重型商用车48V系统控制策略开发

  • 焉知
  • 2021-02-04 17:02:01
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本文通过Simulink搭建重型商用车48V控制策略模型,并与AVLCruise通过MATLABAPI的方式联合仿真。

来源 | 一汽解放汽车有限公司

来源 | 电动学堂

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Volvo于2016年完成并发布首轮48V重型商用车;欧盟超级货车二阶段项目正在进行重型48V商用车开发,计划2021年完成,并实现戴姆勒牵引车整车节油2%的节油率目标。国内诸如一汽、东风、重汽等主要商用车厂家均已启动48V商用车项目的策划,相应的系统及零部件供应商等配套目前也已经相对成熟。

本文通过Simulink搭建重型商用车48V控制策略模型,并与AVLCruise通过MATLABAPI的方式联合仿真。根据实际采集的车辆运行路谱数据进行整车动力经济性计算。仿真结果表明,该48V系统控制策略能够满足整车动力性需求,并能有效降低重型商用车油耗。

1、48V系统概述

1.1 48V重型商用车结构

重型商用车48V结构如图1所示。

48V电机以P0结构连接于发动机前端,电机同时具备驱动及发电功能,可由发动机带动电机进行发电;

48V电池分别连接48V电机、48V电气附件和DC/DC;电机可以由电池驱动将电机扭矩输出至传动系协同发动机进行驱动;电机也可由发动机带动进行发电,将制动回收和发动机发电的能量回收至48V电池,用来驱动电机或48V电气附件;48V电池的电压可由DC/DC变换为24V,用来带动24V的电气部件。

重型商用车的起动功率大,匹配相应的48V起动机对电池放电功率和起动机功率要求较高,将带来成本的较大提升,因此本系统未匹配48V起动机。

发动机和电池的输出功率按式(1)、式(2)计算:

Pb=Ub∗Ib/1000(1)

Pe=Te∗Ne/9449(2)

式中Pb———电池输出功率;Ub、Ib———电池电压和电流;Pe———发动机输出功率;Te、Ne———发动机的扭矩和转速。

整车输出扭矩可由式(3)~式(5)计算:

式中Pv———整车需求功率;Ta———输出扭矩,当工作模式为发动机驱动时,Ta为发动机扭矩,其他工作模式Ta为发动机扭矩和电机扭矩之和;v———当前车速;ia———当前传动系总速比;ig———当前变速器速比;i0———主减速器速比;r———轮胎滚动半径。

1.2 48V控制策略

本文搭建的48V控制策略根据车速、整车需求功率和电池SOC的变化,判断48V混合动力的工作模式。

48V系统为P0式并联结构,发动机转速通过式(6)计算。由当前车速v、轮胎滚动半径r、变速器档位ig和主减速器速比i0决定。控制策略通过调节发动机和电机输出扭矩实现整车控制。

在行驶过程中,车辆根据驾驶员的操作判断整车需求扭矩,当需求扭矩大于发动机目标扭矩时,电机参与驱动,降低发动机输出扭矩;当需求扭矩小于发动机目标扭矩时,电机输出负扭矩,工作在发电状态,提高发动机的实际输出扭矩;当需求扭矩位于发动机高油耗区间时,若电机扭矩不足以使发动机扭矩提升至高油耗区间外,则进行发动机驱动,电机不参与工作;通过电机驱动或发电,使发动机实际输出扭矩更接近目标扭矩区间,达到降低油耗的目的。

48V系统联合仿真Simulink控制策略如图2所示,控制策略共分为数据输入模块、模式判断模块、扭矩计算模块及控制信号输出模块。控制策略依据车辆的行驶条件一共分为7种工作模式:

①停车:发动机怠速运转,电机不参与工作;

②发动机驱动:发动机单独驱动,电机不参与工作;

③制动:发动机、电机均不参与驱动;

④行车发电:发动机驱动,电机发电;

⑤制动发电:发动机不驱动,电机发电;

⑥混合驱动:发动机、电机均参与驱动;

