純電動汽車能量管理系統(tǒng)功率分配優(yōu)化控制研究

純電動汽車能量管理系統(tǒng)功率分配優(yōu)化控制研究

0控制策略分析純電動汽車能量管理系統(tǒng)的功能是根據(jù)滿足車輛的基本動力性、駕駛穩(wěn)定性等技術性能和成本要求，以及不同高壓系統(tǒng)部件的特性和車輛的運行狀態(tài)，最佳模式下的能源通過能源轉化裝置之間的最佳道路，最大限度地降低車輛的能源效率。目前國內(nèi)外能量管理系統(tǒng)控制方法主要有兩種:一是降低整車能量使用率法,它通常不使用熱管理系統(tǒng)本文通過分析動力電池系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)部件結構,確定了能量管理系統(tǒng)功率流關系,在深入分析現(xiàn)有能量管理系統(tǒng)控制方法的基礎上,對能量管理系統(tǒng)控制方法進行了數(shù)學抽象,引入了能量管理系統(tǒng)功率分配系數(shù),使上述兩種方法在數(shù)學模型上達到統(tǒng)一。同時,提出了能量管理系統(tǒng)優(yōu)化控制目標,并確立了可實現(xiàn)優(yōu)化目的模糊控制方法。通過合理設計模糊控制器,完成了對能量管理系統(tǒng)控制結果的優(yōu)化。通過轉鼓臺架上的控制策略對比實驗,證明了該方法有較理想的經(jīng)濟性和動力性。1問題描述1.1動力電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)純電動汽車高壓系統(tǒng)部件主要分為:空調系統(tǒng)部件,驅動系統(tǒng)部件,低壓供電系統(tǒng)部件和充電系統(tǒng)部件,如圖1所示。其中,低壓供電系統(tǒng)部件通過DC/DC將高壓電轉化為低壓電,用以支持全車電子零部件、助力轉向、水泵和風機等低壓設備的運轉;充電系統(tǒng)部件通過充電機或其他充電設備從電網(wǎng)補充能量;空調系統(tǒng)部件主要用于提升駕駛員舒適度和動力電池的熱管理,空調系統(tǒng)部件中消耗功率的高壓部件為加熱使用的電動加熱器和制冷使用的空氣壓縮機;驅動系統(tǒng)部件用于驅動電機對外做功,也可以制動回收部分能量。由上述動力電池系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)部件結構,可得到如圖2所示的整車能量管理系統(tǒng)功率流示意圖。它描述了動力電池系統(tǒng)及整車高壓系統(tǒng)之間功率流的輸入輸出關系。圖中,P在車輛行駛過程中,P顯然,整車能量管理系統(tǒng)的目的是合理地將P1.2能量管理系統(tǒng)門限值控制能量管理系統(tǒng)控制策略通常采用門限值控制方法,即:設置一個關于剩余能量的SOC門限值(一般取30%)。如果剩余能量高于門限值,則打開熱管理系統(tǒng);如果剩余能量低于門限值,則關閉熱管理系統(tǒng)?，F(xiàn)引入一個能量管理系統(tǒng)功率分配系數(shù)K式中:P分配給驅動系統(tǒng)的最大功率為:將式(2)代入式(3)得:當K在能量管理系統(tǒng)門限值控制方法中,K能量管理系統(tǒng)門限值控制流程如圖3所示。駕駛員踩踏加速踏板,通過加速踏板開度(θ)曲線,了解駕駛員駕駛意圖1.3能量耗率與耗率能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化目的是在動力電池能量一定的條件下,通過合理分配驅動系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)承擔的功率(即調節(jié)兩者的功率分配因子),使得車輛的能量消耗率ECR最小。能量消耗率是衡量純電動車輛經(jīng)濟性的重要指標之一,它表示車輛運行100km所消耗的能量,單位為kWh/(100km),一般可按照如下公式計算式中:S為汽車的行駛距離;E為車輛行駛過程中消耗的能量;k為單位換算系數(shù)。本文在常規(guī)能量管理系統(tǒng)控制策略上增加了一個優(yōu)化單元,通過在[0,1]區(qū)間動態(tài)調整K由上述分析可建立如下的純電動汽車能量管理系統(tǒng)優(yōu)化問題的數(shù)學模型:可以看出,此問題屬于典型的帶約束非線性優(yōu)化問題。