三届特种车辆全电化技术发展论坛组织委员会.第三届特种车辆全电化技术发展论坛论文集.北京:国防工业出版社,2014:49-53.

[3] 毛明,韩政达,刘翼.论全电车辆的能量管理和功率管理[C]∥第三届特种车辆全电化技术发展论坛组织委员会.第三届特种车辆全电化技术发展论坛论文集.北京:国防工业出版社,2014: 162-168.

[4] 于远彬,王庆年.应用复合电源的轻度混合动力汽车的参数匹配[J].吉林大学学报,2009,39(2):281-285.

[5] 邹渊,陈晓玲,李东阁,等.串联式混合动力推土机驱动系参数匹配设计[J].机械工程学报,2014,50(1):70-75.

[6] Alparslan B. Topology Considerations in Hybrid Electric Vehicle Powertrain Architecture Design[D]. Michigan: The University of Michigan,2015.

[7] 孙逢春,张承宁.装甲车辆混合动力电传动技术[M].北京:国防工业出版社,2008:30-35.

[8] 辛乾,杨卓帆.重型半挂牵引车典型循环工况研究[J].汽车实用技术,2015(1):76-77,92.

[9] 张希,米春亭.车辆能量管理:建模、控制与优化[M].北京:机械工业出版社,2013:127-138.

[10] Nwobu C J, Zhang L. Lifting Wavelet Transform and Energy O-perator Synchronization for A Flying Capacitor Multi-level Inverter Based Active Power Filter[C]∥EPE Committe 15th European Conference on Power Electronics and Application.Piscataway,USA:IEEE,2013:103-102.

[11] 郑维.混合动力汽车总成参数匹配方法与控制策略的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.

[12] 王喜明,郭志军,李忠利,等.混合动力汽车动力电池组参数匹配[J].河南科技大学学报:自然科学版,2011,32(4):19-23.

[13] 韩立金,刘辉,王伟达,等.功率分流混合动力汽车参数匹配与优化研究[J].汽车工程,2014,36(8):904-910.

(责任编辑: 尚菲菲)

Parameters Matching and Optimization for Multiple Power Sources of Electric Drive Armored Vehicles

CHEN Lu-ming1, LIAO Zi-li1, LIU Chun-guang1, XU Zeng-bin2

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China;2. Troop No.68207 of PLA, Jiayuguan 735100, China)

To improve the mobility and fuel economy of electric drive armored vehicles, the constraint range of multiple power sources is confirmed according to extreme drive conditions. Under the heavy vehicle driving cycle, 5 groups of parameters matching schemes are selected with different mixing ratios. The scheme with lowest fuel consumption is determined by simulation experiment based on Cruise vehicle model. The result of simulation demonstrates that the optimized parameters matching schemes of multiple power sources can meet the requirements of vehicles’ driving performance and improve the fuel economy.

electric drive armored vehicles; mobility; fuel economy;9o wavelet transform; mixing ratio

1672-1497(2015)06-0034-06

2015-09-02

军队科研计划项目

陈路明(1991-)，男，硕士研究生。

TJ811; TK421.7

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.007