基于復(fù)合電源的混合動(dòng)力客車(chē)功率解耦方法

基于復(fù)合電源的混合動(dòng)力客車(chē)功率解耦方法

對(duì)于城市公共交通的日常行駛，采用混合動(dòng)力系統(tǒng)可以節(jié)省大量的節(jié)能和排放。某公司設(shè)計(jì)的第一代混合動(dòng)力客車(chē)使用單一鎳氫電池作為車(chē)載儲(chǔ)能裝置,為滿(mǎn)足電機(jī)功率需求而匹配的電池容量很大,容量利用率很低。而且在城市頻繁的起車(chē)、加速、制動(dòng)、停車(chē)的工況中,電池頻繁的大功率充電放電,在壽命、能量效率方面存在較大的不足,既增加了車(chē)輛行駛的維護(hù)成本,又限制了混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)油效果。因此,本文提出由鋰電池和超級(jí)電容組成主動(dòng)控制式車(chē)載電源作為下一代混合動(dòng)力客車(chē)的儲(chǔ)能裝置,并基于目標(biāo)工況進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)能量源的優(yōu)化匹配。1混合動(dòng)力客車(chē)能量源設(shè)計(jì)本文研究的混合動(dòng)力客車(chē)采用雙電機(jī)并聯(lián)構(gòu)型。ISG電機(jī)最大功率為15kW,集成在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸,通過(guò)電控離合器與AMT輸入軸連接在一起。主電機(jī)最大功率為90kW,與AMT變速箱輸出軸通過(guò)齒輪箱將動(dòng)力耦合輸出到后橋,電池通過(guò)直流變壓器DC/DC與超級(jí)電容并聯(lián)作為電源,如圖1所示。使用主動(dòng)控制式復(fù)合電源作為儲(chǔ)能裝置的混合動(dòng)力客車(chē)有發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和超級(jí)電容3個(gè)能量源,如何能夠在整車(chē)設(shè)計(jì)之初根據(jù)車(chē)輛基本參數(shù)和日常運(yùn)行的工況需求進(jìn)行3個(gè)能量源的優(yōu)化匹配是個(gè)難題。本文將對(duì)工況需求的功率流進(jìn)行分析,基于混合動(dòng)力汽車(chē)控制原理,將發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電容的功率分離開(kāi)來(lái),以發(fā)動(dòng)機(jī)效率、復(fù)合電源的系統(tǒng)效率、電池壽命、成本等作為指標(biāo),進(jìn)行復(fù)合電源的優(yōu)化匹配,流程如圖2所示。2基于目標(biāo)場(chǎng)景的電機(jī)功率調(diào)整2.1整車(chē)功率pg采用如圖3所示的某城市客車(chē)工況作為對(duì)車(chē)輛動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能要求的目標(biāo)工況,對(duì)其進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)功率和復(fù)合電源參數(shù)的優(yōu)化匹配。根據(jù)汽車(chē)行駛阻力方程和目標(biāo)工況車(chē)速,結(jié)合整車(chē)參數(shù)即可計(jì)算得出整車(chē)行駛需求功率Pr。電功率Pel的表達(dá)式為式中:ηm為電機(jī)效率,設(shè)為0.9;ηb為再生制動(dòng)占總制動(dòng)的能量比例,設(shè)為0.35。將ηm、ηb代入整車(chē)參數(shù),即可得到Pe1,如圖4所示。整車(chē)參數(shù)如下:質(zhì)量為14t,風(fēng)阻系數(shù)為0.8,迎風(fēng)面積為7m2,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)為1.05,滾阻系數(shù)為0.008?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)行車(chē)可分為純電動(dòng)、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)3個(gè)模式,發(fā)動(dòng)機(jī)主要參與聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式,該模式下不同驅(qū)動(dòng)功率時(shí)的整車(chē)驅(qū)動(dòng)能量分布如圖5所示。