分布驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)分布形態(tài)對(duì)能耗特性影響的研究*

孫澤昌，曾英捷，戴海峰

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

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2015182

分布驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)分布形態(tài)對(duì)能耗特性影響的研究*

孫澤昌1,2，曾英捷1,2，戴海峰1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

針對(duì)分布式四輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車，分析具有不同分布形態(tài)的電池系統(tǒng)能耗特性。選取Rint等效電路模型建立電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗模型，通過理論計(jì)算分析分布式電池系統(tǒng)與集中式電池系統(tǒng)的能耗特性。然后基于AMESim/Simulink軟件建立了電動(dòng)汽車能耗特性仿真平臺(tái)，并以驅(qū)動(dòng)能量消耗最少為控制目標(biāo)，對(duì)前后軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行最優(yōu)分配控制，在NEDC循環(huán)工況下對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗進(jìn)行仿真。理論和仿真分析結(jié)果均表明：在分布式驅(qū)動(dòng)情況下，采用集中式電池系統(tǒng)時(shí)的能耗特性優(yōu)于分布式電池系統(tǒng)，且分布式電池系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生SOC不一致的問題，從而導(dǎo)致車載充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化。

電動(dòng)汽車；分布式電池系統(tǒng)；集中式電池系統(tǒng)；能耗特性

前言

節(jié)能、環(huán)保和安全是現(xiàn)代汽車發(fā)展的三大主題，純電動(dòng)汽車在能源和環(huán)境方面符合可持續(xù)發(fā)展的要求，備受重視。

分布式驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其主要結(jié)構(gòu)特征是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)分散布置到各個(gè)車輪[1]，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)高效。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能部分，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響到電動(dòng)汽車的性能[2]。

根據(jù)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池系統(tǒng)的分布形態(tài)可分為集中式和分布式。集中式電池系統(tǒng)由單一系統(tǒng)組成，集中為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全部電機(jī)提供能量；分布式電池系統(tǒng)則由若干獨(dú)立的電池子系統(tǒng)組成，分別為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)或輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量。

對(duì)于分布式純電動(dòng)汽車，國(guó)內(nèi)外大多研究集中于電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化[2-4]，極少涉及為其供電的電池系統(tǒng)分布形態(tài)對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)性能的影響。然而，電池系統(tǒng)采用何種分布形態(tài)更有利于提高分布式驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的能量效率，這是分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車研究必須要回答的基本問題。本文中以實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過理論推導(dǎo)和仿真分析，研究集中式電池系統(tǒng)和分布式電池系統(tǒng)用于分布式驅(qū)動(dòng)的能耗特性。

1 電池系統(tǒng)損耗模型

1.1 電池系統(tǒng)分布形態(tài)

本文中針對(duì)四驅(qū)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，研究3種電池系統(tǒng)分布形態(tài)的能耗特性。對(duì)于純電動(dòng)汽車，由于其前軸載荷較大，為前軸所配置的電機(jī)功率通常都大于后軸電機(jī)。本文中選擇四驅(qū)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車前后輪電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

電池系統(tǒng)的容量與組成按照前后輪電機(jī)峰值功率的比例進(jìn)行配置。設(shè)定一個(gè)電池組由N個(gè)單體電池串聯(lián)而成，內(nèi)阻為R，開路電壓為E。電池分布形態(tài)如圖1所示。

圖1(a)為分布式電池系統(tǒng)A。2個(gè)前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別由2個(gè)電池包Af為其供電，每個(gè)電池包Af由2個(gè)電池組并聯(lián)而成；后輪電機(jī)由2個(gè)電池包Ar分別供電，每個(gè)電池包Ar由1個(gè)電池組組成。

圖1(b)為分布式電池系統(tǒng)B。前軸2個(gè)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)由1個(gè)電池包Bf為其供電，該電池包由4個(gè)電池組并聯(lián)而成；后軸2個(gè)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)由1個(gè)電池包Br為其供電，該電池包Br由2個(gè)電池組并聯(lián)組成。

圖1(c)為集中式電池系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中只有1個(gè)由6個(gè)電池組并聯(lián)而成的集中式電池包C同時(shí)為4個(gè)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。

令電池包Af，Ar，Bf，Br和C的內(nèi)阻分別為RAf，RAr，RBf，RBr和RC，其開路電壓分別為EAf，EAr，EBf，EBr和EC。假定各電池包初始SOC相同，其最大放電電流為4C，最大充電電流為3C，額定電壓為320V，電池包容量參數(shù)如表2所示。

表2 電池包容量參數(shù)

1.2 電池等效電路模型

等效電路模型使用電阻、電容和恒壓源等電路元件組成電路網(wǎng)絡(luò)來模擬電池的動(dòng)態(tài)特性，便于仿真分析和應(yīng)用，在電動(dòng)汽車仿真中應(yīng)用最為廣泛[5]。

