基于avl-cruise和simulink的增程式電動(dòng)汽車(chē)仿真優(yōu)化

基于avl-cruise和simulink的增程式電動(dòng)汽車(chē)仿真優(yōu)化

增程式電動(dòng)汽車(chē)純電動(dòng)汽車(chē)具有零排放、高效率、低石油、運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但由于蓄電池的能量密度低和行駛里程短使它尚不能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛相競(jìng)爭(zhēng)。為了延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程,將燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組成的發(fā)電機(jī)組作為增程器(rangeextender,RE),配以合適的油箱,與動(dòng)力蓄電池一起構(gòu)成動(dòng)力源。較小功率的RE按行駛工況提供輔助功率或給蓄電池充電,可以有效增加車(chē)輛的總續(xù)駛里程。增程式電動(dòng)汽車(chē)(extended-rangeelectricvehicle,E-REV)可通過(guò)充電裝置從電網(wǎng)獲得電能,燃料消耗低,能夠減少大氣污染,降低對(duì)石化燃料的依賴(lài)和溫室氣體的排放。如何協(xié)調(diào)動(dòng)力蓄電池和增程器之間的供能是E-REV開(kāi)發(fā)中必須解決的問(wèn)題。目前對(duì)E-REV的研究主要集中在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方面,E-REV多采用串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),針對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)(serieshybridelectricvehicle,SHEV)的研究主要集中在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配和能量管理策略方面。研究表明,采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的車(chē)輛可將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工作點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)行,并通過(guò)直接起停技術(shù)取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率,并減少?gòu)U氣排放。本文中針對(duì)一款E-REV,在研究發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)能量管理策略的基礎(chǔ)上,以目標(biāo)行程為約束條件,結(jié)合E-REV典型行駛工況,對(duì)增程器的開(kāi)/關(guān)機(jī)時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到進(jìn)一步提高車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。1e-rev的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和命令1.1車(chē)輛的動(dòng)力特性圖1為串聯(lián)式E-REV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),蓄電池作為主動(dòng)力源,提供一定的續(xù)駛里程Sev,并保證車(chē)輛的動(dòng)力性能和再生制動(dòng)能量的回收。RE給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供輔助功率和/或?yàn)樾铍姵爻潆?以增加續(xù)駛里程。1.2主要元件指標(biāo)用于仿真的E-REV基本參數(shù)和性能要求見(jiàn)表1。車(chē)輛動(dòng)力性和續(xù)駛里程要求是E-REV動(dòng)力系統(tǒng)部件選型的兩個(gè)主要指標(biāo)。根據(jù)表1的數(shù)據(jù),選定了除RE之外的動(dòng)力系統(tǒng)部件,主要參數(shù)如表2所示。本文中基于這些參數(shù)和性能要求,開(kāi)展E-REV能量管理策略的仿真研究,給出確定RE重要參數(shù)的參考方法。1.3re/蓄電池供電模式本文中研究的E-REV有短途(如在城市內(nèi))和長(zhǎng)途兩種行駛模式,分別對(duì)應(yīng)于動(dòng)力系統(tǒng)的純蓄電池供電模式和RE/蓄電池供電模式。在純蓄電池供電模式下,E-REV只用蓄電池儲(chǔ)存的電能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛,可以滿(mǎn)足日常工況的需要。在RE/蓄電池供電模式下,要求E-REV能在低速或高速工況下具有更長(zhǎng)的續(xù)駛里程,以滿(mǎn)足長(zhǎng)途行駛的需要。因此,為了體現(xiàn)城市和公路兩種典型行駛條件的特征,本文中選用城市工況FTP-72和公路工況HWFET、新歐洲工況NEDC和中國(guó)乘用車(chē)市區(qū)工況CUDC4種典型循環(huán)工況進(jìn)行研究。2發(fā)動(dòng)機(jī)固定能量管理策略2.1u3000定點(diǎn)功率仿真E-REV采用定點(diǎn)能量管理策略時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的運(yùn)行完全由蓄電池的SOC來(lái)控制,即允許RE在蓄電池SOC高于SOC上限SOCHigh之前輸出設(shè)定的恒定功率,然后,關(guān)閉RE,E-REV零排放純電動(dòng)行駛。