基于复合电源的混合动力客车功率解耦方法

基于复合电源的混合动力客车功率解耦方法

对于城市公共交通的日常行驶，采用混合动力系统可以节省大量的节能和排放。某公司设计的第一代混合动力客车使用单一镍氢电池作为车载储能装置,为满足电机功率需求而匹配的电池容量很大,容量利用率很低。而且在城市频繁的起车、加速、制动、停车的工况中,电池频繁的大功率充电放电,在寿命、能量效率方面存在较大的不足,既增加了车辆行驶的维护成本,又限制了混合动力系统的节油效果。因此,本文提出由锂电池和超级电容组成主动控制式车载电源作为下一代混合动力客车的储能装置,并基于目标工况进行了动力系统能量源的优化匹配。1混合动力客车能量源设计本文研究的混合动力客车采用双电机并联构型。ISG电机最大功率为15kW,集成在发动机输出轴,通过电控离合器与AMT输入轴连接在一起。主电机最大功率为90kW,与AMT变速箱输出轴通过齿轮箱将动力耦合输出到后桥,电池通过直流变压器DC/DC与超级电容并联作为电源,如图1所示。使用主动控制式复合电源作为储能装置的混合动力客车有发动机、电池和超级电容3个能量源,如何能够在整车设计之初根据车辆基本参数和日常运行的工况需求进行3个能量源的优化匹配是个难题。本文将对工况需求的功率流进行分析,基于混合动力汽车控制原理,将发动机、电池、电容的功率分离开来,以发动机效率、复合电源的系统效率、电池寿命、成本等作为指标,进行复合电源的优化匹配,流程如图2所示。2基于目标场景的电机功率调整2.1整车功率pg采用如图3所示的某城市客车工况作为对车辆动力经济性能要求的目标工况,对其进行发动机功率和复合电源参数的优化匹配。根据汽车行驶阻力方程和目标工况车速,结合整车参数即可计算得出整车行驶需求功率Pr。电功率Pel的表达式为式中:ηm为电机效率,设为0.9;ηb为再生制动占总制动的能量比例,设为0.35。将ηm、ηb代入整车参数,即可得到Pe1,如图4所示。整车参数如下:质量为14t,风阻系数为0.8,迎风面积为7m2,转动惯量系数为1.05,滚阻系数为0.008。混合动力汽车行车可分为纯电动、联合驱动和再生制动3个模式,发动机主要参与联合驱动模式,该模式下不同驱动功率时的整车驱动能量分布如图5所示。2.2等效燃油消耗模型以最优经济性为目标,发动机功率匹配即是不同功率下发动机效率特性和如图5所示的工况驱动能量分布的匹配。为得到不同输出功率负荷率(输出功率与最大功率比值)时的柴油机比油耗的一般特性,本文针对混合动力客车使用的柴油发动机,选取了几个在100kW功率等级附近的柴油机作为数据来源,进行了不同功率下发动机平均比油耗的统计,并进行了标准化,如图6所示。混合动力汽车并非只有一个动力源,工况中的功率需求并非完全由发动机满足。但由于所有能量的最终来源都是发动机,将电机发电或助力产生的电能折算到发动机油耗当中,就可以得到不同需求功率下对应的等效比油耗,进而可以匹配在如图5所示的工况需求能量分布的情况下油耗最低的发动机功率。电机助力驱动、发动机单独驱动和电机发电3种工况的等效油耗分别为式中:x为功率负荷率;E(x)为发动机比油耗;ηb=0.9;ηm=0.9;xmin为电机发电临界工作点,即当发动机负荷率小于xmin时,电机发电以提高发动机效率,xmin的确定应遵循的原则是:当发动机功率负荷小于xmin时,通过电机发电的方式所计算得出的等效燃油消耗应小于发动机直接驱动整车的燃油消耗,即代入ηb、ηm,当Δx趋近于0,可得当x<20时,式(6)成立,说明xmin=20。由此可以将图6扩展为关于需求功率Pr与发动机最大功率Pe的比值x的等效比油耗图,如图7所示。结合图7数据,可以算出不同发动机最大功率Pe满足如图5所示的驱动能量要求时的燃油消耗Eall。式中:G(Pr)为图5所示的需求功率为Pr时的工况能量分布值。计算结果如图8所示,发动机最大功率为90kW时燃油消耗最低。3电池电容优化匹配根据混合动力汽车的控制思想,当要求驱动功率小于发电临界值20%,即驱动功率在0~18kW时,发动机以18kW工作发电,当要求驱动功率为18~90kW时,由发动机单独驱动整车,当要求驱动功率大于90kW时,发动机输出最大功率,剩余部分由电机助力,由此可以得到工况对复合电源的功率能量需求,如图9所示,最大需求功率为-86kW,需求能量为1085kJ。复合电源中电池电容的优化匹配就是在满足图9所示的功率需求的前提下,评估不同电池电容配比的情况下系统的效率、寿命、成本选取最优方案的过程。本文引用两家公司的锂离子电池和超级电容单体产品性能参数作为进行电池电容优化匹配的依据,如表1所示。3.1电容能量对电池功率的影响为计算可以满足工况条件的电池电容配比方案,本文按每次起停将整个工况分为9个子工况,根据整车对电源的功率需求计算不同电池时所需电容容量。以第9段子工况为例,若匹配容量1kWh的电池,则当工况需求的复合电源功率为5kW以内时,功率完全由电池提供,当工况需求的复合电源功率大于5kW时,不足的功率由电容补充。