2電池溫度t影響純電動汽車能量管理系統(tǒng)功率分配的主要參數(shù)有:t時刻加速踏板開度變化率dθ/dt;t時刻電池溫度與電池最佳溫度工作區(qū)間的溫度差ΔT。當T依據(jù)上述分析,建立如圖4所示的優(yōu)化控制流程,它在原控制策略基礎上增加了能量管理系統(tǒng)功率分配模糊控制器,以SOC(t)、dθ/dt和ΔT為參數(shù)輸入,輸出控制參數(shù)K2.1輸入與輸出函數(shù)純電動汽車能量管理系統(tǒng)模糊控制器采用三輸入、單輸出的mamdani結構,如圖5所示。三輸入分別為:電池荷電狀態(tài)SOC,溫度差ΔT和加速踏板開度變化率dθ/dt,輸出為能量管理系統(tǒng)功率分配系數(shù)K對控制器的輸入輸出進行歸一化,使得所有輸入與輸出的論域都為[0,1]。對于SOC,0表示動力電池剩余電量較低;1表示動力電池剩余電量較高。對于ΔT,0表示當前電池溫度與最優(yōu)電池溫度的溫差較小;1表示當前電池溫度與最優(yōu)電池溫度的溫差較大。對于dθ/dt,0表示駕駛員踩加速踏板的頻率較低,即車輛正常行駛;1表示駕駛員踩加速踏板的頻率較高,即車輛急加速或爬坡行駛。對于K由于受設計者主觀因素的影響,隸屬度函數(shù)的確定往往呈現(xiàn)出多樣性,常見確定隸屬度函數(shù)的方法有模糊統(tǒng)計方法、指派方法、專家法、二元對比排序法和借用已有的“客觀”尺度法輸出和輸入變量的模糊子集分別定義如下:其中,LE為較小(Little);ME為中(Mediurn);GE為較大(Greater);M為中小(MediumLittle);MB為中大(MediumBig)。2.2模糊控制規(guī)則的制定純電動汽車能量管理系統(tǒng)工作過程描述如下:(1)當車輛起步時,如果動力電池工作溫度T(2)當車輛起步時,如果動力電池工作溫度T(3)當汽車急加速或爬坡行駛時,即dθ/dt大于某設定的閾值,優(yōu)先啟動P(4)當汽車以正常速度行駛時,即dθ/dt小于某設定的閾值,優(yōu)先滿足P(5)如果電池SOC較低,應該優(yōu)先滿足P(6)如果電池SOC較高,應該優(yōu)先滿足P依據(jù)上述工作過程,在制定模糊控制規(guī)則時,遵循如下基本原則:(1)電池剩余電量SOC(t)較低時,如果溫差ΔT比較小,且加速踏板開度變化dθ/dt比較大,則分配給熱管理系統(tǒng)功率比較小,即K(2)電池剩余電量SOC(t)較高時,如果溫差ΔT比較大,且加速踏板開度變化dθ/dt比較小,則分配給熱管理系統(tǒng)功率比較大,即K能量管理系統(tǒng)優(yōu)化模糊控制策略采用IF-THEN規(guī)則,共建立了27條規(guī)則庫。規(guī)則如表1所示,模糊推理曲面如圖7所示。2.3模糊控制器的模擬驗證選取車輛常見的坡路、平路、空載和滿載4種工況,對模糊控制器進行模擬工況的仿真驗證,結果如圖8所示。對于坡路工況,dθ/dt比較大,因此K2.4電機需求轉動及加速板開度基于模糊邏輯的能量管理系統(tǒng)優(yōu)化控制方法的求解過程如圖9所示。其中,E函數(shù)對應關系如圖10所示。由加速踏板開度θ及電機當前轉速N可離線標定獲得電機需求轉矩T,如圖11所示。而電機需求功率滿足:P′E2.5模糊控制仿真為了評價模糊控制方法的有效性,利用AVLCruise仿真軟件,對比門限值控制法進行仿真驗證實驗,車輛仿真參數(shù)如下:整備質量為1510kg;滿載質量為1960kg;迎風面積為2.15m圖12是NEDC、EUDC、UDC和US06四種不同工況下的SOC變化圖。從圖中清晰可見:電池SOC在行車過程中不斷下降,且在使用模糊控制方法時,比使用門限值控制方法下降得要緩慢。這說明在相同條件下,模糊控制方法的電池使用效率比門限值控制法要高。4種工況下不同控制策略的ECR仿真結果如表2所示。由表2清晰可見:模糊控制的ECR比門限值法有大幅度的提高。3最優(yōu)熱處理區(qū)間的確定和優(yōu)化實驗1電池最優(yōu)工作溫度區(qū)間的獲取。實驗設備為電池整包充放電柜,上限電壓為600V,上限電流為500A,峰值功率為150kW。