基于全局优化策略的PHEB能耗分析.pdf
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1、 10.16638/ki.1671-7988.2023.021.002 10.16638/ki.1671-7988.2023.021.002 基于全局优化策略的 PHEB 能耗分析 王多辉,戚泽恩,栾怡萱(长安大学 汽车学院,陕西 西安 710064)摘要:多动力源之间能量管理的优劣对插电式混合动力汽车的能耗有着较大的影响,故文章以一辆插电式混合动力城市客车为研究对象,使用基于全局优化的控制策略,动态规划(DP)策略和庞特里亚金最小值原理(PMP)策略对整车的能耗进行计算分析。首先基于 MATLAB建立串联型插电式混合动力城市客车的整车模型及各分部件模型,在中国典型城市公交行驶工况下,分别仿真
2、计算 DP 策略和 PMP 下的能耗情况,与传统的消耗-维持(CD-CS)策略的能耗进行对比。结果表明,DP 和 PMP 策略皆可使得动力电池荷电状态(SOC)在整个过程近乎呈线性变化,达到全局最优的控制效果。DP 策略较 CD-CS 策略能耗降低了 15.12%,但计算量巨大;PMP 策略较 CD-CS 策略能耗降低了 14.28%,但初始协态变量确定难度较大。关键词:插电式混合动力客车;能量管理策略;动态规划;全局优化 中图分类号:U469.7 文献标识码:A 文章编号:1671-7988(2023)21-07-05 PHEB Energy Consumption Analysis Bas
3、ed on Global Optimization Strategy WANG Duohui,QI Zeen,LUAN Yixuan(School of Automobile,Changan University,Xian 710064,China)Abstract:The performance of energy management between multiple power sources has a greater impact on the energy consumption of plug-in hybrid electric vehicles.Thus,this paper
4、 takes a plug-in hybrid electric bus as the research object,and uses the control strategy,dynamic programming(DP)strategy and pontryagins minimum principle(PMP)strategy based on global optimization to calculate and analyze the energy consumption of the vehicle.Firstly,the vehicle model and sub-compo
5、nent model are established based on MATLAB,and the energy consumption under DP and PMP strategy is simulated and calculated under the Chinese typical urban bus driving cycle,and the energy consumption under traditional charge depleting-charge sustaining(CD-CS)strategy is compared.The results show th
6、at both the DP and PMP strategies can make the state of charge(SOC)of the power battery change almost linearly in the whole process,and achieve the overall optimal control effect.Compared with CD-CS strategy,the energy consumption of DP strategy is reduced by 15.12%,but the huge amount of computing
7、is not negligible.Compared with the CD-CS strategy,the PMP strategy reduces the energy consumption by 14.28%,but it is difficult to 作者简介:王多辉(1998),男,硕士研究生,研究方向为新能源汽车整车控制,E-mail:。8 汽 车 实 用 技 术 2023 年 determine the initial co-state variables.Keywords:Plug-in hybrid electric bus;Energy management strat
8、egy;Dynamic programing;Global optimization 能源问题与环境问题日益显著,世界环境保护组织为此推崇新能源的广泛使用,各国政府相继推出了一系列关于推进新能源汽车发展的政策规划,以新能源汽车代替传统燃油汽车的方式来缓解能源及环境压力。插电式混合动力客车(Plug-in Hybrid Electric Bus,PHEB)因自身可降低化石燃料消耗且能够规避纯电动汽车存在的里程缺陷的特点,在城市运行中被大量应用1。对于 PHEB 的能量管理策略,可分为基于规则的策略、基于优化的策略及基于数据驱动的策略三类。基于优化的能量管理策略,是将 PHEB的能量分配问题转化为
9、求解目标函数的最优化问题,PHEB 能量分配问题需要提前获取工况信息,采用最优化理论实现目标函数下的全局最优解2。基于优化的能量管理问题有着全局优化和瞬时优化两个研究角度。本文就全局优化方法中的动态规划(Dynamic Programming,DP)方法3和庞特里亚金最小值原理(Pontryagins Minimum Pri-nciple,PMP)来对 PHEB 的能耗问题进行研究4,利用 MATLAB 软件进行仿真,对不同能量管理方法下的能耗进行对比分析。1 PHEB 整车模型 1.1 动力结构模型 本次研究对象为插电式混合动力城市客车,其动力系统结构如图 1 所示,属于串联式动力结构,整车
10、动力来源于两个动力源,其一是电池容量为 180 Ah 的磷酸铁锂动力电池,单体电压 3.2 V,由共 168 个单体组成;其二是由燃气发动机与集成式启动驱动发电机(Integrated Starter Generator,ISG)机械耦合构成的辅助动力单元(Auxiliary Power Unit,APU)。PHEB 有多种工作模式,所处的工作模式是由APU的工作状态及APU输出功率与需求功率的比值所决定的。PHEB 的各个工作模式中均满足以下功率平衡方程,其中动力传输过程中的能量损失以效率的方式体现。PrepreqauxAPUBATPPPP+=+(1)式中,Prep为需求功率;Paux为其他
11、部件消耗功率;PAPU为 APU 单元输出功率;PBAT为动力电池输出功率。图 1 PHEB 动力系统结构 1.2 电池模型 本车电池模型采用等效电路模型5,此类模型可忽略内部电池复杂的氧化还原反应来清晰表现出动力电池的外特性。本文的 PHEB 采用磷酸铁锂动力电池,单体电压 3.2 V,总电压 537.6 V。动力电池的充放电状态方程为 2ococintBATintBAT40002UUR PSOCR Q=&(2)式中,SOC&为荷电状态(State of Charge,SOC)的变化;Uoc为动力电池的开路电压;Rint为电池等效内阻;PBAT为动力电池输出功率;QBAT为电池总容量。1.3
12、 驱动电机模型 驱动电机有两种工作状态,一是加速时为整车提供驱动力;二是制动时反转,能量回收为电池充电。电机主要特性参数:电机效率与电机转速和电机扭矩满足特定函数关系可由实验数据差值得出。moter=f Tmotor,nmotor (3)式中,moter为驱动电机效率;Tmotor,nmotor分别为第 21 期 王多辉,等:基于全局优化策略的 PHEB 能耗分析 9 电机的输出扭矩和转速。1.4 APU 单元模型 发动机与 ISG 电机机械耦合构成 APU 单元,在车辆运行过程中,必要时单独控制 APU 单元为整车提供动力。利用实验数据插值得到 APU 单元的最佳燃油消耗量曲线。bAPU(t
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