48 V微混系统能量管理策略建模仿真研究

2023-10-10王楠楠徐小东仇多洋

长春师范大学学报 2023年8期

王楠楠,徐小东,仇多洋

(1.安徽交通职业技术学院,安徽合肥 230051;2.合肥学院,安徽合肥 230601)

1 研究背景

随着汽车保有量的不断增加,汽车尾气的排放加剧了环境污染,造成了能源短缺。而混合动力汽车被认为是当前阶段降低油耗和空气污染的有效解决方案,已经产业化[1]。发展节能与新能源汽车产业具有重要意义:是降低环境污染的有效途径;是推动经济发展方向转变,促进经济增长的战略需要;是汽车工业发展的必由之路;是智能电网建设的重要内容。在我国多项产业政策的扶持下,节能与新能源汽车产业搭上了发展的高速列车[2-4]。

根据输出功率中电机输出功率所占的比率,即混合度,可将混合动力系统分为微混、轻混、强混、插电式四类。48 V混合动力属于微混合动力技术的一种,采用标称电压48 V作为系统电压,在车辆行驶过程中利用BSG(Belt-driven Started/Generator)电机参与动力输出和能量回收,主要起到降低油耗的作用。48 V微混系统以其低成本、高节油性能得到了各整车厂及零部件供应商的认同,与电机驱动的强混合动力汽车相比,在技术层面,48 V微混系统车辆依靠发动机驱动,电机主要提供动力和能量回收,结构相对简单;在安全层面,48 V微混系统车对电机功率要求较低,可使用中等大小的电压值,安全成本低。因此,在多种混合动力节油技术中,48 V微混动力系统被认为是最经济、最安全、最可靠的有效解决方案。该系统可降低整车10%～15%油耗,并优化驾驶性和车辆NVH性,而成本增加在6 000元以内,且开发难度低,是一种很有前景的方案。

2 混合动力系统架构

单电机混合动力系统根据电机的安装位置的架构形式分为五类,以P0、P1、P2、P3、P4命名,如图1所示。P0架构是用发电/启动(Stop-Start)一体式电机取代原来的起动机,通过皮带驱动飞轮。P1架构是将ISG电机安装在发动机飞轮端,并且在离合器前。P2架构是将电机安装在离合器后、变速箱前。P3架构是将电机安装在主减速器前端、变速箱输出轴后端。P4架构是将电机安装在驱动桥上直接驱动车辆,该架构主要是和其他架构组合,形成双电机或者三电机的混合动力系统,比如长城WEY P8的P0+P4架构,沃尔沃T8的P2+P4架构,全新一代唐DM、宋DM的P0+P3+P4架构[5]。

图1 混合动力系统分类

3 整车及动力传动系统建模

本文搭建基于P0架构的48 V微混系统的整车及动力传动系统模型,进行燃油经济性仿真,同时搭建对应的传统燃油车型和带有启停功能的燃油车型来对比分析48 V微混系统的节油效果。基于AVL CRUISE和Simulink的联合仿真结果表明,在三种车型中,48 V微混系统节油效果最好。

48 V微混系统的整车及动力传动系统模型的主要模块包括整车、发动机、电机、电池、变速器、差速器、驾驶室模块等[6]。

3.1 整车模块

整车模块是车辆最基本的模块,在整车模块中输入车辆相应参数后,比如整车驱动形式、整备质量、满载质量、重心高度、轴距、前后轮胎压、迎风面积、空气阻力系数、阻力曲线及试验载荷/参考车阻力曲线及试验载荷等,可以计算得到车轮动态负载,整车受到的总阻力、空气阻力、滚动阻力、加速阻力、坡道阻力等[7]。

3.2 发动机模型

发动机模型基于发动机台架试验数据,通过查询发动机速度特性曲线(图2)和燃油消耗MAP图(图3),插值计算发动机实际输出扭矩和油耗[8]。

图2 发动机速度特性曲线

be=f(Te,ne),

其中,Te为发动机在全负荷工况下的输出扭矩;Ne为转速;ai为拟合发动机在全负荷工况下输出扭矩时的多项式系数;be为发动机瞬时燃油消耗率;ne为发动机转速;Q为发动机从t0到t时间内的总油耗;Pe为发动机输出功率;ρe为燃油密度。

3.3 电机模块

电机模块可以作为电动机,也可以作为发电机。作为电动机进行驱动时的输出功率Pd和作为发电机时的输出功率Pc的计算公式如下[8]:

Pc=(Tm+Tr)·nm·ηm,

其中,Tm为电机输出转矩;nm为电机转速;ηm为电机效率;Tr为制动回收扭矩。

电机的外特性曲线如图4所示,电机效率如图5所示。

图4 电机外特性曲线

图5 电机效率图

3.4 电池模块

电池模型可以等效为一个电压源和一个电阻的电路。电池的端电压Ub=UO-IbRb。电池输出给电机的功率的计算公式为

Pb=UbIb.

