摘要
为提高电动商用车的能量利用率,充分发挥其节能潜力,文中以多挡电控机械式自动变速箱(automated mechanical transmission,AMT)电动重型商用车为研究对象,提出了一种基于系统效率最优的换挡策略。基于电驱系统构型深入分析各部件损耗机理和动态效率特性,通过电驱系统效率曲面制定基于系统效率最优的换挡策略;建立电驱系统键合图模型,利用重构城郊工况进行换挡策略仿真分析;结合实车实验验证了文中策略的有效性和优越性。研究结果表明:该策略能实现电驱系统输出效率最优,比传统经济性换挡策略的整车能耗降低了3.86%。
随着环境污染和能源危机的不断加重,汽车产业电动化转型受到越来越多的关
经济性换挡策略的研究主要分为传统经济性换挡策略和基于智能控制的经济性换挡策略两类。传统经济型换挡策略利用优化算法或者考虑多部件效率特性制定换挡策略,Roozegar
基于智能控制的经济性换挡策略考虑人—车—路三者的交互适应,利用神经网络、深度强化学习等方法制定换挡策略。Hayashi
针对上述问题,文中提出了一种基于系统效率最优的换挡策略。基于电驱系统结构深入分析电驱系统各部件损耗机理和动态效率特性,通过电驱系统效率曲面制定基于系统效率最优的换挡策略;建立电驱系统键合图模型,利用重构城郊工况进行换挡策略仿真分析;通过实车实验验证文中改进策略的有效性和优越性。

图1 电驱系统原理图
Fig. 1 Schematic diagram of electric drive system
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
满载质量/kg | 18 000 | 电池电压/V | 360 |
迎风面积/ | 7.854 | 电池容量/(A∙h) | 778 |
风阻系数 | 0.55 |
电机最大转速/(r∙mi | 3 500 |
滚阻系数 | 0.01 | 电机最大转矩/(N∙m) | 1 400 |
车轮半径/m | 0.506 |
现有经济性换挡策略多数基于电机效率最优制定而理想化处理其他部件效率特性,此方法缺乏对电驱系统众多部件的全面耦合分析,导致电驱系统的实际工作效率无法达到最优。为真正表征电驱系统及其部件效率随车辆行驶状态和工作环境动态变化的情况,深入剖析电驱系统各个部件的损耗机理和动态效率特性,建立电驱系统随汽车运行工况实时变化的动态效率模型。
电池的功率损耗主要由充放电电流、内阻和电路压降变化引起,可得电池损耗和动态效率数学模型为:
, | (1) |
, | (2) |
。 | (3) |
式中:分别为电池内阻功率损耗、电池极化电路功率损耗、电池输出功率,kW;分别为一阶极化电压、二阶极化电压,V;电池内阻、一阶极化电阻、二阶极化电阻,Ω;一阶极化电容、二阶极化电容,F;N为单体电池个数;为电池主回路电流,A;为电池效率,取0~1。
电池动态效率特性如

图2 电池损耗与效率特性
Fig. 2 Battery loss and efficiency characteristics
逆变器损耗主要分为4部分:IGBT(insulated gate bipolar transistor)导通损耗、IGBT开关损耗、续流二极管(freewheeling diode,FWD)导通损耗、FWD反向恢复损耗,建立逆变器的损耗和动态效率数学模型为:
, | (4) |
, | (5) |
, | (6) |
, | (7) |
。 | (8) |
式中:分别为IGBT导通损耗、FWD导通损耗、IGBT开关损耗、FWD反向恢复损耗、逆变器输出功率,kW;分别为IGBT、FWD的结温温差,℃;分别为IGBT、FWD导通电阻温度系数,3.0×1
逆变器动态效率特性如

图3 逆变器损耗与效率特性
Fig. 3 Inverter loss and efficiency characteristics
除开开关器件损耗,变换器滤波电容和电感的寄生电阻亦会产生少量功率损耗。建立变换器的损耗和动态效率数学模型如下:
, | (9) |
。 | (10) |
式中:分别为变换器寄生电阻损耗功率、IBGT开关器件损耗功率、变换器输出功率,kW;为变换器电感,H;分别为变换器电容,F;分别为变换器电感、电容、电容电流,A;分别为变换器电感、电容、电容的寄生电阻,Ω;为变换器效率,取0~1。
变换器动态效率特性如