當(dāng)SOC降到其設(shè)定的下限SOCLow時(shí),RE再次起動(dòng),輸出恒定功率。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與路面負(fù)荷相脫離和蓄電池的負(fù)荷均衡作用,發(fā)動(dòng)機(jī)能夠工作在燃油效率較高的恒定工作點(diǎn)。考慮到4種典型循環(huán)工況中HWFET工況的平均車(chē)速最高,因此參照該工況來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)輸出功率Peng。蓄電池和RE須滿(mǎn)足車(chē)輛行駛工況的總能量需求為式中:Ebatt、ERE和Etotal_req分別為蓄電池輸出能量、RE輸出能量和車(chē)輛行駛總能量需求,kJ。為了求得Etotal_req,可選取E-REV純蓄電池供電模式,在HEFET工況下進(jìn)行仿真計(jì)算。單個(gè)HW-FET工況下,車(chē)輛的總需求能量為式中:Tcyc為工況時(shí)間,s;Pbatt為蓄電池功率,kW;Ebatt_dri、Ebatt_reg和Eacc分別為蓄電池輸出的驅(qū)動(dòng)能量、回饋的再生制動(dòng)能量和車(chē)輛附件消耗的能量,kJ。根據(jù)上述分析,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的恒定功率須滿(mǎn)足:式中ηgen為發(fā)電機(jī)效率。根據(jù)式(1)~式(5),化簡(jiǎn)得到發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)輸出功率Peng,即根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù),FTP-72和HWFET工況下的數(shù)值仿真結(jié)果如表3所示。采用上述方法,FTP-72、HWFET、NEDC和CUDC4種典型工況下所需的發(fā)動(dòng)機(jī)恒定功率仿真結(jié)果分別為6.9、15.5、7.6和5.3kW。從仿真結(jié)果可以看出,市區(qū)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)恒定功率需求遠(yuǎn)小于公路工況,為了同時(shí)滿(mǎn)足市區(qū)和公路工況下的功率需求,應(yīng)根據(jù)HWFET工況來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的定點(diǎn)輸出功率。2.2發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)等燃油消耗率曲線。E-REV采用串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),利用發(fā)動(dòng)機(jī)與路面負(fù)荷相脫離的特點(diǎn),控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率低的中高負(fù)荷區(qū)。通過(guò)直接起停技術(shù)取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速,使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后即工作在恒轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)(A點(diǎn)),其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為3000r/min和50N·m,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出恒定功率為15.7kW,能夠滿(mǎn)足HWFET工況下15.5kW的平均功率需求。2.3soc變化工況下的特性發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)能量管理策略從優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)出發(fā),兼顧蓄電池SOC的平衡,是比較直接和常用的SHEV能量管理策略。圖3為20個(gè)CUDC工況下,蓄電池SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨行駛距離的變化關(guān)系。其中,發(fā)動(dòng)機(jī)恒定功率取15.7kW,蓄電池SOC初值為1.0,為了確保蓄電池性能并延長(zhǎng)其使用壽命,増程模式下SOC的充放電區(qū)間取0.3~0.7。從圖3的仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)蓄電池SOC下降到0.3時(shí),RE起動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)在預(yù)定的高效工況點(diǎn)工作,其中一部分功率用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛,剩余部分給蓄電池充電,使蓄電池SOC值持續(xù)升高。當(dāng)蓄電池SOC升高到0.7時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī),E-REV純電動(dòng)行駛。如此反復(fù),直至耗盡油箱內(nèi)的燃油。