基于小波变换的混合动力车辆功率分流策略分析

陈路明，　廖自力，　刘春光，　项　宇

(装甲兵工程学院　控制工程系，北京　100072)



基于小波变换的混合动力车辆功率分流策略分析

陈路明，廖自力，刘春光，项宇

(装甲兵工程学院控制工程系，北京100072)

混合动力车辆通常具有两个或多个动力源，结构相对复杂，分流到各动力源的功率存在多种组合方式．常规功率分流策略如峰值电源最大荷电状态策略、恒温器策略等仅作用于时域空间，依据功率幅值进行分流，当功率波动剧烈时，产生的高频功率分量会对动力电池的性能造成负面影响．为消除这种影响，提出了基于小波变换的功率分流策略，在时频域空间将需求功率分解为若干高频分量和低频分量，确定各动力源功率分流情况，最后利用RT-LAB建立的整车模型进行仿真试验，将仿真结果与基于恒温器策略得到的仿真结果进行比较，验证基于小波变换的功率分流策略能更好地跟随功率变化，提高供电质量，延长电池寿命．

混合动力车辆；功率分流策略；小波变换；恒温器策略

随着科学技术的发展和世界新军事变革的推进，武器装备成为战斗力生成的关键因素．传统战斗车辆受限于动力结构和传动方式等，难以满足火力、机动和防护性能提升带来的日益增长的载荷需求[1]．新型储能技术的逐步成熟，为混合动力车辆的发展提供了重要支撑．为提升车辆动力系统对载荷的跟随能力，多动力源的综合电力系统成为新型混合动力车辆的发展方向[2]．

车辆综合电力系统的供电品质不仅取决于各动力源的拓扑结构，还与功率分流策略有密切关系．目前典型的功率分流策略包括峰值电源最大荷电状态的功率分流策略和恒温器功率分流策略等，张桂连等[3]针对混联式车辆提出了电动优先的混合控制策略，提高了车辆在UDDS工况下制动能量回收效率；朱武喜等[4]将单点恒温器功率分流策略应用到增程式电动公交客车电量维持阶段，提高了该型客车的燃油经济性．考虑到战斗车辆一般自重较大、频繁起动、加速及制动过程中存在较多瞬态功率，而发动机和动力电池由于自身特性的限制，几乎不能应对这部分需求功率，会对动力源的寿命造成负面影响．小波变换能够在时域-频域对功率信号进行分解，将高频瞬态功率分流给超级电容，最大限度地发挥其高比功率的优势，适用于非稳态和瞬态信号的分析．

选取CYC-HWFET循环行驶工况作为试验依据，利用小波变换对功率曲线进行分解，并对整车功率进行分流，最后在RT-LAB建立的整车模型上进行仿真试验，对比恒温器功率分流策略分流结果，验证基于小波变换的功率分流策略能够充分发挥各动力源工作特性，延长动力电池、发动机/发电机组的使用寿命，提高综合电力系统的供电品质．

1　混合动力车辆基本情况

1.1车辆综合电力系统结构

混合动力车辆采用的综合电力系统结构如图1所示．

图1　车辆综合电力系统结构

该方案中发动机/发电机组和驱动电机以串联方式连接，发动机通过机械连接轴直接带动发电机旋转发电，其电能经整流后汇入高压直流母线，作为主动力源；动力电池电能通过DC/DC升压汇入高压直流母线，通过DC/DC减压吸收母线回馈电能，超级电容直接并联到高压直流母线，对电压“削峰填谷”，稳定母线电压，二者共同供能，作为辅助动力源．高压直流母线电能通过DC/AC转换为交流电，驱动电机工作；驱动电机制动等过程产生的能量通过AC/DC转化为直流电，回馈到高压直流母线．当储能装置对回馈能量的吸收达到饱和时，通过能耗电阻放电，保证系统供能安全．

1.2整车功率计算

根据车辆动力学相关理论，可知整车功率P需求计算公式为[5]

P=(mgsinα+mgfcosα+

(1)