以此类推,得到不同容量电池时电池功率如图10所示。根据电容补充功率可以得到不同电池容量时工况对电容的能量需求,满足工况所需的最小电容能量即为电容能量值最高点与最低点的差,如图11所示。不同电池容量下所需电容容量如表2所示。查表2即可得到不同电容能量下所需的电池容量。使用同样方法,计算不同电容容量时9段工况所需的电池容量,结果如图12所示。不同超级电容容量时各子工况中需求电池容量的最大值即为此电容容量时满足整个工况功率需求所需的电池容量。3.2参数设置国内混合动力和纯电动汽车锂动力电池价格为3000元/(kWh),加上DC/DC成本,按照4500元/(kWh)来计算。Maxwell超级电容在按车用260~420V电压范围的可用能量计算其价格为71.1元/kJ。由于实际应用中工况的不确定性,控制策略并不能将一定电容容量下所能起的“削峰填谷”作用完全发挥出来,因此选取电容可用能量为1.25的安全系数,可得系统的总价格如下:3.3电池电容容量配比对不同电池电容配比时复合电源效率和寿命等特性进行估算,必须将工况对复合电源系统的功率需求分为对电容和电池各自的功率需求。查图12,不仅可以得出满足工况需求的电池电容容量配比,同时也可以得出不同电容容量下各个子工况所需的电池助力功率范围,如表3所示。由此将电池和电容的功率分离开来,即当需求功率小于辅助功率时,工况功率由电池提供,当需求功率大于辅助功率时,不足功率由电容补充。图13为第7和第8子工况下电池和电容的功率需求。3.4量后与总能量的比值系统效率是指流过系统的总能量减去损失能量后与总能量的比值。主动控制式复合电源能量损失主要包括电池和电容欧姆损失,电池和电容安时效率损失,DC/DC效率损失。(1)电池电容cg电池和电容的欧姆能量损失是电流流过时其内阻消耗的能量。将电池和电容等效为恒压源与内阻模型,则能够以内阻上的分压和电池的端电压计算出不同电流流过时欧姆损失能量占流过能量的比例。充电时,损失比例ρ的计算式为式中:I为电流;Rom为内阻;OCV为开路电压。将表1中电池电容参数代入式(9),计算得到不同倍率充电时电池、电容充电欧姆能量损失比例,如表4所示。放电时,损失比例ρ为同理可计算出电池、电容放电欧姆能量损失表达式为(2)超级电容安时效率锂电池中的充放电化学反应几乎没有副反应发生,认为其安时效率为99%,即在充电和放电过程中各有0.5%的电量损失。超级电容电量的充放过程是电荷在极板之间移动的物理过程,几乎没有安时效率损失,设超级电容安时效率为99.5%。安时效率损失的能量为(3)效率低下车用DC/DC效率特性如表5所示。DC/DC效率损失为3.5循环次数的确定超级电容的充放电循环寿命极长,因此本文只对电池寿命进行研究。根据文献的研究,电池以不同倍率进行100%深度充放电,直到电池容量达到初始容量的80%时的循环次数,如表6所示。将电池以不同倍率放电对电池寿命的影响考虑到电池寿命计算当中,本文引入放电倍率系数的概念。以1C放电时电池寿命为标准,以一定倍率放电时的放电倍率系数θ为1C放电循环次数/当前放电倍率下循环次数。按照电池以1C倍率充放电可以有2556倍电池最大容量的能量经过电池来计算电池寿命,可以得到电池达到其寿命时可进行的循环次数为每次循环行驶里程为8.4km,计算得到电池寿命里程。3.6动力电池的配比将由前文计算的电池寿命、成本、系统效率和重力等数据汇总,并将电源能量转换时的损失按照260g/(kWh)转换为损失等效油耗,结果如表7所示。分析表7,当电容容量取400kJ以下时,其主要作用是吸收工况峰值功率,降低了对电池的最大功率需求。因此,随着电容容量的增大,需求的电池容量迅速减少。但工况中大部分能量仍由电池提供,这就使得电池平均放电倍率变大,系统能量转换效率变低,电池寿命缩短。匹配电容容量在400kJ以上时,随着电容容量的增加,电容在工况中提供的能量比例不断提高,系统效率不断上升,而电池寿命由于其电池容量的增大而大幅减少,达到一定值后便趋于稳定。主要考虑电池寿命及能量转换效率,本文按800kJ电容容量选取复合电源参数。按照1.25的安全系数和表2中的参数,以及车用电机电压等级,本文选取150节电容单体串联组成超级电容组,与16Ah、标称电压为260V的动力电池组成复合电源,作为下一代混合动力客车的车载储能装置。系统的成本为8.5万元。4电池寿命仿真为验证所匹配的复合电源系统性能,对整车仿真软件advisor进行二次开发。建立复合电源及基于规则的复合电源控制策略模型,进行前文目标工况的仿真,仿真结果如图14所示。与单一电池相比,使用复合电源时大部分的工况需求功率都由电容提供,统计整个工况需求能量结果如表8所示。电池中流过的电量为2.68Ah,考虑充放电倍率因数时的等效电量为3Ah。电池容量为16Ah,按表中电池进行1278次满充满放时达到的电池寿命来计算,可进行13632次循环,行驶11.5万公里。单一电池流过的电量为21.12Ah,考虑充放电倍率因数时的等效电量为21.56Ah,可进行7587次循环