燃油汽車電能在線管理方法研究

陳 聞

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

燃油汽車電能在線管理方法研究

陳 聞

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為降低整車燃油消耗，針對傳統(tǒng)燃油汽車電氣系統(tǒng)提出了一種電能在線管理方法；以獲取最佳的燃油經(jīng)濟性為目標，以車載用電負載電流為約束條件，提出了一種基于智能發(fā)電機與蓄電池輸出電流最優(yōu)分配的燃油汽車電能在線管理策略，并給出了該策略的實現(xiàn)流程。試驗結(jié)果表明：上述策略能夠最優(yōu)分配智能發(fā)電機和蓄電池之間的輸出電流，有效降低車輛的燃油消耗。

燃油汽車；電能管理；在線管理；燃油經(jīng)濟性

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)09-07-04

引言

目前資源能源危機以及環(huán)境污染問題日益嚴重，迫使許多國家及相關(guān)機構(gòu)出臺了一系列措施和標準去降低汽車能耗，減少尾氣排放。新能源汽車技術(shù)在節(jié)能減排領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果，然而其相關(guān)策略及方法并不能完全移植到傳統(tǒng)燃油汽車上來。因此相關(guān)科研機構(gòu)及企業(yè)正在研發(fā)更加高效的傳統(tǒng)燃油汽車電能管理技術(shù)，實現(xiàn)對整車電能的有效管理，從而提高傳統(tǒng)燃油汽車的燃油經(jīng)濟性[1]。

目前汽車在線電能管理策略已經(jīng)成為提升車輛燃油經(jīng)濟性的一個重要研究方向，但是主要的研究仍基于新能源汽車這個開發(fā)平臺。如秦大同等人以整車燃油消耗和動力電池壽命為綜合優(yōu)化目標， 提出了基于行駛工況識別的混合動力汽車動態(tài)能量管理策略[2]；董冰等人以純電動汽車能量管理系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計了以模糊控制器為核心的優(yōu)化控制方法，使整車擁有較理想的經(jīng)濟性和動力性[3]。盡管相關(guān)方法及策略可以有效提高車輛的燃油經(jīng)濟性，由于電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同使得它們無法直接復制到傳統(tǒng)燃油汽車上。傳統(tǒng)燃油汽車的電氣系統(tǒng)由智能發(fā)電機和蓄電池組成，針對傳統(tǒng)燃油汽車的電源系統(tǒng)，Colin Waldman等人提出一種基于模型的燃油汽車能量監(jiān)測管理策略。該策略在確保滿足車載用電負載的用電需求下，調(diào)節(jié)發(fā)電機占空比使得整車的燃油消耗最小[4]，但是該策略在工程上較難實現(xiàn)。王躍飛等人針對傳統(tǒng)汽車的能量管理，提出了基于LIN總線的汽車能量管理系統(tǒng)，設(shè)計了雙層模糊控制器[5]，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收，但沒有考慮到用電負載的功率變化對燃油經(jīng)濟性的影響。

本文的結(jié)構(gòu)由下面5小節(jié)組成。第1節(jié)描述了本文所建立的電能系統(tǒng)，在第2節(jié)里提出了電能管理策略，第3節(jié)闡述了策略的實現(xiàn)，仿真試驗與結(jié)果分析由第4節(jié)描述，最后，第5節(jié)是本文的結(jié)論。

1、燃油汽車電能管理系統(tǒng)

本文電能管理系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電能管理器、智能電池傳感器(IBS，Intelligent Battery Sensor)和智能發(fā)電機三部分組成，通過CAN總線連接。電能管理器通過CAN總線中的CAN節(jié)點讀取其所需的信息。發(fā)電機是整車用電器的主要電源，蓄電池是輔助電源，IBS可以檢測蓄電池的電流、電壓和荷電狀態(tài)(SOC，State of Charge)，通過CAN節(jié)點可以讀取其他硬件設(shè)備（如空調(diào)、鼓風機等）的開關(guān)狀態(tài)和接收發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息。