式中：m为车辆质量；g为重力因数；α为坡度角；f为滚动摩擦系数；Cd为空气阻力系数；A为迎风面积；v为车速；δ为旋转质量系数；t为车辆行驶时间．

2　小波变换理论

2.1小波变换思想[6]

小波分析起源于20世纪80年代，是傅里叶分析的拓展和延伸．小波变换作为小波分析的函数，主要用于将给定函数或时间信号分解为不同尺度的分量．它吸收和传承了短时傅里叶变换局部化的思想，确立了窗口大小与频率高低的随动关系，能够提供一个动态变化的“时频窗口”，是进行信号时频分析及压缩的有效工具．

小波变换在突出问题某些局部特征方面具有与生俱来的优势；在信号处理过程中，运用伸缩、平移等运算可以实现多尺度细化，达到在低频处频率细分，而在高频处时间细分的处理效果；具有对时域频域信号分析要求自动适应的能力，可以聚焦到信号的任意细节，克服傅里叶变换存在的不足．目前，小波变换技术已经成功地应用到信号与图形压缩、信号分析和工程技术等多个领域．

2.2小波变换过程

小波变换过程一般包含两个阶段，即分解和重构．首先通过分解公式将一维时域函数映射到二维“时间-频率”域上，通过改变平移、伸缩因子，获得时频宽度不同的小波，达到对信号时频局部化分析的目的．最后通过小波逆变换，将二维信号重构回初始的一维信号．小波变换用到的小波基函数具有多样性，作为最流行的小波基函数，哈尔小波与其他小波相比在时域上具有最短的滤波长度，因此采用哈尔小波作为小波基函数[7]，其表达式为

(2)

对于连续小波变换，其分解表达式为

(3)

连续小波变换的重构表示式为

f(t)=

(4)

在实际问题的数值计算中，由于连续小波变换的伸缩、平移因子都是连续变化的函数，对数字信号进行连续积分时很不方便，需要采用Riesz基对信号f(t)进行离散化处理结果，此时f(t)的离散小波变换分解表达式为

(5)

离散小波变换的重构表达式为

(6)

为便于计算，采用离散小波变换对整车需求功率进行分解，得到若干组具有不同频率段的功率分量，为功率分流提供依据．

在车辆行驶过程中，小波分解阶数要合适以保证计算的简便性和满足频率限制条件，因此选用3级小波变换对系统需求功率信号s进行分解，该过程如图2所示．

图2　3级功率分解示意图

图中：a3为滤波得到的第3级低频分量；di(i=1,2,3)分别为第1级高频分量、第2级高频分量和第3级高频分量．

2.3基于小波变换的功率分流策略

基于小波变换的功率分流策略能够从整车总需求功率中提取高频成分，分配给超级电容，以充分发挥超级电容高比功率的优势；低频功率分量则由发动机/发电机组和动力电池共同提供．同时，由于动力电池具有充放电特性，因此动力电池能够吸收低频回馈功率并协助发动机/发电机组分担低频需求功率的正值部分[8]．

结合动力源特性，可知分流到发动机/发电机组、动力电池和超级电容的功率分别为

(7)

(8)

PUC=d1+d2+d3．

(9)

3　应用实例

3.1车辆基本参数和性能指标

为计算车辆需求功率和各动力源性能参数，表1列出了研究需要的混合动力车辆基本参数及性能指标要求．

表1　混合动力车辆的基本参数及性能指标

3.2循环行驶工况

车辆循环行驶工况是大量数据点构成的曲线，反映车速与时间的变化关系．循环行驶工况可以模拟车辆实际行驶情况．在设计初期，为测试车辆性能及验证功率分流策略提供依据．混合动力车辆的仿真测试采用CYC-HWFET循环行驶工况作为依据[9-10]，其速度曲线如图3所示．该循环行驶工况的部分特征值如表2所示．

