電傳動裝甲車輛多動力源參數(shù)匹配與優(yōu)化

陳路明， 廖自力， 劉春光， 許增斌

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 68207部隊(duì)， 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

電傳動裝甲車輛多動力源參數(shù)匹配與優(yōu)化

陳路明1， 廖自力1， 劉春光1， 許增斌2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072； 2. 68207部隊(duì)， 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

為提高電傳動裝甲車輛的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)極限行駛工況確定了各動力源參數(shù)可行域。依據(jù)某重型車輛循環(huán)行駛工況，選取5組不同混合度的參數(shù)匹配方案，分別在Cruise整車模型上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定了等效燃油消耗量。結(jié)果表明：匹配與優(yōu)化后的多動力源參數(shù)匹配方案能夠滿足車輛動力性要求，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

電傳動裝甲車輛; 動力性; 燃油經(jīng)濟(jì)性; 小波變換; 混合度

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電傳動裝甲車輛已成為未來裝甲車輛的發(fā)展方向[1]。電傳動裝甲車輛靜音行駛等性能的發(fā)揮需要充足的電力供應(yīng)，而傳統(tǒng)車輛的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動力單一，往往難以滿足能量和功率需求，因此研發(fā)包含多個(gè)動力源的電傳動裝甲車輛非常關(guān)鍵[2]。在電傳動裝甲車輛設(shè)計(jì)初期，合理匹配與優(yōu)化各動力源參數(shù)對提高其動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要[3]。

現(xiàn)階段大多采用基于整車性能指標(biāo)和循環(huán)行駛工況的方法匹配各動力源參數(shù)，其中：于遠(yuǎn)彬等[4]在整車設(shè)計(jì)性能約束下，依據(jù)中國典型城市公交循環(huán)工況，完成了單軸并聯(lián)混合動力汽車中發(fā)動機(jī)、電機(jī)和電池、電容的參數(shù)匹配與仿真驗(yàn)證；鄒淵等[5]在最大動力因數(shù)和最高車速性能約束下，依據(jù)推土機(jī)典型和極限工況，完成了串聯(lián)式混合動力推土機(jī)中超級電容與發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組的參數(shù)匹配與驗(yàn)證。但由于缺乏公認(rèn)的裝甲車輛循環(huán)行駛工況，依據(jù)上述輕型車輛典型循環(huán)行駛工況，匹配與優(yōu)化得到的多動力源參數(shù)對整車性能的提升往往不夠理想。筆者針對此問題，選取某重型車輛循環(huán)行駛工況，重點(diǎn)研究了多動力源參數(shù)匹配與優(yōu)化的方法。

1 電傳動裝甲車輛設(shè)計(jì)要求

1.1 基本參數(shù)和性能指標(biāo)

某型電傳動裝甲車輛的基本參數(shù)和性能指標(biāo)分別如表1、2所示。

表1 電傳動裝甲車輛基本參數(shù)

表2 電傳動裝甲車輛性能指標(biāo)

1.2 多動力源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電傳動裝甲車輛采用的多動力源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]如圖1所示。

圖1 多動力源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中：發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為主動力源，采用單向功率傳遞方式，為直流母線提供電能；動力電池和超級電容作為輔助動力源，采用雙向功率傳遞方式，為直流母線提供電能或吸收來自驅(qū)動電機(jī)的回饋電能。

2 多動力源參數(shù)可行域確定

2.1 整車需求功率計(jì)算

根據(jù)車輛動力學(xué)理論，可知整車需求功率P的計(jì)算公式[7]為

(1)

式中：m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；α為坡度角；f為滾動摩擦因數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為車體正面迎風(fēng)面積；v為車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；t為行駛時(shí)間。

考慮能量傳遞效率，當(dāng)車輛以最大車速Vmax、最大越野速度Vyue、最大爬坡速度Vgra和最大加速度amax等極限工況行駛時(shí)，直流母線需要提供的功率分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:ηx、ηn、ηm、ηp分別為行駛裝置、雙向DC/AC變換器、輪轂電機(jī)和行星減速器的工作效率；f1、f2、f3、f4分別為公路、砂石路、混凝土路和泥土路滾動摩擦因數(shù)；Vs為車輛加速過程中瞬時(shí)速度；T為加速時(shí)間；x為曲線擬合系數(shù)。

