探析增程式電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配與能量管理對(duì)策

宋金香

中通客車(chē)控股股份有限公司 山東省聊城市 252000

1 前言

在中國(guó)商用車(chē)的保有量占百分比的百分之二十八，這也導(dǎo)致了環(huán)境污染問(wèn)題與能源流失問(wèn)題，當(dāng)前我國(guó)的大部分商用車(chē)都是以內(nèi)燃機(jī)形式成為汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，只有少數(shù)部分是混合動(dòng)力和電動(dòng)模式，傳統(tǒng)的商用車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的需要，混合型和電動(dòng)型汽車(chē)因?yàn)槠鋵?duì)環(huán)境的污染少，所以在多個(gè)城市已經(jīng)投入使用，增程式電動(dòng)商用車(chē)作為新興的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，較純電動(dòng)汽車(chē)相比，只需要增添較小的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)就可突破純電動(dòng)汽車(chē)的電池時(shí)效制約，解決了純電動(dòng)汽車(chē)行駛里程較短的問(wèn)題，這不僅是有著節(jié)能減排的作用，還可以保護(hù)環(huán)境，開(kāi)發(fā)增程式電動(dòng)商用車(chē)的意義重大。

2 增程式電動(dòng)商用車(chē)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

增程型電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)造主要是有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電池、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和組成傳動(dòng)系統(tǒng)的主要減速器和驅(qū)動(dòng)橋等等。增程式電動(dòng)商用車(chē)使用集中驅(qū)動(dòng)串聯(lián)混合型動(dòng)力模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)相串聯(lián)，為動(dòng)力電池充電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為增程型電動(dòng)商用車(chē)提供動(dòng)力，經(jīng)過(guò)主減速器降低速度達(dá)到增矩的效果，在經(jīng)由差速器講驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約均勻的分給左右兩邊的驅(qū)動(dòng)半軸，可見(jiàn)動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)圖，增程型電動(dòng)商用車(chē)控制系統(tǒng)利用收集的加速踏板以及運(yùn)動(dòng)形式的狀態(tài)，恒定駕駛員的行駛的需要，依照增程型電動(dòng)商用車(chē)的行駛狀況，講驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行發(fā)送。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)圖

2.2 建立系統(tǒng)模型

主要是由汽車(chē)上路的試駕和后臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)有許多種，但是如果每一種都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，那樣大大增加研究的費(fèi)用，并且還加長(zhǎng)了研究汽車(chē)的時(shí)間，當(dāng)前在設(shè)計(jì)初始時(shí)期，設(shè)計(jì)汽車(chē)的企業(yè)大部分利用通用或?qū)Ｓ玫碾娔X，采用仿真科技對(duì)汽車(chē)進(jìn)行模擬建造，這樣做節(jié)省了汽車(chē)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，還節(jié)約了投入資金，能夠更加有效的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足，并根據(jù)不足采取相應(yīng)的措施，對(duì)改進(jìn)汽車(chē)的設(shè)計(jì)方案有著重要的意義。國(guó)內(nèi)外在對(duì)汽車(chē)的仿真設(shè)計(jì)中，使用頻率最高的當(dāng)屬奧地利 AVL 公司研發(fā)的Cruise這項(xiàng)軟件，這項(xiàng)軟件是用于汽車(chē)的模擬仿真，AVL Cruise是對(duì)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的仿真研究，可以較為方便的對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的展示，AVL Cruise已然成為汽車(chē)仿真技術(shù)的核心。

汽車(chē)變?yōu)樵龀淌诫妱?dòng)車(chē)式，發(fā)動(dòng)機(jī)將和ISG電機(jī)相結(jié)合給為動(dòng)力電池進(jìn)行充電，動(dòng)力電池可以不間斷的為汽車(chē)供給動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)直接的發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，根據(jù)動(dòng)力的傳播線路構(gòu)建汽車(chē)內(nèi)部或外部的模型，將數(shù)據(jù)輸入，在汽車(chē)的模型中，還有，nap控制模塊、電機(jī)控制模塊，控制參數(shù)模塊、增程控制模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊等

3 系統(tǒng)匹配與能量管理控制措施

3.1 增程器控制策略

恒溫式控制策略也可以稱(chēng)為開(kāi)關(guān)式控制策略，它式將電池的荷電狀態(tài)數(shù)值當(dāng)作控制器的輸入辯論，為電池設(shè)置上限和下限，高于上限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止工作，低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)則自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，為電池充電的同時(shí)使汽車(chē)正常的運(yùn)行，多出來(lái)的能量將轉(zhuǎn)化為電池充電。

表1

表2

3.2 電機(jī)控制策略

電機(jī)控制的策略包含了驅(qū)動(dòng)控制和再生制動(dòng)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要作用使汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中科學(xué)有效的使用動(dòng)力電池，將動(dòng)力電池中的能量轉(zhuǎn)化為汽車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力，汽車(chē)停止時(shí)電機(jī)處于發(fā)電的模式，并能夠把制動(dòng)的能力傳送給電池，使汽車(chē)能夠增加行駛時(shí)長(zhǎng)。汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，汽車(chē)的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)駕駛員的行為分析駕駛員行駛的需求，從而使電機(jī)在駕駛員需求的方式下運(yùn)作。增程式電動(dòng)商用車(chē)在行駛的過(guò)程中，期望轉(zhuǎn)矩的輸出決定于駕駛員踏板信號(hào)的輸入。