圖1 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

電能管理器的主要功能是將來自用電負載的需求電流在智能發(fā)電機和蓄電池之間進行合理的分配，以盡可能降低整車油耗。通過對電池SOC、汽車行駛狀態(tài)和負載電流的綜合計算，得出當前時刻下智能發(fā)電機應(yīng)該輸出的電流，蓄電池自動補償用電負載的電流和發(fā)電機輸出電流之間的差值。

2、燃油汽車電能管理策略

2.1 問題描述

對于燃油汽車電氣系統(tǒng)的電能管理策略，根據(jù)用電負載的需求電流來分配蓄電池以及發(fā)電機之間的輸出電流，從而獲得最佳燃油經(jīng)濟性，同時保持蓄電池在工作區(qū)內(nèi)。因此，電源管理策略可簡化為全局最優(yōu)控制問題，即以整車燃油消耗最小為控制目標，則電能管理策略在一段時長為[t0, tf]的循環(huán)工況下的目標函數(shù)[2]可表示為：

為了避免蓄電池過充與過放，要求蓄電池SOC的終值與初值相等，且始終在一定范圍內(nèi)，同時蓄電池電流也需維持在一定范圍內(nèi)。另外，受制于發(fā)電機的固有屬性，其輸出電流也需滿足一定的約束條件，即：

式中，SOCmin、SOCmax分別為蓄電池工作區(qū)間的上下限，Il表示用電負載的電流，Ia-max為發(fā)電機的最大輸出電流，Ib-min、Ib-max分別表示蓄電池最大的充電電流和蓄電池最大放電電流。

2.2 問題求解

然而，生態(tài)植物的推行者并不氣餒。分析人士指出，在許多農(nóng)場里，現(xiàn)有的技術(shù)和做法就有可能使化學品使用量至少減少20%?！霸诓坏凸捞魬?zhàn)程度的情況下，我們有理由保持樂觀?！狈▏r(nóng)業(yè)部植物健康服務(wù)部主任阿蘭·特里登（Alain Tridon）表示。

針對上文建立的目標的函數(shù)，可以將全局最優(yōu)問題通過設(shè)置約束條件轉(zhuǎn)換成局部最優(yōu)問題。

參照文獻[6-7]，獲得燃油消耗率最小的電流分配需滿足以下條件：

（2）同時，SOC*(t)和λ?(t)需滿足正則方程：

其中，SOCmax為蓄電池工作區(qū)的SOC上限，SOCmin為蓄電池工作區(qū)間SOC的下限，δ(t)的設(shè)置是為了保持蓄電池SOC在其工作區(qū)內(nèi)。

3、電能管理策略的實現(xiàn)

3.1 蓄電池SOC分段

可根據(jù)SOC的大小將蓄電池分為虧電區(qū)、平衡區(qū)和回收區(qū)。當蓄電池處于虧電區(qū)時，應(yīng)對蓄電池進行快速充電，在平衡區(qū)時，蓄電池的充放電應(yīng)根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)和用電器的電流大小來合理調(diào)節(jié)，在回收區(qū)時，使蓄電池放電以存儲回收的制動能量。蓄電池SOC的分段如圖2所示[9]。

當蓄電池SOC處于回收區(qū)內(nèi)，燃油汽車的用電負載電流需求增大時，電能管理器將調(diào)低發(fā)電機電壓使得蓄電池參與供電，進而降低發(fā)動機燃油消耗；當蓄電池SOC處于平衡區(qū)內(nèi)，當汽車減速時，電能管理器調(diào)高發(fā)電機電壓，給蓄電池充電來回收制動能量；當蓄電池SOC處于虧電區(qū)內(nèi)，電能管理器調(diào)高發(fā)電機電壓給蓄電池快速充電使蓄電池SOC處于平衡區(qū)。

圖2 蓄電池狀態(tài)分區(qū)

3.2 發(fā)電機工作狀態(tài)