电池的回路电流计算公式为

其中,Ub为电池端电压;UO为电池开环电压;Ib为电池回路电流;Rb为电池内阻;Pb为电池输出功率。

电池开环电压曲线如图6所示。

3.5 驾驶员模块

驾驶员模块通过信号连接完成驾驶员和车辆的信息传递。采用闭环控制方式来建模,即基于车辆需求车速和实际车速的差值来控制加速踏板和制动踏板开度[5]。

其中,y(t)为控制信号;k1为比例系数;k2为积分控制系数;k3为微分控制系数;vo(t)为目标车速;v(t)为实际车速;ya(t)为加速踏板开度信号;yb(t)为制动踏板开度信号。

为了体现48 V微混车的燃油经济性能好的优势,使用分层建模方式。将模型分为三个层级,分别是传统燃油车、12 V启停车、48 V微混车,每个层级有以下子系统:公用传递系、发动机+制动机+监视器+附件、48 V系统部件、48 V系统控制单元。各个层级模型是不同子系统的组合。传统燃油车、12 V启停车和48 V微混车系统模型分别如图7至图9所示。

图7 传统燃油车分层模型

图8 12 V启停车模型

图9 48 V微混车系统整车分层模型

4 控制策略

混合动力汽车的设计核心是能量管理策略,在不同的行驶工况下,协调各个能量源的工作,从能量利用最优的角度控制汽车各个部件的工作状态,同时满足汽车的行驶需求。目前能量管理策略主要有两种:基于优化的能量管理策略和基于规则的能量管理策略。其中,基于优化的能量管理策略分为全局优化和瞬时优化;基于规则的能量管理策略对控制器硬件性能要求不高,鲁棒性好,容易实现,开发成本低,多用于当前工业生产。基于规则的混合动力汽车能量管理策略,本文研究共包含三部分:负载扭矩解析、模式切换策略、扭矩分配。

4.1 负载扭矩解析

驾驶员控制油门踏板,将不同的扭矩输送给车轮,使车辆获得相应的加速度。当车辆有小的加速度需求时,驾驶员踩下小的油门踏板开度,当车辆有大的加速度需求时,驾驶员踩下大的油门踏板开度。也就是说,负载扭矩与油门踏板开度、发动机转速呈现对应关系。负载扭矩解析的目的是获得油门踏板开度、负载扭矩、发动机转速之间的关系,在控制策略中可以通过建立MAP图来实现。图10为负载扭矩解析的MAP图。

图10 负载扭矩解析MAP图

4.2 模式切换策略

整车工作模式的划分及切换逻辑是通过MATLAB/SIMULINK中的Stateflow模块来制定,通过输入输出信号与SIMULINK的其他模块相连,使控制策略模型协调控制整车模块。

4.3 扭矩分配

当不同的动力源工作时,需要根据当前需求扭矩和动力部件的自身特点来分配各个动力源需要提供的扭矩。为了判断哪个动力部件参与驱动,需要设定不同的工作模式,对不同模式设定不同规则,只要车辆运行工况符合设定的规则,那么车辆即进入指定工作模式[7]。控制策略顶层模型如图11所示。根据电池荷电状态、需求扭矩、车速时间状态、发动机输出扭矩、电机输出扭矩将车辆运动状态分为六种驱动状态。各工作模式的扭矩分配如表1所示,S为电池荷电状态值,Sl为电池荷电状态下限值,Sh为荷电状态上限值,Tr为整车需求扭矩,v为当前车速,Tm为发动机最大扭矩,Te为发动机最佳效率工作扭矩,Tb为允许制动能量回收的最大扭矩值,Tc为发动机充电扭矩,vb为允许制动能量回收的最低车速,Ts为允许发动机自动停止的最大扭矩值,t为车辆当前停车的时间,ts为允许发动机自动停止的最小车辆停止时间,Ta为允许发动机自动启动的最小扭矩值。

表1 各工作模式的扭矩分配

图11 控制策略顶层模型

5 整车仿真结果分析

在道路仿真中使用较为广泛的NEDC循环工况,由4个城市工况(ECE)和1个市郊工况(EUDC)组成,循环工况总时间为1 181 s,总距离为10.93 km,平均速度为33.2 km/h,最大速度为120 km/h,怠速时间为300 s。对传统车、增加普通启停的汽车、48 V微混车在NEDC循环工况下进行仿真。仿真过程中车速跟随情况见图12。由仿真结果可以看出,基于规则的能量管理策略下,实际车速与目标车速是一致的,车速跟随误差较小。

图12 车速跟随情况

传统车、增加普通启停的汽车、48 V微混车三种车型的发动机工作点图如图13至图15所示。从三种车型在低扭矩区域的工作点分布来看,传统车和启停车的分布情况相似,最不密集的是48 V微混车,其次是启停车,最密集的是传统车。48 V微混车的发动机工作点更多集中在燃油经济性能好的区域。

图13 传统车发动机工作点图

图14 启停车发动机工作点图

图15 48 V微混车发动机工作点图

将三种车型的累积油耗进行对比(图16),从图16可以看出,随着时间增加,累积油耗逐渐增多,且增加率越来越大。48 V微混车的油耗最小,启停车次之,传统车最大。原车百公里油耗是5.152 L,启停车百公里油耗是4.685 L,其相比原车减少的油耗量是0.467 L,节油率为11.8%。48 V微混车百公里油耗是4.148 L,比原车油耗节省1.004 L,节油率是19.488%。经过比较可以得到如下结论:相对于启停车,从燃油经济性来看,48 V微混车更加省油。