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考虑冷却系统能耗的PHEV综合能量管理策略研究

张涛  
【摘要】:插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)凭借其兼顾长续航力里程和高效燃油经济性的优势,在能源危机、环境保护和国家战略背景下,具有广阔的发展前景。发展更高效节能的能量管理技术是提升PHEV综合燃油经济性的重要途径,PHEV多动力源的冷却系统能耗作为影响系统综合能耗的重要因素,却未得到充分重视。本文以某新型双电机行星耦合PHEV为研究对象,考虑冷却系统能耗开展PHEV综合能量管理策略研究。首先,构建某新型双电机行星耦合PHEV动力传动系统及冷却系统模型。描述混合动力系统结构,对其进行功率流分析,梳理系统工作模式,并对动力传动系统各部件进行建模;进一步给出PHEV整车发动机、双电机等动力源的综合冷却系统架构,根据其高低温回路特性以及各驱动部件最大冷却需求,进行冷却系统参数匹配计算,并搭建冷却系统模型。其次,根据高低温回路不同散热需求,制定冷却系统的总体控制方案并设计电动风扇和电子泵的转速优化控制器。PHEV工作模式切换频繁且驱动部件工作功率变化剧烈,针对冷却液温度波动大难于精准控制、系统能耗较大的问题,搭建基于李亚普诺夫的优化控制器对电动风扇和电子泵的转速进行实时优化控制。结果表明,所设计的控制器在新标欧洲循环测试工况(New European Driving Cycle,NEDC)工况下可以使得冷却液工作温度稳定,相较于传统阀值规则控制,20~°C和40~°C环境温度下的冷却系统能耗分别降低了37.5%和29.7%,实现冷却系统能耗的最优控制。然后,设计考虑冷却系统能耗的PHEV综合能量管理策略。结合双电机行星耦合动力系统的传动耦合特性,基于等效燃油消耗最小策略(Equivalent Consumption Minimum Strategy,ECMS)设计驱动系统与冷却系统独立控制的整车能量管理策略(Separate Energy Management Strategy,S-EMS);进一步考虑动力系统不同工作状态需求不同冷却功率、冷却系统能耗又影响整车能耗的作用机理,以及冷却附件功率需求对整车功率分配的边界约束,设计驱动系统和冷却系统综合控制的能量管理策略(Integrated Energy Management Strategy,I-EMS)。其中考虑温度对驱动部件工作效率的影响因素,在I-EMS中引入温度和电池荷电状态(State of Charge,SOC)关联的综合油电惩罚因子,并设计模糊控制器实时修正惩罚因子以控制整车功率分配。仿真结果表明,所提出的I-EMS能够主动调节驱动部件的工作状态和输出转矩,在同时满足车辆的驱动和冷却功率需求的前提下,能够进一步减少冷却系统的高热负荷及能耗,相较于S-EMS,I-EMS在保证整车动力性需求和部件稳定温度的前提下,NEDC工况和中国乘用车行驶工况(China Light-duty Vehicle Test Cycle for Passenger Car,CTLC-P)工况下的整车百公里等效油耗分别降低9.75%和10.73%。最后,搭建硬件在环(Hardware-in-the-Loop,HiL)仿真实验平台进一步验证所设计的能量管理策略在实时运行环境中的可靠性和实时有效性,其中在Matlab/Simulink中完成控制策略的开发,并下载到RapidECU快速原型控制器中实时运行,NI实时仿真机运行整车AMESim模型。结果表明所设计的能量管理策略HiL测试结果与离线仿真结果基本吻合,同时验证了该能量管理策略的可靠性和实时有效性。


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