基于瞬时优化的纯电动商用车能量管理策略①
2021-07-05丁钰航
丁钰航，宋 珂
(同济大学,上海 201804)
0 引 言
近年来，随着能源问题和环境问题的逐渐突出，人们对环保的需求逐渐增加，排放标准的要求也逐渐提高，因此，越来越多的商用车采用动力电池作为动力来源。采用动力电池作为车辆的动力源具有节能环保、减少排放等优点。然而，电动汽车仍具有续航里程短、电池适应性差等缺点，这些缺点制约了电动汽车的广泛应用。为了提高电动汽车的经济性能并增加其续航里程，有必要对电动汽车的能量管理策略进行研究。
提出了一种基于瞬时优化的纯电动能量管理策略。瞬时优化常用于混合动力汽车的能量管理策略。对于采用双电机的纯电动商用车，瞬时优化方法同样可以用于确定能量管理策略。提出的能量管理策略首先构建了能量损失函数，对于任意的需求功率，计算不同的功率分配方案下的能量损失并进行比较，最终确定最优的功率分配方案，从而减少动力系统的能量损失，提高电动汽车的经济性能。
结构如下：第一章介绍了研究的纯电动商用车的动力系统；第二章对提出的基于瞬时优化的能量管理策略进行了介绍；第三章对提出的能量管理策略进行了仿真测试；第四章对测试的结果进行了讨论和分析；第五章对全文进行了总结。
1 纯电动商用车动力系统
研究对象为一辆纯电动商用车。其动力系统结构如图1.所示。研究对象的动力系统由动力电池、作业电机和驱动电机等组成。在车辆处于清扫模式时，作业电机用于清扫作业，驱动电机用于驱动车辆前进。当车辆处于行进模式时，两个电机共同用于驱动车辆前进。对车辆处于行进模式时的状态进行研究，并提出相应的能量管理策略。
图1 本文研究的纯电动商用车的动力系统
动力系统部件的主要参数如表1.所示。
表1 本文研究的纯电动商用车的动力系统主要参数
纯电动商用车的作业电机的效率如图2所示。
图2 作业电机的效率图
纯电动商用车的驱动电机的效率如图3所示。
图3 驱动电机的效率图
2 瞬时优化能量管理策略
2.1 瞬时优化方法介绍
瞬时优化能量管理策略通过在不同的动力来源之间寻找最优的功率分配方法来减少系统整体的功率损失。对于由内燃机和动力电池作为动力源的混合动力汽车，该方法通过比较不同功率分配下内燃机和动力电池的功率损失综合，确定对于任意需求功率的能量分配方案。本文所研究的纯电动商用车虽然只配备了一个动力电池作为能量来源，但由于两个电机可以同时驱动车辆前进，因此瞬时优化能量管理策略也可以用于本文研究对象的经济性优化。
2.2 能量损失函数
为了对车辆经济性能优化，需要首先确定优化目标。优化目标如公式(1)，约束条件为公式(2)。
(1)
Preq=Pmotor1+Pmotor2
(2)
其中，Preq是车辆行驶过程中的需求功率，Pmotor1是电机1所提供的功率，Pmotor2是电机2所提供的功率，Ltotal(Pmotor1,Pmotor2)是两个电机的功率损失的总和。
Ltotal(Pmotor1+Pmotor2)=L(Pmotor1)+L(Pmotor2)
(3)
电机的功率损失为
L(Pmotor)=Pmotor·(1/ηmotor-1)
(4)
对于任意需求功率，车辆可以以三种模式工作，即电机1单独驱动，电机2单独驱动，两个电机共同驱动。因此，可以通过比较三种模式的功率损失大小，从而确定车辆的工作模式。
当两个电机共同驱动时，通过对行星齿轮结构的转速和转矩进行分析，可以得到如下关系。
(5)
Tr=kTs
(6)
Tc=-(1+k)Ts
(7)
其中，nc和Tc分别是行星齿轮输出的转速、转矩；ns和Ts分别是太阳轮的转速、转矩；nr和Tr分别是外部齿轮输出的转速、转矩；k为行星齿轮的特征参数。
3 仿真实验
图4 CHTC-B工况
在仿真过程中，车辆行驶时的需求功率可以通过公式(8)得到。
Preq=v(ma+Fa+Fr+Fg)
(8)
其中，v为车速，m为整车质量，a为车辆加速度，Fa为空气阻力，Fr为滚动阻力，Fg为坡度阻力。
在得到需求功率后，就可以根据能量管理策略计算不同电机工作模式的功率损失，从而得到当前最优的电机工作模式。
4 结果和讨论
对所研究的纯电动商用车在CHTC-B工况下进行了一个周期的仿真，仿真实验的结果如表2所示。
表2 不同能量管理策略下动力电池SOC的下降情况
与完全采用驱动电机用于驱动车辆前进相比，采用瞬时优化能量管理策略后，在整个循环工况中，车辆电池需要输出的能量下降了6.1%。
5 结 论
提出了一种基于瞬时优化的纯电动商用车能量管理策略。瞬时优化能量管理策略通过对比不同的电机分配方案之间能量损失，确定瞬时最优的功率分配方案，从而提高车辆的经济性能。在仿真实验中，采用本文提出的能量管理策略，纯电动商用车的经济性能可以提高6.1%。仿真实验的结果证明，本文提出的能量管理策略可以有效的提高双电机纯电动商用车的经济性能。