2.2等效燃油消耗模型以最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配即是不同功率下發(fā)動(dòng)機(jī)效率特性和如圖5所示的工況驅(qū)動(dòng)能量分布的匹配。為得到不同輸出功率負(fù)荷率(輸出功率與最大功率比值)時(shí)的柴油機(jī)比油耗的一般特性,本文針對(duì)混合動(dòng)力客車(chē)使用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī),選取了幾個(gè)在100kW功率等級(jí)附近的柴油機(jī)作為數(shù)據(jù)來(lái)源,進(jìn)行了不同功率下發(fā)動(dòng)機(jī)平均比油耗的統(tǒng)計(jì),并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,如圖6所示?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)并非只有一個(gè)動(dòng)力源,工況中的功率需求并非完全由發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足。但由于所有能量的最終來(lái)源都是發(fā)動(dòng)機(jī),將電機(jī)發(fā)電或助力產(chǎn)生的電能折算到發(fā)動(dòng)機(jī)油耗當(dāng)中,就可以得到不同需求功率下對(duì)應(yīng)的等效比油耗,進(jìn)而可以匹配在如圖5所示的工況需求能量分布的情況下油耗最低的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。電機(jī)助力驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)發(fā)電3種工況的等效油耗分別為式中:x為功率負(fù)荷率;E(x)為發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗;ηb=0.9;ηm=0.9;xmin為電機(jī)發(fā)電臨界工作點(diǎn),即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率小于xmin時(shí),電機(jī)發(fā)電以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率,xmin的確定應(yīng)遵循的原則是:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率負(fù)荷小于xmin時(shí),通過(guò)電機(jī)發(fā)電的方式所計(jì)算得出的等效燃油消耗應(yīng)小于發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車(chē)的燃油消耗,即代入ηb、ηm,當(dāng)Δx趨近于0,可得當(dāng)x<20時(shí),式(6)成立,說(shuō)明xmin=20。由此可以將圖6擴(kuò)展為關(guān)于需求功率Pr與發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pe的比值x的等效比油耗圖,如圖7所示。結(jié)合圖7數(shù)據(jù),可以算出不同發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pe滿(mǎn)足如圖5所示的驅(qū)動(dòng)能量要求時(shí)的燃油消耗Eall。式中:G(Pr)為圖5所示的需求功率為Pr時(shí)的工況能量分布值。計(jì)算結(jié)果如圖8所示,發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為90kW時(shí)燃油消耗最低。