3e-rev目標(biāo)行程d網(wǎng)絡(luò)模型E-REV在FTP-72、NEDC、CUDC和HWFET4種典型工況下,純電動(dòng)續(xù)駛里程的仿真結(jié)果分別為73.5、61.8、75.6和71.9km,能夠滿(mǎn)足不小于60km的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)E-REV的目標(biāo)行程D大于Sev0時(shí)(Sev0表示由蓄電池SOC初值確定的E-REV純電動(dòng)續(xù)駛里程,該值不大于Sev),目標(biāo)行程的長(zhǎng)短將會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù),進(jìn)而影響車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。為了充分利用來(lái)自電網(wǎng)的蓄電池能量,要求E-REV行駛過(guò)程中盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)和行車(chē)充電時(shí)間。因此E-REV長(zhǎng)途行駛時(shí),應(yīng)考慮對(duì)RE的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化。3.1發(fā)動(dòng)機(jī)行車(chē)充電時(shí)間圖4為中國(guó)乘用車(chē)市區(qū)工況下,目標(biāo)行程為90km時(shí),原定點(diǎn)能量管理策略的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出,蓄電池SOC下降到0.3(M點(diǎn))時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),SOC到達(dá)0.637(N點(diǎn))時(shí)完成90km的目標(biāo)行程。在整個(gè)目標(biāo)行程范圍內(nèi),包含了純電動(dòng)運(yùn)行和行車(chē)充電兩個(gè)過(guò)程,發(fā)動(dòng)機(jī)行車(chē)充電時(shí)間(MN段)為2244s。為了盡量縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的行車(chē)充電時(shí)間,可采用兩種方法對(duì)原控制策略進(jìn)行優(yōu)化。(1)可正常工況,以基汽車(chē)為圖5為控制策略?xún)?yōu)化后,發(fā)動(dòng)機(jī)提前開(kāi)機(jī)的仿真結(jié)果。由圖可見(jiàn):在純電動(dòng)行駛階段,當(dāng)蓄電池SOC下降到0.599(A點(diǎn))時(shí)即起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),在完成目標(biāo)行程的同時(shí),能使蓄電池SOC恰好降到0.3附近(C點(diǎn))。在此過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)行車(chē)充電時(shí)間為664s,與優(yōu)化前的控制策略相比,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少了70.4%。(2)優(yōu)化控制策略圖6為控制策略?xún)?yōu)化后,發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)的仿真結(jié)果。由圖可見(jiàn):在行車(chē)充電過(guò)程中,當(dāng)蓄電池SOC上升到0.396(F點(diǎn))時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間為605s,同優(yōu)化前相比減少了73%;在隨后的FG段,E-REV純電動(dòng)行駛,G點(diǎn)的SOC值為0.3002。兩種優(yōu)化控制策略均以E-REV的目標(biāo)行程為約束條件,通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)/關(guān)機(jī)時(shí)刻,使發(fā)動(dòng)機(jī)給蓄電池充入的電能剛好能在下一次外接充電之前用完。該定點(diǎn)能量管理策略有以下優(yōu)點(diǎn):(1)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,節(jié)省燃油,減少排放;(2)充分利用蓄電池中儲(chǔ)存的電能,節(jié)約出行成本;(3)便于下一次蓄電池外接充電,充分利用電網(wǎng)電能。3.2純電動(dòng)行駛過(guò)程中單位soc的行駛公里仿真結(jié)果在發(fā)動(dòng)機(jī)恒定功率確定的情況下,目標(biāo)行程終點(diǎn)處的蓄電池SOC值與初始SOC、循環(huán)工況、目標(biāo)行程長(zhǎng)短和充放電區(qū)間等因素有關(guān)。因此,須結(jié)合不同的循環(huán)工況來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)/關(guān)機(jī)時(shí)刻。用參數(shù)a表示蓄電池SOC從初始值下降到0.3過(guò)程中單位SOC的行駛里程;參數(shù)b表示SOC從0.3充電到0.7的行車(chē)充電過(guò)程中單位SOC的行駛里程;參數(shù)c表示SOC從0.7下降到0.3的純電動(dòng)行駛過(guò)程中單位SOC的行駛里程。FTP-72、NEDC和CUDC3種工況下,參數(shù)a、b、c的仿真結(jié)果見(jiàn)表4。采用純電動(dòng)行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)提前起動(dòng)的方法,結(jié)合圖5,則E-REV的目標(biāo)行程為式中:D為目標(biāo)行程,km;SOC0為蓄電池SOC初值,%;SOCeng_on為發(fā)動(dòng)機(jī)提前起動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的蓄電池荷電狀態(tài),%。