图3　CYY-HWFET循环行驶工况

类型数值时间/s760距离/km16.3最大速度/(km·h-1)95平均速度/(km·h-1)77.2最大加速度/(m·s-2)1.31最大减速度/(m·s-2)-1.12平均加速度/(m·s-2)0.57平均减速度/(m·s-2)-0.42

3.3功率分解

在给定的车辆设计指标及循环行驶工况基础上，依据小波变换，对整车功率进行分解，得到的各频率段功率情况如图4所示．

3.4功率分流仿真曲线

目前适用于混合动力车辆的功率分流策略包括峰值电源最大荷电状态策略、恒温器策略等，其中恒温器策略主要是依据动力电池SOC(荷电状态)的工作区间，控制发动机开关状态，以提高发动机工作效率．

选取基于小波变换的功率分流策略和恒温器功率分流策略，分别在RT-LAB建立的整车模型上进行仿真试验，得到各动力源功率分流情况如图5～7所示．

图5　发动机/发电机组功率分流曲线

图6　动力电池功率分流曲线

图7　超级电容功率分流曲线

对比图5～7可以看出，基于小波变换的功率分流策略中分流到发动机/发电机组、动力电池的功率幅值和变化频率明显低于恒温器分流策略的结果，而分流到超级电容的功率幅值和变化频率明显高于恒温器功率分流策略的结果．由此可知：基于小波变换的功率分流策略能够优化发动机/发电机组、动力电池的工作状态，避免需求功率频繁变化造成的能量损耗；充分发挥超级电容“削峰填谷”的作用，稳定系统供电电压，减小对动力电池等动力源的冲击．

4　结　论

基于小波变换的功率分流策略，能够在时域-频域对需求功率进行分解，分别得到不同频率段的高频分量和低频分量；而后依据一定的分流策略，将需求功率合理分流到各动力源．主要结论如下：

1)相比恒温器功率分流策略，基于小波变换的功率分流策略能够有效减小功率波动对动力源的冲击，延长动力电池使用寿命，提高综合电力系统供电品质．

2)在给定小波基函数和分解阶数等参数条件下，讨论了小波变换过程，但未对上述参数的选择进行细致研究，下一步需深入研究参数选取方法对功率分流结果的影响．

[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]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.

[3]张桂连.基于行驶工况的混合动力汽车参数匹配、控制策略研究及仿真平台搭建[D].广州:华南理工大学,2010.

[4]朱武喜,孙立清.增程式电动公交客车控制策略研究[J].汽车技术.2013(4):1-5.

[5]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.

[6]张德丰.MATLAB小波分析[M].北京:机械工业出版社,2011.

[7]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.

[8]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.

[9]叶磊,游国平.基于多种循环工况的混合动力客车制动能量回收对燃油经济性贡献率的研究[J].客车技术与研究,2011(2):13-15.

[10]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.

Analysis of Power Dividing Strategy for a Hybrid Electric VehicleBased on Wavelet Transform

CHEN Lu-ming,LIAO Zi-li,LIU Chun-guang,XIANG Yu

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Hybrid vehicles usually have two or more power sources so there are a variety of the power dividing strategies. Conventional strategies usually distribute the power in the time domain according to its amplitude, such as the strategy of the peak power with biggest SOC and the thermostat strategy. When the frenquency of the power fluctuation is high, its high frequency component of the power will have a negative effect on the batteries or other power sources. In order to cope with this problem, a power dividing strategy is proposed based on the wavelet transform. In the time-frequency domain, the needed power is decomposed into a number of high frequency and low frequency components, and distributed to each power source with a confirmed proportion. The vehicle model is tested in RT-LAB. The simulation results are compared with the outcomes from the thermostat strategy. The conclusion is that the studied strategy has advantages in following the power change well, improving the quality of power supply and extending the battery life.

hybrid electric vehicle; power dividing strategy; wavelet transform; thermostat strategy

1009-4687(2016)02-0002-05

2015-11-7

军队预先研究项目(40401010101)

陈路明(1991-)，男，硕士，研究方向为车辆综合电力系统能量管理.

TM761

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