3電池電容優(yōu)化匹配根據(jù)混合動(dòng)力汽車(chē)的控制思想,當(dāng)要求驅(qū)動(dòng)功率小于發(fā)電臨界值20%,即驅(qū)動(dòng)功率在0~18kW時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)以18kW工作發(fā)電,當(dāng)要求驅(qū)動(dòng)功率為18~90kW時(shí),由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車(chē),當(dāng)要求驅(qū)動(dòng)功率大于90kW時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大功率,剩余部分由電機(jī)助力,由此可以得到工況對(duì)復(fù)合電源的功率能量需求,如圖9所示,最大需求功率為-86kW,需求能量為1085kJ。復(fù)合電源中電池電容的優(yōu)化匹配就是在滿(mǎn)足圖9所示的功率需求的前提下,評(píng)估不同電池電容配比的情況下系統(tǒng)的效率、壽命、成本選取最優(yōu)方案的過(guò)程。本文引用兩家公司的鋰離子電池和超級(jí)電容單體產(chǎn)品性能參數(shù)作為進(jìn)行電池電容優(yōu)化匹配的依據(jù),如表1所示。3.1電容能量對(duì)電池功率的影響為計(jì)算可以滿(mǎn)足工況條件的電池電容配比方案,本文按每次起停將整個(gè)工況分為9個(gè)子工況,根據(jù)整車(chē)對(duì)電源的功率需求計(jì)算不同電池時(shí)所需電容容量。以第9段子工況為例,若匹配容量1kWh的電池,則當(dāng)工況需求的復(fù)合電源功率為5kW以?xún)?nèi)時(shí),功率完全由電池提供,當(dāng)工況需求的復(fù)合電源功率大于5kW時(shí),不足的功率由電容補(bǔ)充。以此類(lèi)推,得到不同容量電池時(shí)電池功率如圖10所示。根據(jù)電容補(bǔ)充功率可以得到不同電池容量時(shí)工況對(duì)電容的能量需求,滿(mǎn)足工況所需的最小電容能量即為電容能量值最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差,如圖11所示。不同電池容量下所需電容容量如表2所示。查表2即可得到不同電容能量下所需的電池容量。使用同樣方法,計(jì)算不同電容容量時(shí)9段工況所需的電池容量,結(jié)果如圖12所示。不同超級(jí)電容容量時(shí)各子工況中需求電池容量的最大值即為此電容容量時(shí)滿(mǎn)足整個(gè)工況功率需求所需的電池容量。3.2參數(shù)設(shè)置國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)鋰動(dòng)力電池價(jià)格為3000元/(kWh),加上DC/DC成本,按照4500元/(kWh)來(lái)計(jì)算。Maxwell超級(jí)電容在按車(chē)用260~420V電壓范圍的可用能量計(jì)算其價(jià)格為71.1元/kJ。由于實(shí)際應(yīng)用中工況的不確定性,控制策略并不能將一定電容容量下所能起的“削峰填谷”作用完全發(fā)揮出來(lái),因此選取電容可用能量為1.25的安全系數(shù),可得系統(tǒng)的總價(jià)格如下:3.3電池電容容量配比對(duì)不同電池電容配比時(shí)復(fù)合電源效率和壽命等特性進(jìn)行估算,必須將工況對(duì)復(fù)合電源系統(tǒng)的功率需求分為對(duì)電容和電池各自的功率需求。查圖12,不僅可以得出滿(mǎn)足工況需求的電池電容容量配比,同時(shí)也可以得出不同電容容量下各個(gè)子工況所需的電池助力功率范圍,如表3所示。由此將電池和電容的功率分離開(kāi)來(lái),即當(dāng)需求功率小于輔助功率時(shí),工況功率由電池提供,當(dāng)需求功率大于輔助功率時(shí),不足功率由電容補(bǔ)充。圖13為第7和第8子工況下電池和電容的功率需求。3.4量后與總能量的比值系統(tǒng)效率是指流過(guò)系統(tǒng)的總能量減去損失能量后與總能量的比值。主動(dòng)控制式復(fù)合電源能量損失主要包括電池和電容歐姆損失,電池和電容安時(shí)效率損失,DC/DC效率損失。(1)電池電容cg電池和電容的歐姆能量損失是電流流過(guò)時(shí)其內(nèi)阻消耗的能量。將電池和電容等效為恒壓源與內(nèi)阻模型,則能夠以?xún)?nèi)阻上的分壓和電池的端電壓計(jì)算出不同電流流過(guò)時(shí)歐姆損失能量占流過(guò)能量的比例。充電時(shí),損失比例ρ的計(jì)算式為式中:I為電流;Rom為內(nèi)阻;OCV為開(kāi)路電壓。將表1中電池電容參數(shù)代入式(9),計(jì)算得到不同倍率充電時(shí)電池、電容充電歐姆能量損失比例,如表4所示。