為確保智能發(fā)電機按照電能管理策略工作，將其設(shè)為4種工作狀態(tài)，分別是待機、初勵磁、調(diào)壓、關(guān)勵磁。當發(fā)電機不運轉(zhuǎn)時，總線上沒有激活指令，則發(fā)電機會進入待機狀態(tài)。激活后當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速naU0，則會進入初勵磁狀態(tài)。當設(shè)定值Us>U0，并且轉(zhuǎn)速超過啟動轉(zhuǎn)速門限值n0時，則會進入調(diào)壓狀態(tài)。若無激活指令且轉(zhuǎn)速超過n1，則會進入非正常狀態(tài)，在非正常狀態(tài)下，相電壓會被調(diào)節(jié)到一個定值，以保證能監(jiān)測到緊急啟動轉(zhuǎn)速n1，當檢測到轉(zhuǎn)速超過緊急啟動轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機會進入調(diào)壓狀態(tài)且以默認值工作。如圖3所示。

圖3 發(fā)電機工作狀態(tài)

3.3 電能管理策略的實現(xiàn)

圖4 電能管理流程圖

電能管理策略實現(xiàn)的流程如圖4所示。其中，電能管理器采集來自車載網(wǎng)關(guān)的用電負載開關(guān)狀態(tài)信息并計算用電負載需求電流；采集來自IBS的蓄電池SOC信息，進一步確定蓄電池輸出電流的取值范圍；電能管理器根據(jù)以上信息確定最優(yōu)初始協(xié)態(tài)變量值計算λ0*；根據(jù)來自車載網(wǎng)關(guān)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信息，獲取對應(yīng)的發(fā)動機燃油消耗率，進而計算哈密頓函數(shù)；找到最小的哈密頓函數(shù)對應(yīng)的蓄電池電流值作為最優(yōu)蓄電池輸出電流Ib*，計算對應(yīng)的最優(yōu)發(fā)電機輸出電流Ia*；將發(fā)電機電流信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的發(fā)電機電壓信號并發(fā)送給智能發(fā)電機，實現(xiàn)整車電能管理。

4、試驗驗證與結(jié)果分析

利用整車臺架進行了在ECE15循環(huán)工況下用電負載不變時的電能管理策略試驗。其中， ECE15循環(huán)工況運行速度隨時間的變化如圖5所示。

圖5 ECE15循環(huán)工況速度-時間曲線

在負載功率為0.8kW時，可以計算出此時初始協(xié)態(tài)變量γ?(t )=-46。當SOC0=SOCmax時即為最優(yōu)解，此時γ(t)滿足電能管理策略的所有約束條件。

在采用電能管理策略以及不采用電能管理策略的條件下分別進行仿真試驗。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用電能管理策略時電能管理器使得發(fā)電機的電壓劇烈波動，而不采用電能管理策略的試驗中的發(fā)電機電壓基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這也表明電能管理器對電池的使用率大大增加，通過對蓄電池反復的充放電來降低發(fā)動機的燃油消耗，提高車輛燃油經(jīng)濟性。表1提供了兩次試驗的具體數(shù)據(jù)。通過對比燃油消耗可得，采用電能管理策略后，相比于沒有采用電能管理策略的情形，車輛的燃油經(jīng)濟性有了明顯的提升。

表1 ECE15循環(huán)工況的試驗數(shù)據(jù)

5、結(jié)論

針對傳統(tǒng)燃油汽車的電氣系統(tǒng)，本文研究了一種電能管理系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)下電能管理的實時控制策略。該控制策略能夠根據(jù)用電負載電流和車輛運行工況的變化，合理地分配智能發(fā)電機和蓄電池的電流輸出。試驗結(jié)果表明，相較于目前應(yīng)用較多的整車控制策略，該策略能獲得更好的燃油經(jīng)濟性。未來將進一步降低電能管理策略的復雜程度，加快該策略在整車上的工程應(yīng)用。

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Fuel motor power online management method study

Chen Wen
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

To reduce the vehicle fuel consumption, an electrical energy management approach is proposed on internal combustion engine vehicles electrical system. In order to achieve the best fuel economy, with the constraint condition of the vehicle load current demand, the on-line management strategy of internal combustion engine vehicle electric energy which based on the optimal output current distribution between the intelligent generator and battery is put forward with its implementation process. The experiment results show that proposed strategy can optimally distribute the output current between intelligent generator and battery then effectively reduce the vehicle fuel consumption.

Internal combustion engine vehicle; electrical energy management; on-line management; fuel economy

U467.1

A

1671-7988 (2017)09-07-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.09.003

陳聞，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。