典型的等效電路模型有Rint模型、RC模型、Thevenin模型和PNGV模型。由于本文中從電池系統(tǒng)分布形態(tài)的角度分析研究?jī)?nèi)阻損耗，所以選擇Rint模型為單體電池等效電路模型進(jìn)行分析。

Rint模型將電池等效為理想電壓源E與電阻R的串聯(lián)[6]，其表達(dá)式為

(1)

式中：U為電池端電壓；I為電池電流；開路電壓和內(nèi)阻與SOC和溫度T相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)選用的對(duì)象為磷酸鐵鋰單體電池，額定容量為20A·h，電壓工作范圍為2.5～3.7V。在MACCOR-4300(USA)電池測(cè)試系統(tǒng)上對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程如下：

(1) 將電池以恒流恒壓充滿電；

(2) 靜置1h，測(cè)量開路電壓；

(3) 以2.3C放電電流進(jìn)行脈沖放電，持續(xù)18s，記錄18s中電壓的變化，通過電壓變化值和放電電流計(jì)算電池在該SOC值下的內(nèi)阻值；

(4) 靜置1h，以0.5C放電電流進(jìn)行放電，將SOC調(diào)整至下一個(gè)測(cè)試點(diǎn)；

(5) 重復(fù)步驟(2)～步驟(4)，分別調(diào)整電池的SOC至1，0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2，0.1。

實(shí)驗(yàn)可得開路電壓E和內(nèi)阻隨SOC變化的數(shù)據(jù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在20℃條件下進(jìn)行，溫度由PARTNER恒溫箱控制。圖2為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)所得電池內(nèi)阻和開路電壓隨SOC的變化關(guān)系。

在上述的3個(gè)電池系統(tǒng)方案中，由于電池系統(tǒng)的容量配置完全與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率成比例，因此若按驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率的比例分配前后軸電機(jī)的驅(qū)/制動(dòng)功率，且各個(gè)電池系統(tǒng)初始SOC都相同，則在電動(dòng)車運(yùn)行過程中，無論是集中式電池系統(tǒng)，還是分布式電池系統(tǒng)，可保持其SOC基本一致。據(jù)此，根據(jù)各電池包電池組電路并聯(lián)關(guān)系，不難看出各電池包內(nèi)阻R和開路電壓E具有如下關(guān)系：

(2)

1.3 電池系統(tǒng)損耗模型

電動(dòng)汽車中電池系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。圖中Pe為電機(jī)及其逆變器消耗(電動(dòng)狀態(tài))或回饋(再生制動(dòng))的瞬時(shí)電功率(以下統(tǒng)稱為瞬時(shí)電機(jī)功率)。電池系統(tǒng)回路電流[7]為

(3)

電池內(nèi)阻損耗功率P可由電流的平方與內(nèi)阻之積表示：

(4)

分布式電池系統(tǒng)A內(nèi)阻損耗功率為

(5)

分布式電池系統(tǒng)B內(nèi)阻損耗功率為

(6)

集中式電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗功率為

(7)

式中：Pef和Per分別為前后軸單個(gè)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的瞬時(shí)電功率。

可見，電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗與電池的內(nèi)阻、開路電壓和電機(jī)瞬時(shí)功率分配有關(guān)。電池內(nèi)阻與開路電壓為SOC的函數(shù)，而電機(jī)瞬時(shí)功率分配影響著SOC的變化。由此可知，電機(jī)瞬時(shí)功率分配是影響電池內(nèi)阻損耗的關(guān)鍵因素。

2 理論對(duì)比分析

設(shè)定不同分布形態(tài)的電池系統(tǒng)初始SOC一致，并令：

式中：C1和C2分別為分布式電池系統(tǒng)A和B的內(nèi)阻損耗功率與集中式電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗功率之差。由式(5)～式(7)，并結(jié)合式(2)，可得

(8)

可見分布式電池系統(tǒng)A與系統(tǒng)B的內(nèi)阻損耗功率相等。

若令C1=0，可得Pef=2Per。這表明當(dāng)前后軸電機(jī)功率分配(m=Pef/(Pef+Per))為2∶1時(shí)，分布式電池系統(tǒng)A與集中式電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗功率相等。

令C1分別對(duì)Pef和Per求偏微分得

由此可知，在Pef=2Per處，C1取得最小值0，當(dāng)Pef≠2Per，C1>0，因此C1≥0。

由于C1=C2，所以C2≥0同時(shí)成立。

由以上可知，當(dāng)不同分布形態(tài)的電池系統(tǒng)SOC變化一致時(shí)，集中式電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗不大于分布式。

