增程式電動(dòng)客車能量管理策略仿真研究

祝雅琦，何 泳，周 露

（北京理工大學(xué) 新能源汽車北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 ）

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及仿真模型

本文研究的增程式電動(dòng)車是一種串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛，其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中虛線框內(nèi)為發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組。本文設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)：一種是由高速柴油機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)和三相不可控整流橋組成[2]；另一種是在前者的基礎(chǔ)上增加了DC-DC變換器（Boost電路）。動(dòng)力電池組采用錳酸鋰電池，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，變速器為兩擋行星齒輪變速器。

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立兩種發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)下的増程式動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，如圖2、圖3所示。整車參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)

2 發(fā)動(dòng)機(jī) - 發(fā)電機(jī)組控制策略

兩種發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)下的增程式電動(dòng)車都采用電池組恒SOC模糊控制策略。增程式電動(dòng)車以純電動(dòng)行駛為主，主要?jiǎng)恿?lái)自動(dòng)力電池組，需要滿足一定純電動(dòng)續(xù)駛里程要求，使電池組SOC在較低水平時(shí)APU系統(tǒng)才投入工作。APU系統(tǒng)控制的目標(biāo)是在動(dòng)力電池組SOC恒定在一個(gè)合理范圍前提下，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。本文選擇將電池組SOC維持在0.3 附近。

2.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)

本文采用模糊控制器（圖4）對(duì)電池組SOC進(jìn)行限定，輸入變量為SOC和SOC的增量△SOC，輸出為電池組電流期望系數(shù)COEF。因?yàn)镾OC 在某種程度上也間接反映了直流母線電壓值，而SOC的變化率表征了流過(guò)電池電流趨勢(shì)，所以根據(jù)SOC和SOC變化率，通過(guò)模糊控制，確定APU系統(tǒng)期望電流，控制電池組SOC維持在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

被控對(duì)象是發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組，負(fù)載IL作為擾動(dòng)量引入。首先根據(jù)模糊控制器輸出的電池組期望電流得出發(fā)電機(jī)期望電流Igexp（式1），再根據(jù)直流母線電壓得到發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組期望功率Pgexp（式2），最后通過(guò)電池組初始SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)期望功率Pgexp確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速n_goal。系統(tǒng)通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電流，結(jié)合負(fù)載需求間接調(diào)節(jié)了電池組輸出電流[3]。

2.2 模糊控制器隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則

設(shè)計(jì)一個(gè)好的模糊控制器除了要有好的模糊控制規(guī)則外，合理選擇輸入變量的量化因子和輸出變量的比例因子是非常重要的[4]。

目前有很多高校仍然使用著以前的不同級(jí)別的原則，在一所學(xué)校內(nèi)有著多個(gè)不同的行政級(jí)別，而且還有著很多部門，劃分得過(guò)于細(xì)致，同時(shí)學(xué)校內(nèi)的超市、學(xué)生公寓和醫(yī)院等機(jī)構(gòu)都被納入行政機(jī)構(gòu)中，使得機(jī)構(gòu)職能重疊嚴(yán)重，權(quán)責(zé)劃分不明，而且人員常年都處于只增不減的狀態(tài)，使得機(jī)構(gòu)的管理難以達(dá)到預(yù)期效果，而且在決策力和執(zhí)行力時(shí)，由于機(jī)構(gòu)和人員過(guò)多而嚴(yán)重分散，導(dǎo)致辦事效率差。一般很簡(jiǎn)單的小事都會(huì)牽扯到很多機(jī)構(gòu)部門，而各部門間又權(quán)責(zé)不明，合作不夠協(xié)調(diào)，導(dǎo)致出現(xiàn)極大的物力和人力資源的浪費(fèi)。

模糊控制器的輸入變量為SOC及其增量△SOC，輸出為電池組電流期望系數(shù)COEF。SOC劃分為：NB、NS、Z、PS、PB 5個(gè)模糊狀態(tài)，其論域?yàn)閇0.25，0.275，0.3，0.325，0.35]，如圖5所示，量化因子Kc=1；△SOC劃分為N、Z、P 3個(gè)模糊狀態(tài)，其論域定義為[ -1，0，1]，如圖6所示，量化因子Ke=1 000；COEF被劃分為BC、SC、Z、SD、BD 5個(gè)模糊狀態(tài)，其論域?yàn)閇 -1，-0.5，0，0.5，1]，如圖7所示，比例因子Ku=400。3個(gè)變量都采用三角隸屬度函數(shù)。

表2 模糊控制規(guī)則表

根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)得出控制規(guī)律，見表2。采用Mamdani推理方法，用if-then語(yǔ)句形式表示。

如果 SOC和△SOC，那么COEF模糊量清晰化過(guò)程采用重心法，一般認(rèn)為重心法獲得的結(jié)果是相當(dāng)理想的，穩(wěn)態(tài)性好，在可以保證實(shí)時(shí)性的情況下被廣泛使用。

2.3 轉(zhuǎn)速控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換控制方式，即將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速劃分若干個(gè)不同的轉(zhuǎn)速，根據(jù)模糊控制器得到的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組期望輸出功率Pgexp在不同的轉(zhuǎn)速之間切換，在較低功率需求時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速，而高功率需求時(shí)就將轉(zhuǎn)速提至高轉(zhuǎn)速工作區(qū)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速多點(diǎn)控制可以更好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)功率跟蹤的控制目標(biāo)[5]。