綜上可知：提供給直流母線的系統(tǒng)總功率PDC必須滿足

PDC≥max(PDC1,PDC2,PDC3,PDC4)=325(kW)。

(6)

2.2 動力電池參數(shù)可行域

動力電池單獨(dú)供電時(shí)，需要驅(qū)動車輛行駛10 km，假設(shè)車輛以平均速度Vbatt=20 km/h在水平公路上行駛，時(shí)間t=30 min，則動力電池提供的平均功率Pbatt為

(7)

考慮到輔助電氣的設(shè)備需求功率，取實(shí)際功率換算系數(shù)μ=1.2，放電窗口Δ=50%，則動力電池儲備能量Ebatt需達(dá)到

(8)

母線電壓U=750 V，則動力電池容量Q滿足

(9)

2.3 發(fā)動機(jī)參數(shù)可行域

根據(jù)性能指標(biāo)要求，發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電時(shí)應(yīng)能滿足最高車速70%的穩(wěn)定行駛要求?？紤]發(fā)電機(jī)效率為ηg,則發(fā)動機(jī)輸出功率Peg應(yīng)滿足

197(kW)。

(10)

2.4 超級電容參數(shù)可行域

超級電容直接并聯(lián)到直流母線上，提供最直接的負(fù)載功率補(bǔ)償。當(dāng)負(fù)載劇烈變化時(shí)，假設(shè)發(fā)動機(jī)調(diào)整時(shí)間Δt=3 s，母線電壓最大波動Δu=100 V，母線限制電流i=500 A，代入公式

(11)

可知：超級電容C≥15 F，耐壓等級為850 V。

3 多動力源參數(shù)優(yōu)化

在一般行駛條件下，車輛很少處于極限工況，因此在滿足動力性指標(biāo)后，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)匹配，還應(yīng)考慮實(shí)際道路行駛工況。

3.1 循環(huán)行駛工況分析

循環(huán)行駛工況是進(jìn)行車輛仿真的重要前提，能為確定車輛燃油消耗量等指標(biāo)提供測試環(huán)境和評判標(biāo)準(zhǔn)。車輛結(jié)構(gòu)、類型和用途等因素的差異，決定了其循環(huán)行駛工況也不盡相同。由于目前針對重型車輛尤其是裝甲車輛沒有公認(rèn)的循環(huán)行駛工況，因此筆者采用文獻(xiàn)[8]得到的循環(huán)行駛工況作為參考。圖2為該重型車輛循環(huán)行駛工況,其主要特征參數(shù)如表3所示。

圖2 重型車輛循環(huán)行駛工況

3.2 控制策略分析

電傳動裝甲車輛性能的發(fā)揮，不僅取決于整車結(jié)構(gòu)和循環(huán)行駛工況，還與控制策略有密切關(guān)系。在一定的控制策略條件下，開展參數(shù)匹配與優(yōu)化研究才具有參考價(jià)值。因此需要先依據(jù)各動力源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性，確定合適的控制策略。

表3 重型車輛循環(huán)行駛工況主要特征參數(shù)

電傳動裝甲車輛質(zhì)量通常較大，在啟動、加速和制動等條件下需求功率變化頻繁，存在較多高頻分量，對電力系統(tǒng)供電品質(zhì)和安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為提升電力系統(tǒng)對負(fù)載的跟隨能力，并發(fā)揮多動力源的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢[9-10]，選擇基于小波變換的控制策略作為最終方案。根據(jù)小波變換思想，對需求功率進(jìn)行時(shí)域-頻域變換，分解得到低頻分量和高頻分量，分別作為穩(wěn)態(tài)需求功率和瞬態(tài)需求功率，分流到各動力源。

采用基于小波變換的控制策略進(jìn)行功率分流，得到的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)需求功率過程如圖3所示。