3 工況仿真分析

對(duì)于分布式電動(dòng)汽車，當(dāng)車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為了提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率，通常前后軸電機(jī)瞬時(shí)功率分配比是不固定的，而是以能量效率最優(yōu)(能耗最優(yōu))為目標(biāo)，在不同的驅(qū)動(dòng)功率需求下，采取不同的前后軸電機(jī)瞬時(shí)功率分配。這也意味著分布式電池系統(tǒng)各電池包之間，及其與集中式電池系統(tǒng)電池包的SOC變化必然不一致。因此，在這種情況下，由式(2)所確定的各種電池包內(nèi)阻的固定比例關(guān)系便不再成立，而是隨各電池包的SOC狀態(tài)改變。此時(shí)，采用理論方法分析得出的結(jié)論也不再成立。為此，本文中針對(duì)這種情況采用工況仿真的方法對(duì)分布式電池系統(tǒng)與集中式電池系統(tǒng)在實(shí)際工況運(yùn)行時(shí)的能耗特性進(jìn)行分析與對(duì)比。

對(duì)于分布式電動(dòng)汽車，前后軸輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)控制策略對(duì)整車能耗有重大影響。本文中將在分布式驅(qū)動(dòng)采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量效率最優(yōu)的前后軸輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬時(shí)電功率分配控制策略條件下，仿真計(jì)算并對(duì)比分析兩種分布式電池系統(tǒng)A，B與集中式電池系統(tǒng)內(nèi)阻上的電能損耗特性。同時(shí)，也對(duì)采用固定的前后軸電機(jī)瞬時(shí)功率分配策略下的上述3種電池系統(tǒng)的內(nèi)阻電能損耗特性進(jìn)行仿真，以便對(duì)比。

3.1 仿真參數(shù)

仿真對(duì)象為某A0級(jí)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，車輛參數(shù)如表3所示。

表3 車輛參數(shù)

前后軸輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率配置如表1所示，前后軸電機(jī)及其逆變器效率為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，如圖4所示。

3.2 分布式驅(qū)/制動(dòng)控制策略

如上所述，分布式驅(qū)動(dòng)采用以整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量效率最優(yōu)為目標(biāo)的前后軸瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配控制策略。

定義電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其電功率Pe為正，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其電機(jī)電功率Pe為負(fù)。采用整個(gè)工況下電機(jī)總驅(qū)動(dòng)功率之和最小為目標(biāo)函數(shù)，即

(9)

式中i為輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)序號(hào)。

驅(qū)動(dòng)工況下，以Pe為優(yōu)化目標(biāo)，前后軸電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tfe和Tre為優(yōu)化變量，前后軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之和為整車需求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm，輸出電流I不大于電池的最大輸出電流和滿足前后軸電機(jī)外特性等為約束條件，則驅(qū)動(dòng)工況的優(yōu)化模型為

(10)

式中：Tfmax和Trmax分別為前后軸電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Idiscmax為電池最大輸出電流；ηmf和ηmr分別為前后軸電機(jī)瞬時(shí)效率；nf和nr分別為前后軸電機(jī)轉(zhuǎn)速；if和ir為前后軸減速器速比。

制動(dòng)工況下，以Pe為優(yōu)化目標(biāo)，前后軸電機(jī)的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tfe和Tre及各輪液壓制動(dòng)力Tfm和Trm為優(yōu)化變量，電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之和為整車需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm，以及滿足前后軸電機(jī)外特性和ECE法規(guī)等約束條件，則制動(dòng)工況的優(yōu)化模型為

(11)

式中：Tfm和Trm為前后輪液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Wf為前軸載荷；q為制動(dòng)強(qiáng)度；Ichmax為電池最大充電電流。

令k為前后軸電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，即

(12)

通過離線的優(yōu)化方法計(jì)算確定前后軸電機(jī)在驅(qū)/制動(dòng)工況下最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)矩陣，見圖5。

同時(shí)，也對(duì)以前后軸電機(jī)功率固定分配比為2∶1作為對(duì)比的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩分配策略進(jìn)行了仿真分析。

3.3 仿真結(jié)果分析

基于AMESim和Simulink建立仿真平臺(tái)，其中，整車模型中用到AMESim集成的模塊主要有駕駛員、整車、電池、逆變器、電機(jī)、減速器和制動(dòng)系統(tǒng)等，驅(qū)/制動(dòng)控制算法則在Simulink中建立。

選擇新歐洲循環(huán)駕駛工況(NEDC)進(jìn)行仿真測(cè)試，為了方便觀測(cè)電池系統(tǒng)SOC的變化，選擇10個(gè)測(cè)試循環(huán)。圖6為兩種控制策略下在單個(gè)測(cè)試循環(huán)下的車速，可以看出，兩種控制策略均能使車輛滿足工況的速度和加速度要求，能夠使實(shí)際車速很好地跟隨目標(biāo)車速。