溫度倉容積為3m×2m×1m,溫度范圍為-60~120℃。實驗目的:測得電池最優(yōu)工作溫度區(qū)間,作為優(yōu)化控制方法的重要輸入?yún)?shù)。實驗用電池系統(tǒng)測試臺架結構如圖13所示。電池整包充放電柜為溫度倉中的電池包輸入高壓電源,同時與電池包及能量管理系統(tǒng)進行溫度、電流和電壓的數(shù)據(jù)交互與存儲。能量管理系統(tǒng)通過快速原型(RCP)實現(xiàn)。整車行駛過程中提高電池使用效率,實際是提升電池放電效率。電池放電效率是指電池在一定放電制度下放電至電池放電截止電壓所放出來的實際電量與額定電量之比從圖14可以看出,在環(huán)境溫度高于46.7℃或者低于14.7℃時,實驗用鋰離子動力電池的放電效率下降很快。因為在低溫下電解液的濃度變大,鋰離子從負極材料脫嵌出來的速度變慢,同時由于電池的內(nèi)阻增大,導致放電平臺迅速下降,提前達到放電截止電壓,所以其放電容量下降,放電效率降低;在溫度處于常溫區(qū)時,電池內(nèi)部材料的活性增強,鋰離子擴散速度增加,其放電容量上升,放電效率升高;但是在過高的溫度下,電池電極材料的物理特性將發(fā)生不可逆的衰減,反應強度減弱,所以其放電容量下降,放電效率降低。在溫度高于46.7℃或者溫度低于14.7℃時,電池的放電效率均低于80%。通過實驗可以得到以下結論:在固定倍率(1/3C)放電時,實驗用鋰離子電池在14.7~46.7℃溫度范圍之內(nèi),放電效率可以達到80%以上,即14.7~46.7℃為最優(yōu)工作溫度區(qū)間。由于放電倍率越大,電池呈現(xiàn)的放電能力越低,所以小倍率(1/3C)的最優(yōu)工作溫度區(qū)間一定包含大倍率的最優(yōu)工作溫度區(qū)間。由于電動汽車工況的復雜性,研究選擇更寬泛的小倍率最優(yōu)工作溫度區(qū)間作為實驗用的最優(yōu)工作溫度區(qū)間。實驗2控制策略的轉鼓實驗臺架驗證。實驗設備為轉鼓實驗臺,最大吸收/驅動功率≥145kW,最大吸收/驅動扭矩≥6000Nm,最高測試車速≥200km/h。轉鼓實驗設備如圖15所示。實驗目的:在轉鼓控制臺上輸入實驗工況,設定驅動系統(tǒng)需求功率。通過修改RCP的能量管理系統(tǒng)控制策略,在整車上進行相同工況下不同控制策略的結果對比驗證。實驗分為3組,第1組測無熱管理控制法,第2組測門限值控制法,第3組測模糊控制法。其中每組實驗重復3次,最終取剩余SOC最少的一次作為該組的實驗結果,如圖16所示。由圖16(a)可見,在工況初期,無熱管理方式的SOC消耗比較低,門限值方式消耗比較高,模糊方式居中。這是因為無熱管理屬于降低能量使用率的方法,只開啟低壓供電和驅動電機等維持整車運行的必要能量消耗單元,所以前期耗電量很低;模糊方式雖然開啟了熱管理功能,但是依據(jù)K圖16(c)是相同條件下不同控制方法的能量系統(tǒng)可輸出功率對比圖,藍色為驅動電機需求功率,紫色為無熱管理法,綠色為門限值法,紅色為模糊法。由圖可知,門限值法在初期優(yōu)勢比較明顯,模糊法居中,無熱管理法稍差。這是因為帶熱管理系統(tǒng)的控制方式電池使用效率較高;中后期時模糊法優(yōu)勢比較顯著,因為模糊控制方式電池使用效率較高,且能量消耗率較低,可調節(jié)的K4實驗結果分析通過確定純電動汽車能量管理系統(tǒng)的功率流關系,在充分了解當前控制策略的基礎上,引入了能量管理系統(tǒng)功率分配系數(shù),提出能量管理系統(tǒng)優(yōu)化控制目標,制定了基于模糊邏輯的純電動汽車能量管理系統(tǒng)優(yōu)化方法。對優(yōu)化方法中核心的模糊控制器進行了不同工況下的仿真分析,表明模糊控制器符合設計規(guī)則要求。實驗結果表明:優(yōu)化控制方法的ECR低于門限值控制法和無熱管理控制法,相比兩者有較好的經(jīng)濟性。而在低SOC區(qū)間,使用本方法的能量系統(tǒng)可輸出功率要高于門限值控制法和無熱管理控制法,表明在車輛行駛后期它能為驅動系統(tǒng)提供更高的輸出功率,從而在不增加動力電池整體能量的前提下,使整車長時間擁有較理想的動力性能。本文的研究主要基于某車廠示范運營項目的城市實際工況和一