3.3 動力源混合度

為方便表示發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組和動力電池對穩(wěn)態(tài)需求功率的貢獻(xiàn)程度，選取K表示混合度，其表達(dá)式為

(12)

當(dāng)發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組和動力電池聯(lián)合供電時(shí)，發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出功率最大;當(dāng)動力電池功率取最低值41 kW(滿足靜音行駛需求)，并且以最低速率1 C放電時(shí)，發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)功率可取最高值284 kW，此時(shí)混合度最小值Kmin=0.13；若整車能量完全由發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供，應(yīng)滿足車輛按最高車速70%的持續(xù)行駛要求，發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組最小平均功率應(yīng)不小于205 kW，此時(shí)動力電池功率為120 kW，混合度最大值Kmax=0.37。

3.4 系統(tǒng)等效燃油消耗量

由能量守恒定律可知：不同形式的能量可以等效轉(zhuǎn)化。為方便對不同參數(shù)匹配方案進(jìn)行評判，將燃油消耗作為最終的優(yōu)化目標(biāo)，并將發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)

圖3 功率分流示意圖

組和動力電池提供的能量等效表示為燃油消耗量[11-12]。

發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組等效燃油消耗量Jeg為

(13)

式中：Peg(t)為發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)輸出功率；be(t)為發(fā)動機(jī)的比油耗；ηe、ηg、ηq分別為發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和整流器效率；D為柴油的密度；tk(k=0,1,2,…)為第k個(gè)積分時(shí)間插值。

動力電池等效燃油消耗函數(shù)為

(14)

式中：ED為柴油的能量密度；ηf、ηc、ηs分別為動力電池放電效率、充電效率和雙向DC/DC變換器效率。則整車等效燃油消耗函數(shù)為

J=

(15)

4 仿真驗(yàn)證

根據(jù)綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Cruise中搭建整車模型，依據(jù)上述循環(huán)行駛工況和功率分流策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)[13]。在[0.13,0.37]的限制范圍內(nèi)，混合度K分別選取0.15、0.20、0.25、0.30、0.35，形成5套多動力源參數(shù)匹配方案，如表4所示，并分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

表4 不同混合度動力源匹配方案

根據(jù)各動力源穩(wěn)態(tài)需求功率的分配情況，可得到不同方案的動力電池和發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組電流變化曲線，如圖4-8所示。

由圖4-8可知：1)隨著混合度的提高，動力電池在動力源中所占比重增大，充放電頻率和電流強(qiáng)度顯著提高；2)發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出電流波動頻率和強(qiáng)度降低，在動力源中所占比重減小，容易達(dá)到發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率。不同混合度的燃油消耗情況如表5所示。

由表5可知：隨著混合度的增大，功率鏈前向傳遞(放電)效率逐步減小，而反向傳遞(充電)效率則逐步增大，總的燃油消耗呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

圖4 K=0.15時(shí),動力電池與發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組電流變化曲線

圖5 K=0.20時(shí),動力電池與發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組電流變化曲線

圖6 K=0.25時(shí)，動力電池與發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組電流變化曲線

圖7 K=0.30時(shí),動力電池與發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組電流變化曲線

圖8 K=0.35時(shí)，動力電池與發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組電流變化曲線

表5 不同混合度的燃油消耗情況

方案序號混合度K等效燃油消耗量/(L·(100km)-1)功率鏈前向傳遞效率/%功率鏈反向傳遞效率/%10.15108.887.7518.8620.20105.482.9323.4330.25103.679.6429.7440.30104.973.9735.1550.35106.770.1040.99

這種變化符合實(shí)際情況，因?yàn)楫?dāng)動力電池比例較小時(shí)，制動或減速過程中回收的能量偏小，主要依靠發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組對系統(tǒng)進(jìn)行供電，所以燃油經(jīng)濟(jì)性不高；當(dāng)動力電池比例較大時(shí)，雖然可以回收大部分的制動能量，但為維持電池SOC的相對穩(wěn)定，動力電池頻繁吸收和釋放來自發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組的能量，在能量轉(zhuǎn)換過程中存在較大損耗，燃油經(jīng)濟(jì)性也不高。因此，混合度的選取需要兼顧制動能量回收能力和電池充放效率2種因素。