放電時(shí),損失比例ρ為同理可計(jì)算出電池、電容放電歐姆能量損失表達(dá)式為(2)超級(jí)電容安時(shí)效率鋰電池中的充放電化學(xué)反應(yīng)幾乎沒(méi)有副反應(yīng)發(fā)生,認(rèn)為其安時(shí)效率為99%,即在充電和放電過(guò)程中各有0.5%的電量損失。超級(jí)電容電量的充放過(guò)程是電荷在極板之間移動(dòng)的物理過(guò)程,幾乎沒(méi)有安時(shí)效率損失,設(shè)超級(jí)電容安時(shí)效率為99.5%。安時(shí)效率損失的能量為(3)效率低下車(chē)用DC/DC效率特性如表5所示。DC/DC效率損失為3.5循環(huán)次數(shù)的確定超級(jí)電容的充放電循環(huán)壽命極長(zhǎng),因此本文只對(duì)電池壽命進(jìn)行研究。根據(jù)文獻(xiàn)的研究,電池以不同倍率進(jìn)行100%深度充放電,直到電池容量達(dá)到初始容量的80%時(shí)的循環(huán)次數(shù),如表6所示。將電池以不同倍率放電對(duì)電池壽命的影響考慮到電池壽命計(jì)算當(dāng)中,本文引入放電倍率系數(shù)的概念。以1C放電時(shí)電池壽命為標(biāo)準(zhǔn),以一定倍率放電時(shí)的放電倍率系數(shù)θ為1C放電循環(huán)次數(shù)/當(dāng)前放電倍率下循環(huán)次數(shù)。按照電池以1C倍率充放電可以有2556倍電池最大容量的能量經(jīng)過(guò)電池來(lái)計(jì)算電池壽命,可以得到電池達(dá)到其壽命時(shí)可進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)為每次循環(huán)行駛里程為8.4km,計(jì)算得到電池壽命里程。3.6動(dòng)力電池的配比將由前文計(jì)算的電池壽命、成本、系統(tǒng)效率和重力等數(shù)據(jù)匯總,并將電源能量轉(zhuǎn)換時(shí)的損失按照260g/(kWh)轉(zhuǎn)換為損失等效油耗,結(jié)果如表7所示。分析表7,當(dāng)電容容量取400kJ以下時(shí),其主要作用是吸收工況峰值功率,降低了對(duì)電池的最大功率需求。因此,隨著電容容量的增大,需求的電池容量迅速減少。但工況中大部分能量仍由電池提供,這就使得電池平均放電倍率變大,系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率變低,電池壽命縮短。匹配電容容量在400kJ以上時(shí),隨著電容容量的增加,電容在工況中提供的能量比例不斷提高,系統(tǒng)效率不斷上升,而電池壽命由于其電池容量的增大而大幅減少,達(dá)到一定值后便趨于穩(wěn)定。主要考慮電池壽命及能量轉(zhuǎn)換效率,本文按800kJ電容容量選取復(fù)合電源參數(shù)。按照1.25的安全系數(shù)和表2中的參數(shù),以及車(chē)用電機(jī)電壓等級(jí),本文選取150節(jié)電容單體串聯(lián)組成超級(jí)電容組,與16Ah、標(biāo)稱(chēng)電壓為260V的動(dòng)力電池組成復(fù)合電源,作為下一代混合動(dòng)力客車(chē)的車(chē)載儲(chǔ)能裝置。系統(tǒng)的成本為8.5萬(wàn)元。4電池壽命仿真為驗(yàn)證所匹配的復(fù)合電源系統(tǒng)性能,對(duì)整車(chē)仿真軟件advisor進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。建立復(fù)合電源及基于規(guī)則的復(fù)合電源控制策略模型,進(jìn)行前文目標(biāo)工況的仿真,仿真結(jié)果如圖14所示。與單一電池相比,使用復(fù)合電源時(shí)大部分的工況需求功率都由電容提供,統(tǒng)計(jì)整個(gè)工況需求能量結(jié)果如表8所示。電池中流過(guò)的電量為2.68Ah,考慮充放電倍率因數(shù)時(shí)的等效電量為3Ah。電池容量為16Ah,按表中電池進(jìn)行1278次滿(mǎn)充滿(mǎn)放時(shí)達(dá)到的電池壽命來(lái)計(jì)算,可進(jìn)行13632次循環(huán),行駛11.5萬(wàn)公里。單一電池流過(guò)的電量為21.12Ah,考慮充放電倍率因數(shù)時(shí)的等效電量為21.56Ah,可進(jìn)行7587次循環(huán)