仿真結(jié)果如表4所示，可以看出：

(1) 在能量效率最優(yōu)控制策略下，分布式電池系統(tǒng)A與系統(tǒng)B內(nèi)阻損耗近似相等，對(duì)于驅(qū)動(dòng)工況，相比于集中式電池系統(tǒng)，分布式電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗增加56.87%，而在制動(dòng)工況中，內(nèi)阻損耗增加35.89%；

(2) 在2∶1的固定轉(zhuǎn)矩分配比控制策略下，集中式電池系統(tǒng)與分布式電池系統(tǒng)A，B內(nèi)阻損耗近似相等；

(3) 相比于能量效率最優(yōu)控制策略，采用2∶1的固定轉(zhuǎn)矩分配比控制策略，在驅(qū)動(dòng)工況下，電機(jī)能量消耗增加6.9%，在制動(dòng)工況下，電機(jī)回饋能量減少3.3%。

表4 仿真結(jié)果 kJ

由此可得到以下結(jié)論：在兩種轉(zhuǎn)矩分配控制策略下，集中式電池系統(tǒng)內(nèi)阻損耗均不大于分布式電池系統(tǒng)。

前后軸電機(jī)在單個(gè)循環(huán)工況下功率分配如圖7所示。

從圖中可以看出，在2∶1的固定轉(zhuǎn)矩分配比控制策略下，前后軸電機(jī)瞬時(shí)功率按照2∶1固定的比例分配，而在能量效率最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配控制策略下，前后瞬時(shí)功率分配根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整。

由此可知，分布式電池系統(tǒng)只有在前、后軸電池包容量配置比與前后軸輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率配置比一致時(shí)，且車輛運(yùn)行時(shí)前后軸電機(jī)瞬時(shí)功率按此配置比固定分配時(shí)才能實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻功率損耗特性最優(yōu)。然而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，按照固定值分配前后軸電機(jī)瞬時(shí)功率可能造成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗增加，導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能耗增加。相比于分布式電池系統(tǒng)，集中式電池系統(tǒng)無論在何種控制策略下均能保證內(nèi)阻損耗最小。

此外，各電池系統(tǒng)SOC變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，在2∶1的固定轉(zhuǎn)矩分配比控制策略下，集中式電池系統(tǒng)與分布式電池系統(tǒng)SOC變化一致，由初始值60%下降至29.54%。在能量效率最優(yōu)控制策略下，分布式電池系統(tǒng)A與系統(tǒng)B的SOC變化一致，但對(duì)每一種系統(tǒng)其前后軸電池包的SOC變化不一致。前軸電池包SOC下降至34.84%，后軸電池包下降至25.73%，集中式電池系統(tǒng)下降至31.97%?？梢?，分布式電池系統(tǒng)各電池包會(huì)由于其充/放電功率不一致而引起SOC變化不均衡。對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)若采用分布式電池系統(tǒng)，這一特點(diǎn)必然會(huì)導(dǎo)致增加整車電池充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

4 結(jié)論

(1) 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，采用集中式電池系統(tǒng)，其內(nèi)阻能耗特性要優(yōu)于分布式電池系統(tǒng)。

(2) 從降低整車電池車載充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度的角度，采用集中式電池系統(tǒng)也是合理的選擇。

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A Study on the Effects of Distribution Pattern of Battery System on theEnergy Consumption Characteristics of Distributed Drive EV

Sun Zechang1,2, Zeng Yingjie1,2& Dai Haifeng1,2

1.ShoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804；2.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804

The energy consumption characteristics of battery system with different distribution patterns are analyzed for four-wheel distributed drive electric vehicles, a model for the energy consumption on the internal resistance of battery system is built based on Rint equivalent circuit model, and the energy consumption characteristics of both distributed and centralized battery systems are analyzed by theoretical calculation. Then a simulation platform for the energy consumption characteristics of electric vehicle is set up with AMESim/Simulink software, and aiming at the optimal torque distribution of driving motors in both front and rear axles with minimizing driving energy consumption as objective, a simulation on the energy consumption on the internal resistance of battery system is conducted with NEDC driving cycle. The results of both theoretical analysis and simulation indicate that the energy consumption characteristics with centralized battery system is superior to that with distributed system, which also has a problem of inconsistent SOC, leading to the complexity of on-board charging system design.

EVs; distributed battery system; centralized battery system; energy consumption characteristics

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB711202)資助。

原稿收到日期為2014年3月27日，修改稿收到日期為2014年6月28日。