圖8所示為發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換工作模式的原理圖，系統(tǒng)的功率需求分為3個(gè)負(fù)荷區(qū)，在每一個(gè)負(fù)荷區(qū)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是固定的。

（1）小負(fù)荷區(qū)I：負(fù)荷范圍0～15 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1。

（2）中負(fù)荷區(qū)II：負(fù)荷范圍10～45 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n2。

（3）大負(fù)荷區(qū)III：負(fù)荷范圍35～75 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n3。

根據(jù)所選定的負(fù)荷區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇必須能夠滿足系統(tǒng)在相應(yīng)負(fù)荷區(qū)內(nèi)的功率需求。不加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組受電池組電壓的限制，必須工作在高轉(zhuǎn)速工況下，轉(zhuǎn)速根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的工作范圍和發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的電壓電流特性決定。加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受電池組電壓的限制，可以按最佳燃油消耗曲線來(lái)選取，即圖9中的黑色虛線。

兩種結(jié)構(gòu)下的發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換區(qū)域最終設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換區(qū)域最終設(shè)計(jì)結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制流程如圖10所示。目標(biāo)轉(zhuǎn)速上升、下降的步長(zhǎng)在仿真周期0.001 s下為1 r/min。

3 DC-DC變換器的控制策略

DC-DC變換器（Boost電路）是通過(guò)控制IGBT的PWM波占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，在仿真模型中，PWM波的占空比由永磁同步發(fā)電機(jī)-整流橋直流側(cè)電壓、功率方程和Boost電路的輸出輸入電壓方程，即方程組（3）決定。

式中，Ug、Ig分別為整流橋輸出端電壓、電流；Pg為整流橋輸出功率；n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Ub為電池組端電壓，即DC-DC變換器輸出端電壓Udc；α為控制IGBT開斷的PWM波占空比；Ke為發(fā)電機(jī)的等效電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Kx為發(fā)電機(jī)等效阻抗系數(shù)。本項(xiàng)目中使用的DC-DC變換器的平均效率為91%。

由上述方程組求解得到占空比

計(jì)算占空比的仿真模型如圖11所示。將占空比信號(hào)與三角波比較就得到控制IGBT開關(guān)的PWM波，如圖12所示。

4 仿真結(jié)果

目前，歐洲汽車排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行駛工況為市區(qū)與城郊結(jié)合的ECE+EUDC（ExtraUrban Driving Cycle）工況[6]，本文研究的增程式電動(dòng)客車為校車，行駛于市區(qū)與城郊之間，所以本文采用的工況是在ECE+EUDC的基礎(chǔ)上修改而來(lái)，修改地方有兩處。

（1）為了驗(yàn)證電池組恒SOC模糊控制策略能將SOC控制在0.3附近，所以將負(fù)載大的EUDC工況放在4個(gè)ECE中間，為2ECE +1 EUDC +2ECE。

（2）增程式校車的乘客為學(xué)生，為了安全起見，將車速限制在80 km/h以下。

行駛工況如圖13所示，兩種APU結(jié)構(gòu)下車速都能很好地跟隨，工況里程為10.3 km。

不加DC-DC變換器和加DC-DC變換器的SOC曲線對(duì)比如圖14所示，兩者都能將SOC控制在0.3附近，即使大負(fù)荷讓SOC下降，之后也能調(diào)節(jié)到0.3附近，SOC末值也約等于0.3，整個(gè)工況SOC都處于0.25～0.35之間，證明設(shè)計(jì)的恒SOC模糊控制器是有效的。加DC-DC變換器的SOC更靠近0.3，說(shuō)明加DC-DC變換器的模糊控制器效果更好。

不加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)如圖15中的散點(diǎn)圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作在2 500 r/min、2 600 r/min、2 750 r/min 3個(gè)點(diǎn)；加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)如圖16中的散點(diǎn)圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作在1 000 r/min、2 000 r/min、2 600 r/min 3個(gè)點(diǎn)。對(duì)比兩圖可看出在低負(fù)荷區(qū)，不加DC-DC變換器的燃油消耗率明顯比加DC-DC變換器的高，中負(fù)荷區(qū)和高負(fù)荷區(qū)的燃油消耗率區(qū)別不明顯，加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)比較接近最佳燃油消耗曲線。由此可知，增加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)明顯比不加DC-DC變換器的省油。

圖17為不加DC-DC變換器的整流橋輸出電流和電池組電流曲線圖，圖18為加DC-DC變換器的整流橋輸出電流和電池組電流曲線圖，兩者的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和電池的功率分配區(qū)別不大，都隨車輛負(fù)載變化。

由表4中的百公里油耗計(jì)算出：加DC-DC變換器比不加DC-DC變換器省油8%。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗

5 結(jié)論

在具有相同電池SOC初值與末值條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組加DC-DC變換器比不加DC-DC變換器燃油消耗少。其次，不加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)，噪聲大，加DC-DC變換器的發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)和高轉(zhuǎn)速區(qū)之間切換，噪聲較小。所以，對(duì)于增程式電動(dòng)校車而言，整流后直流升壓的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)是更為有效合理的方案。

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