⑦停车发电:发动机怠速运转,电机发电。

2、仿真模型

本文利用AVLCRUISE软件建立整车仿真模型。在燃油车的基础上,48V模型新增电机模块、电池模块、48V电气负载模块、DC/DC模块、24V电气负载模块、MATLABAPI模块、Constants模块、MAP模块以及Function模块等,仿真模型如图3所示。

AVLCRUISE与Simulink控制策略模型通过API模块进行联合仿真,可实现控制策略调试和验证,能及时发现逻辑问题并在线进行参数调整。车辆各零部件参数由数据总线输入至控制策略,相关模块数据连接如图4所示。

48V系统的开发主要目的是提升整车节油率、帮助用户降低车辆的运营成本。由于国际、国内的商用车标准工况与实际用户的使用条件存在一定差别,为体现48V系统在用户实际使用过程中的节油效果,本文采用国内采集的一种典型用户使用工况进行仿真计算。工况时间总长度1700s,包括起步、高速行驶、停车、加减速等多种行驶区间,能较完整的体现整车行驶的各种条件。工况的时间、车速以及设定的车速上下限分布如图5所示。

匹配48V系统的重型牵引车基本参数见表1。鉴于乘用车市场48V系统相关资源已十分成熟,国际、国内的众多乘用车厂家已有多款48V车型实现量产,因此,在重型商用车48V系统设计过程中使用的电机、电池及相关控制系统等部件在满足使用要求的前提下,尽量采用与乘用车相同的资源配置,以实现缩短开发周期并达到降低成本的目的。

3、仿真结果分析

3.1 工况运行结果

实际工况的车速、SOC仿真结果如图6所示。由图6可看出,在本策略控制的48V车辆在实际工况条件下车速跟随状态良好,控制策略能够满足整车动力性需求;整车初始SOC值为80%,由于48V附件持续消耗电池电量,在工况前期,电池SOC随着时间整体呈下降趋势;在急加速区间,SOC下降速度加快;在较平稳行驶区间,SOC下降速度较慢;在减速区间,SOC快速升高;电池SOC经过不断充放电最终为54%。

车辆行驶过程中1450~1670s的控制策略工作模式和SOC变化如图7所示。在急加速区间,控制策略进入工况模式6执行混合驱动:发动机和电机同时向传动系输出扭矩,提升车辆加速能力,此时电池带动电机执行驱动导致SOC下降较快;

在车辆平稳行驶区间,当整车需求功率不高且当前SOC和车速满足判定条件时,控制策略可进入工况模式4执行行车发电:发动机驱动车辆行驶,电机在发动机驱动下进行发电,由于稳态条件充电功率的限制,电池SOC匀速上升。

在车辆制动过程中,当制动踏板信号和当前SOC值满足判定条件,控制策略可进入工况模式5执行制动充电:电机进行发电,实现制动能量回收功能,电池SOC以瞬态最大充电电流为限进行快速充电;当制动力大于限值,则进入工况模式3执行制动,提供最大制动力降低车速。

若在行驶过程中均不满足以上条件,则进入工况模式2执行发动机驱动,此时电机不参与工作。

车辆在怠速停机过程中,根据当前SOC值,可进入怠速发电状态对48V动力电池进行充电,满足后续使用需求。

3.2 油耗结果分析

传统车与48V系统的油耗计算结果见表2。为研究控制策略节油效果,本次仿真未考虑附件电动化带来的效率改善,并控制燃油车和48V系统在工况行驶过程中均采用相同的变速器挡位控制,计算结果仅体现控制策略本身带来的节油效果。

燃油车的实际工况油耗为37.78L/100km,48V系统的实际工况油耗为37.05L/100km,48V控制策略节油0.73L/100km;

燃油车和48V车的怠速油耗均为0.07kg、等速油耗分别为2.61kg和2.60kg;

48V策略的工况加速油耗由燃油车的3.97kg降至3.78kg;

在减速过程中,48V系统油耗略高于燃油车油耗;