5 結(jié)論

依據(jù)某型電傳動裝甲車輛設(shè)計(jì)性能要求，從滿足動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性兩方面出發(fā)，提出一種多動力源參數(shù)匹配與優(yōu)化的方法，利用Cruise軟件搭建的整車模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的參數(shù)匹配與優(yōu)化方法的有效性。選取的循環(huán)行駛工況雖然針對重型車輛，但并不能夠完全代表電傳動裝甲車輛實(shí)際行駛工況，下一步需針對該類特殊車輛，選取或建立與實(shí)際行駛情況更相符的裝甲車輛循環(huán)行駛工況，提升參數(shù)匹配與優(yōu)化效果。

[1] 廖自力,馬曉軍,臧克茂,等.全電戰(zhàn)斗車輛發(fā)展概況及關(guān)鍵技術(shù)[J].火力與指揮控制,2008,33(5):1-4.

[2] 肖磊.軍用混合動力技術(shù)發(fā)展與展望[C]∥第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇組織委員會.第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014:49-53.

[3] 毛明,韓政達(dá),劉翼.論全電車輛的能量管理和功率管理[C]∥第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇組織委員會.第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014: 162-168.

[4] 于遠(yuǎn)彬,王慶年.應(yīng)用復(fù)合電源的輕度混合動力汽車的參數(shù)匹配[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2009,39(2):281-285.

[5] 鄒淵,陳曉玲,李東閣,等.串聯(lián)式混合動力推土機(jī)驅(qū)動系參數(shù)匹配設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(1):70-75.

[6] Alparslan B. Topology Considerations in Hybrid Electric Vehicle Powertrain Architecture Design[D]. Michigan: The University of Michigan,2015.

[7] 孫逢春,張承寧.裝甲車輛混合動力電傳動技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:30-35.

[8] 辛乾,楊卓帆.重型半掛牽引車典型循環(huán)工況研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015(1):76-77,92.

[9] 張希,米春亭.車輛能量管理:建模、控制與優(yōu)化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:127-138.

[10] Nwobu C J, Zhang L. Lifting Wavelet Transform and Energy O-perator Synchronization for A Flying Capacitor Multi-level Inverter Based Active Power Filter[C]∥EPE Committe 15th European Conference on Power Electronics and Application.Piscataway,USA:IEEE,2013:103-102.

[11] 鄭維.混合動力汽車總成參數(shù)匹配方法與控制策略的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[12] 王喜明,郭志軍,李忠利,等.混合動力汽車動力電池組參數(shù)匹配[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,32(4):19-23.

[13] 韓立金,劉輝,王偉達(dá),等.功率分流混合動力汽車參數(shù)匹配與優(yōu)化研究[J].汽車工程,2014,36(8):904-910.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Parameters Matching and Optimization for Multiple Power Sources of Electric Drive Armored Vehicles

CHEN Lu-ming1, LIAO Zi-li1, LIU Chun-guang1, XU Zeng-bin2

(1. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China;2. Troop No.68207 of PLA, Jiayuguan 735100, China)

To improve the mobility and fuel economy of electric drive armored vehicles, the constraint range of multiple power sources is confirmed according to extreme drive conditions. Under the heavy vehicle driving cycle, 5 groups of parameters matching schemes are selected with different mixing ratios. The scheme with lowest fuel consumption is determined by simulation experiment based on Cruise vehicle model. The result of simulation demonstrates that the optimized parameters matching schemes of multiple power sources can meet the requirements of vehicles’ driving performance and improve the fuel economy.

electric drive armored vehicles; mobility; fuel economy;9o wavelet transform; mixing ratio

1672-1497(2015)06-0034-06

2015-09-02

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

陳路明(1991-)，男，碩士研究生。

TJ811; TK421.7

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.007