增程式電動(dòng)商用車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，為了保證駕駛的安全性與平穩(wěn)性，應(yīng)該要預(yù)防電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，較為常見(jiàn)的使利用轉(zhuǎn)矩的微積分等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將不利用比例環(huán)節(jié)，要避免重復(fù)轉(zhuǎn)矩變化而帶來(lái)的行駛顛簸，在離開(kāi)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，要將轉(zhuǎn)矩積分進(jìn)行清除。在增程式電動(dòng)商用車(chē)的研發(fā)技術(shù)中，能力制動(dòng)技術(shù)也是較為重要的一項(xiàng)工作，可以有效的增加行駛時(shí)效，再生制動(dòng)實(shí)施中，要將前后輪胎動(dòng)力科學(xué)配比，保證電機(jī)能夠有效的進(jìn)行能量回收，再生制動(dòng)技術(shù)會(huì)受到外界的影響，為了保障制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性，一般情況下將由傳統(tǒng)制動(dòng)方式和再生制動(dòng)方式相結(jié)合，相互作用下完成制動(dòng)工作。再生制動(dòng)控制針對(duì)的時(shí)驅(qū)動(dòng)輪，在行駛過(guò)程中，分析駕駛員的開(kāi)車(chē)行為，判斷出汽車(chē)所需要的制動(dòng)力。

4 性能分析

4.1 動(dòng)力性分析

評(píng)價(jià)一輛汽車(chē)的動(dòng)力性能是否強(qiáng)大，是要將這輛車(chē)的零部件和動(dòng)力分別進(jìn)行分析，這也是體現(xiàn)汽車(chē)是否可以安全行駛的基礎(chǔ)，在平整或崎嶇的路段進(jìn)行具有穩(wěn)定性的行駛，依據(jù)增程式電動(dòng)商用車(chē)的運(yùn)行特征，對(duì)增程式電動(dòng)商用車(chē)的最高車(chē)速、爬坡以及加速時(shí)間進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。

4.2 車(chē)速與里程分析

增程式電動(dòng)商用車(chē)仿真模擬工作中，要進(jìn)行多次的驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)，確保沒(méi)有問(wèn)題方可進(jìn)行仿真，在完成這項(xiàng)工作后，再由Cruise 界面中的 Result Manager 獲得汽車(chē)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的仿真圖像。增程式電動(dòng)商用車(chē)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)商用車(chē)的不足，在動(dòng)力性能設(shè)計(jì)方面也有所改進(jìn)，但是增程式電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中電機(jī)的功率數(shù)值設(shè)計(jì)的較弱，在動(dòng)力性能上和傳統(tǒng)商用車(chē)比較起來(lái)有所降低，見(jiàn)表1。

（1）純電動(dòng)行駛里程

Cruise的使用情況中，將增程式電動(dòng)商用車(chē)在UDC與NEDC的情況下模擬行駛，對(duì)汽車(chē)的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，確保汽車(chē)持續(xù)的在電動(dòng)模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，將增程器關(guān)閉，模擬行駛結(jié)束受可以得除電池的變化。

（2）增程行駛里程

Cruise仿真工作中，對(duì)汽車(chē)的控制策略進(jìn)行科學(xué)的更改，將電池SOC的數(shù)值設(shè)定為0.3，并要將數(shù)值穩(wěn)定在0.3-0.4之間，電池電量少于0.3時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)電池電量大于0.4時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，便可在實(shí)驗(yàn)中計(jì)算出NEDC模式下汽車(chē)的行駛增城歷程，見(jiàn)表2。

4.3 經(jīng)濟(jì)型分析

一般狀況下，汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性能可以在汽車(chē)的行駛過(guò)程中計(jì)算出來(lái)，汽車(chē)行駛的百公里耗油量以及在定量的燃油情況下可以運(yùn)行多元的距離，在國(guó)內(nèi)外，汽車(chē)油耗的單位為 L/100km，具體是汽車(chē)在運(yùn)行了一百公里后使用的燃油數(shù)量，油耗越大，就說(shuō)明汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性能越差。因?yàn)樵龀淌诫妱?dòng)商用車(chē)在運(yùn)行初期時(shí)純電動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)處于不動(dòng)狀態(tài)，所以油耗為兩，當(dāng)電池耗盡或者到達(dá)設(shè)定的最小數(shù)值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)開(kāi)始工作，這只就可計(jì)算出汽車(chē)的耗油量了。

4.4 優(yōu)化技術(shù)參數(shù)

優(yōu)化技術(shù)參數(shù)就是讓其中在運(yùn)行過(guò)程中將燃油消耗殆盡，電池的電量保證較高，兩個(gè)方面相互矛盾又相互制約，不會(huì)一起成為最佳的條件，它的公式為：

5 總結(jié)

本論文將增程式電動(dòng)商用車(chē)做為研究的重點(diǎn)，見(jiàn)要分析了增程式電動(dòng)商用車(chē)系統(tǒng)的內(nèi)涵和系統(tǒng)的初建，并針對(duì)增程式電動(dòng)商用車(chē)運(yùn)行的特征，對(duì)系統(tǒng)匹配與能量管理控制提出了行之有效的措施，達(dá)到了能量的科學(xué)使用。并采用高級(jí)仿真軟件 Curise對(duì)其性能進(jìn)行細(xì)致的分析與研究，本文旨在研發(fā)能夠滿足各項(xiàng)工作需求的增程式電動(dòng)商用車(chē)，本文對(duì)于增程式電動(dòng)商用車(chē)的研發(fā)有著參考價(jià)值。