48V系统在该行驶工况条件下总电耗量为0.47kwh。

48V和燃油车加速行驶过程的发动机油耗对比结果如图8所示。48V加速区间的发动机瞬时油耗明显低于燃油车,48V系统通过电机辅助驱动降低发动机输出扭矩,减少燃油消耗量。控制策略的整车节油效果主要体现在加速区间的油耗差异。

在等速行驶过程中48V策略油耗与燃油车接近;控制策略对等速行驶时发动机调节较少。

在减速过程中48V系统油耗略高于燃油车油耗,主要是由于48V控制策略的减速区间包括制动能量回收和行车发电部分,发动机的一部分能量转换为电池电量用于驱动电机和电气附件,导致48V系统的减速过程油耗偏高。

3.3 能量回收

48V控制策略实际工况行驶的电机功率计算结果如图9所示。

电机功率为正代表电机向传动系输出功率,执行辅助驱动;电机功率为负代表电机向电池充电,执行行车发电或制动能量回收功能。可以看出,电机执行发电功能的时间多于电机执行驱动的时间;电机发电时功率由于受到稳态充电功率和瞬态最大充电电流的限制,充电功率分布范围较宽;而在辅助驱动状态,由于48V电机最大扭矩相对于发动机峰值扭矩较低,电机的功率以峰值扭矩为主。

对电机功率正负筛选,再基于时间进行积分运算,即可得出电机驱动和充电的能量走势,如图10所示。

48V电机功率较小,不支持电机独立驱动功能,至工况结束,电机输出驱动能量约2900kJ,电机发电能量约为4700kJ。电机通过制动和行车发电回收的能量大于驱动消耗能量,多余能量存储为电池电量,用于驱动48V电气化附件和经过DC/DC转化后的24V传统附件。

工况行驶过程中各工作模式的占比分布如图11所示。停车工况占比7.23%,由于工况后期没有长时间停车区间,且电池电量在行驶过程中始终大于充电限值,因此本工况没有触发控制策略的怠速充电功能。

行车发电模式的占比为21.04%,制动能量回收模式的占比为6.78%,混合驱动模式的占比为11.23%,总充电模式较驱动模式的占比高16.59%。由于电机在稳态时充电功率与驱动功率接近,验证了电机总发电能量应高于驱动能量。

3.4 发动机工况点

发动机工况点是研究整车经济性的重要途径。本文基于发动机油耗分别对48V系统和燃油车的工况点进行聚类分析,将发动机每个工作点进行区域划分,然后进行优化计算,缩小各个矩阵区域的权重离散程度,见式(7)、式(8)。

式中xj,v———每个发动机工作点的空间坐标,横轴为发动机转速,纵轴为发动机扭矩,权重为发动机油耗;Cj———划分区域的重心坐标,通过离散最优算法不断进行分割和优化,最终得到实际工况的发动机工况点。

    

 

燃油车、48V系统实际工况行驶发动机工况点聚类结果见表3、表4,其在发动机工作区间的分布如图12、图13所示。

48V系统较燃油车在大扭矩接近外特性的发动机工况点占比由7.85%降低至6.82%,工况点扭矩由2490.7Nm降至2410Nm;表明48V系统能够有效降低发动机实际输出扭矩,减少发动机在峰值扭矩区间的工作占比。

在本行驶工况,发动机转速主要分布于1200~1600r/min,相应发动机的最佳油耗区域为1000~1500Nm。48V系统在油耗最佳区域的占比由燃油车的27.01%提升至33.84%。表明48V系统通过电机辅助驱动和发电增大了发动机在最佳油耗区域的工作占比。

在发动机扭矩低于500Nm时,油耗急剧升高,应尽量减少发动机在此区域的工作占比。48V系统在高油耗区域的占比由燃油车的27.72%降低至27.31%;表明48V系统通过电机辅助驱动降低发动机在高油耗区域运行的占比,但由于48V电机功率和电池放电功率的限制,此效果相对有限。