根據(jù)式(7),化簡(jiǎn)得到發(fā)動(dòng)機(jī)提前起動(dòng)時(shí)的SOCeng_on為采用行車(chē)充電過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)的方法,結(jié)合圖6,E-REV的目標(biāo)行程為根據(jù)式(9),化簡(jiǎn)得到行車(chē)充電過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)時(shí)的SOCeng_off為式(8)和式(10)僅適用于目標(biāo)行程介于(Sev0,Sev0+Schar+Sev1]的情況。其中,Schar為蓄電池SOC由0.3充電到0.7時(shí)的行車(chē)充電行程;Sev1為SOC由0.7降到0.3時(shí)的純電動(dòng)行程。根據(jù)表4中的參數(shù)和蓄電池SOC初值,可以計(jì)算不同循環(huán)工況下的Sev0、Schar和Sev1。當(dāng)目標(biāo)行程D大于(Sev0+Schar+Sev1)時(shí),可采用行車(chē)充電過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)的方法,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)的SOC值進(jìn)行修正。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)累積起動(dòng)次數(shù)為n,則目標(biāo)行程滿(mǎn)足:根據(jù)式(11)和式(12),化簡(jiǎn)得到發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)時(shí)的SOCeng_off為3.3多次擊穿仿真將原有的發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)能量管理策略和優(yōu)化后的策略都導(dǎo)入在AVL-Cruise/Simulink中建立的E-REV整車(chē)前向仿真模型中,進(jìn)行仿真計(jì)算。選取FTP-72循環(huán)工況,蓄電池初值SOC0取0.9,目標(biāo)行程為100km。根據(jù)表4中FTP-72工況下的a、b、c數(shù)值,Sev0、Schar和Sev1的計(jì)算結(jié)果分別為63、27.2和37.7km。因此100km的目標(biāo)行程滿(mǎn)足(63,127.9]的條件,可利用式(8)和式(10)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)的SOC控制參數(shù)進(jìn)行修正。圖7為FTP-72工況下的仿真結(jié)果。表5為FTP-72工況下,定點(diǎn)能量管理策略?xún)?yōu)化前后,SOC控制參數(shù)的變化情況和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的比較。目標(biāo)行程為100km時(shí),由式(8)和式(10)得出發(fā)動(dòng)機(jī)提前開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)的SOC控制參數(shù)為0.462和0.528,與優(yōu)化前的策略相比,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間分別減少了43.3%和42.4%。通過(guò)對(duì)NEDC和CUDC工況的仿真分析,也能得到類(lèi)似的結(jié)果。為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)的優(yōu)化效果,選取CUDC為仿真工況,蓄電池SOC0取1.0,目標(biāo)行程為220km,仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖可見(jiàn):整個(gè)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)3次,在第3次起動(dòng)后對(duì)蓄電池SOC值進(jìn)行修正;當(dāng)SOC上升到0.465時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),利用RE給蓄電池充入的電能正好能夠完成后面的里程。與優(yōu)化前的策略相比,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少21.4%。從以上仿真結(jié)果可以看出,在純電動(dòng)和行車(chē)充電過(guò)程中,通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)/關(guān)機(jī)時(shí)刻,可較大程度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,因此燃油消耗量和由于蓄電池充放電損失的能量也會(huì)大幅度減少。4基于運(yùn)行優(yōu)化的定點(diǎn)能量管理策略本文中針對(duì)E-REV開(kāi)發(fā)中的能量管理策略問(wèn)題,分析了常用的定點(diǎn)能量管理策略,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合E-REV的行駛模式和動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn),以目標(biāo)行程為約束條件,對(duì)RE的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)