插电式混合动力客车能量管理最优控制实验研究
岳兴莲1, 张红党1,2, 刘勺华1,2
【摘 要】摘 要: 为研究混合动力客车动力电池容量衰减、使用寿命缩短的问题,在插电式混合动力客车整车动力系统结构基础上,选取混合度作为性能表征参数,提出一种基于整车工况识别的动态规划能量管理策略。以插电式混合动力客车为实验对象,对能量管理策略适用性进行实验验证。实验结果表明：基于整车工况识别的动态规划能量管理策略能够有效地减缓动力电池容量衰减,提高汽车续驶里程。
【期刊名称】实验技术与管理 【年(卷),期】2019(036)001 【总页数】5
【关键词】关键词: 插电式混合动力客车； 能量管理； 动力电池； 工况识别 职业技术教育
基金项目：江苏省高校自然科学基金项目(16KJB580012)；2016年江苏省高校优秀中青年教师境外研修项目(苏教办师[2016]13号)
在新能源汽车发展中,插电式混合动力客车(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)具有动力电池容量大、有便捷的外部充电插口而备受欢迎。现已被广泛接受的混合动力客车(hybrid electric vehicle,HEV)主流构型有串联构型、同轴并联构型、双轴并联构型、同轴混联构型以及基于行星齿轮系功率分流构型等[1]。混合动力汽车系统结构可分为串联、并联以及混联3种。串联式混合动力客车发动机和发电机相结合,产生的能量直接驱动牵引电动机或给动力电池充电；并联式混合动力客车动力系统中发动机和牵引电动机可以同时驱动,在车
辆处于制动状态时,电动机充当发电机的角色给动力电池充电；混联式混合动力客车动力系统有串联、并联两条不同的路径来给动力电池充电。
但不论何种构型,都是为了实现发动机与电机工作效率的综合优化,从而提高整车的经济性和排放性能[2]。在插电式混合动力客车动力系统中,电动机不仅为车轮提供扭矩,也是捕获整车再生制动能量、给动力电池充电的重要部件。因此,采用适当的能量管理策略,能够实现插电式混合动力客车最优能量分配,减缓动力电池容量衰减,提高续驶里程。
目前主流的能量管理策略有基于规则式的能量管理策略[3]、动态规划能量管理策略[4]、庞德里亚金极小值原理的全局优化策略[5]、模糊控制优化策略[6]等。本文提出工况识别的动态规划算法优化能量管理策略,并在气-电混合动力客车实车上验证了能量管理策略的有效性。
1 插电式混合动力客车动力系统
无论插电式混合动力客车动力系统采用何种构型,其主要组成部件均包括发动机、动力电池、ISG电机、逆变器、辅助功率器件(水泵、油泵、气泵、助力电机等)、变速器,这些功率部件通过机械连接和电气连接构成了整车动力系统。 1.1 PHEV动力系统架构
本文的研究对象是插电式混合动力客车,采用同轴并联式结构,采用CAN总线方式进行通信。同轴并联式结构可以实现发动机与电机两种动力驱动装置的结合与分离,提高能量的利用率。同轴并联式结构的动力系统由镍氢动力电池、发动机、逆变器、变速箱、ISG电机以及各自动力部件的控制单元(electric control unit,ECU)构成,发动机与低速大扭矩永磁同步电机同轴布置,在离合器后端耦合,如图1所示。
由图1可以看出,发动机系统与电机驱动系统根据整车控制器指令实现驱动能量的自由切换,灵活应对各种行驶工况,尤其是在车辆需频繁起停的城市路况中,避免了大电流脉冲对动力电池的冲击。试验样车整车参数见表1。 1.2 PHEV动力系统工况模式
同轴并联结构式PHEV动力系统具有4种典型的工况模式,分别是发动机与电机并联驱动模式、纯电动模式、发动机单独驱动模式和再生制动模式,如图2所示。 (1) 发动机与电机并联驱动模式。该工况模式适用于车辆爬坡、加速等行驶工况,为整车提供足够的动力。此时,发动机处于运转状态,离合器闭合,将扭矩输入变速箱；动力电池组释放电能,经逆变器将直流电转换为交流电,给动力电机供电,动力电机也将扭矩输入变速箱驱动电机。发动机和电机共同将动力输入变速箱、后桥,从而驱动车辆加速行驶。
(2) 纯电动模式。该工况模式适用于车辆起步时。由电机单独将动力输入变速箱、驱动桥,车辆起步。此时离合器处于分离状态,由动力电池组给驱动电机供给动力。 (3) 发动机单独驱动模式。该工况模式适用于车辆一般行驶工况。发动机处于中低速运转,离合器闭合,将扭矩输入电机、变速箱、驱动桥,从而驱动车辆行驶。电机转换为发电机工作状态,所发出的交流电经逆变器转换为直流电,给动力电池组充电。
(4) 再生制动工况模式。该工况模式适用在车辆制动、减速驻车时。当驾驶员踩制动踏板时,驱动桥传来的惯性扭矩,回收制动能量并经变速箱带动电机运转。此时,电机转换为发电机工作状态,所发出的交流电经逆变器转换为直流电,对动力电池组进行充电,节约能源且减少了刹车片的磨损。
2 插电式混合动力客车能量管理
插电式混合动力客车能量管理最优控制实验研究