图4 变换器损耗与效率特性
Fig. 4 Converter loss and efficiency characteristics
永磁同步电机损耗中绕组铜损、定子铁损及机械损耗均可进行推导求解,而杂散损耗占比较低且由高次谐波和齿槽谐波导致,无法保证计算精度,进行理想化处理。建立电机的损耗和动态效率数学模型如下:
, | (11) |
, | (12) |
, | (13) |
。 | (14) |
式中:分别为电机铁损、电机铜损、电机机械损、电机输出功率,kW;分别为定子电阻、铁损电阻,Ω;分别为机械角速度、电角速度,rad/s;为机械阻尼,N∙m∙s/rad;为转动惯量,kg·m²;为负载转矩,N∙m;为极对数;为永磁体磁链,Wb;为q轴电感电流,A;为电机效率,取0~1。
电机动态效率特性如

图5 电机损耗与效率特性
Fig. 5 Motor loss and efficiency characteristics
区别于传统机械传动系统功率损失和动态特性的理论计算方法,以惯性效应(惯量损失)、容性效应(柔度损失)和阻性效应(摩擦损失)来表征机械传动系统的能量损失。机械传动系统能量传递及功率损耗路径如
, | (15) |
, | (16) |
。 | (17) |
式中:、、、、、分别为传动系统输入转矩、传动系统输出转矩、AMT主动轴损失转矩、AMT从动轴损失转矩、主减速器及差速器损失转矩、半轴损失转矩,N∙m;、、、、分别为传动系统输入转速、传动系统输出转速、传动轴损失转速、半轴损失转速、车轮损失转速,rad/s;、、、、分别为AMT主动轴转动惯量、AMT从动轴转动惯量、主减速器及差速器转动惯量、左车轮转动惯量、右车轮转动惯量,kg·

图6 机械传动系统功率损耗路径图
Fig. 6 Power loss path diagram of mechanical transmission system
部分机械传动系统动态效率特性如

图7 机械传动系统损耗与效率特性(以四挡为例)
Fig. 7 Loss and efficiency characteristics of transmission systems (in fourth gear, for example)
由电驱系统所有部件的损耗机理和效率特性分析可知,电气系统中各部件的损耗和效率特性均受到整车需求功率的影响,机械系统中各部件的损耗和效率特性主要受到变速器所处挡位以及传动系统传递的转矩和转速的影响。综合前文的工作,得到整个电驱系统的损耗和效率数学模型为:
, | (18) |
。 | (19) |
式中:分别为电驱系统功率损耗、电池功率损耗、变换器功率损耗、逆变器功率损耗、永磁同步电机功率损耗、传动系统功率损耗,kW;为电驱系统效率,取0~1。
部分电驱系统动态效率特性如

图8 电驱系统损耗与效率特性(以四挡为例)
Fig. 8 Loss and efficiency characteristics of electric drive system (in fourth gear, for example)
根据

图9 电驱系统部件损耗占比图(以四挡为例)
Fig. 9 Electric drive system component loss percentage diagram (in fourth gear, for example)
根据电驱系统动态效率特性分析,得到如

图10 基于系统效率最优的换挡策略
Fig. 10 Shifting strategy based on optimal system efficiency
键合图理
基于

图11 电驱系统键合图模型
Fig. 11 Electric drive system bond graph modeling

文中研究对象所采取的换挡策略为基于电机效率最优制定的传统经济性换挡策略,制定过程与上文类似,此处不予赘述,其结果如

图12 传统经济性换挡策略
Fig. 12 Traditional economy shifting strategy
为验证基于系统效率最优的换挡策略的优越性,基于重构工况将文中提出的策略与研究对象所采取的换挡策略进行对比分析,仿真结果如

图13 仿真结果
Fig. 13 Simulation results
为验证键合图模型的有效性和基于系统效率最优的换挡策略的优越性,文中搭建了实车能耗测试平台,如


图14 实验测试平台及结果
Fig. 14 Experimental test platform and results
以CHTC(China heavy-duty truck cycle)能耗为评价指标,利用实验平台进行原车与搭载改进换挡策略的车辆能耗实验,实验结果如
1)构建基于系统效率最优的换挡策略。基于电驱系统结构,分别推导了电池、变换器、逆变器、电机、机械传动系统的损耗公式和动态效率特性,得到电驱系统效率模型,并基于电驱系统动态效率曲面制定了基于系统效率最优的换挡策略。
2)建立电驱系统键合图模型,利用重构城郊工况进行换挡策略仿真分析。仿真结果表明:在测试工况下,基于系统效率最优的换挡策略能耗降低了4.668%,SOC变化量减少了0.27%。
3)搭建实车能耗测试平台,通过实车实验验证键合图模型的有效性和基于系统效率最优的换挡策略优越性。实验结果表明:在CHTC工况下,键合图模型与实车测试真实能耗误差为3.21%,仿真和实验中搭载基于系统效率最优的换挡策略能耗分别降低了4.13%和3.86%。
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