基于ADVISOR的純電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)的仿真研究

馬春生，王 寬，紀(jì)清鑫

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著社會(huì)的發(fā)展、進(jìn)步，節(jié)能減排得到人們的重視，純電動(dòng)清掃車以其優(yōu)越的性能和零排放得到人們的認(rèn)可。這種全新的車型可一次完成地面清掃、馬路道牙邊清掃、馬路道牙清洗及清掃后對(duì)地面的灑水等工作，適用于各種氣候和不同干燥路面的清掃作業(yè)[1-2]。

相對(duì)于傳統(tǒng)清掃車，純電動(dòng)清掃車具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）排放零，污染小。純電動(dòng)清掃車一點(diǎn)力系統(tǒng)作為系統(tǒng)能量源，所以沒(méi)有排放，污染也僅僅只是電池廢棄后帶來(lái)的污染，純電動(dòng)清掃車自身污染很小。

（2）舒適性好，振動(dòng)小，噪聲低。電動(dòng)清掃車行使和作業(yè)都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)效率更高，能源利用率跟高，其產(chǎn)生的振動(dòng)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更小，同時(shí)純電動(dòng)產(chǎn)生的噪音更低，駕駛員更舒適。

本文通過(guò)以路面清掃車作為研究對(duì)象，基于ADVISOR軟件，建立純電動(dòng)清掃車的動(dòng)力系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)單一電源和復(fù)合電源控制策略的建立和對(duì)比，研究不同控制策略下對(duì)純電動(dòng)清掃車節(jié)能方面的影響，為純電動(dòng)清掃車后續(xù)的研究提供一定的借鑒。

1 清掃車工況分析

清掃車作為城市道路清掃機(jī)械，由于其特性，其運(yùn)行工況需要進(jìn)行劃分，包括作業(yè)工況和普通行駛工況。清掃車作業(yè)時(shí)為了更好地進(jìn)行路面清掃，進(jìn)而清掃車的行駛速度需要緩慢。

由于清掃車在作業(yè)工況時(shí)，其行駛速度雖然有一定的波動(dòng)，但總體上還是趨向一個(gè)平均車速。結(jié)合實(shí)文獻(xiàn)資料，本文對(duì)純電動(dòng)清掃車工作工況進(jìn)行制定，如圖1所示。作業(yè)工況包的最高速度為25 km/h，時(shí)長(zhǎng)為6 200 s.

圖1 純電動(dòng)清掃車作業(yè)工況

2 純電動(dòng)清掃車建模

本文基于的模型建立ADVISOR軟件進(jìn)行，選擇ADVISOR軟件中的EV模型為基礎(chǔ)模型[3]。

2.1 單一電源建模

單一電源的的建立參考EV模型，在EV模型的基礎(chǔ)上添加工作裝置部分。

2.2 復(fù)合電源建模

（1）基礎(chǔ)模型建立。復(fù)合電源的建模重點(diǎn)在于復(fù)合電源部分，包括超級(jí)電容、蓄電池和DC/DC的連接，其中最重要的部分是復(fù)合電源控制策略的定制[4]。復(fù)合電源模型如圖2所示。率Pav-時(shí)，此時(shí)純電動(dòng)清掃車制動(dòng)回收產(chǎn)生的能量由蓄電池單獨(dú)回收。即：若Preq＜0，Preq＞Pav-，則

圖2 復(fù)合電源模型

（2）復(fù)合電源控制策略的定制。本文設(shè)定純電動(dòng)清掃車在正常工作和制動(dòng)時(shí)電機(jī)的需求功率存在正負(fù)值，功率需求值為Preq.當(dāng)純電動(dòng)清掃車處于工作模式時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)向電機(jī)供電，此時(shí)Preq符號(hào)為“+”時(shí)；當(dāng)純電動(dòng)清掃車處于制動(dòng)回收時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)對(duì)能量進(jìn)行回收，此時(shí)Preq符號(hào)為“-”。其中Pav+/Pav-是輸出/回收平均功率（Pav+值為正，Pav-值為負(fù)），Pc/Pb是超級(jí)電容/蓄電池提供的功率，SOCc/SOCc min/SOCc max是超級(jí)電容荷電狀態(tài)與最大/小值[5]。

純電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)為電機(jī)供電時(shí)的控制策略：

當(dāng)電機(jī)的功率需求Preq為正且小于輸出平均功率Pav+時(shí)，此時(shí)蓄電池單獨(dú)供電。即：若Preq＞0，Preq ＜ Pav+，則 Pb=Preq，Pc=0；

當(dāng)電機(jī)的需求功率Preq為正且大于輸出平均功率Pav+時(shí)，要根據(jù)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc的狀態(tài)進(jìn)行分析，假如超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc大于其最小值SOCc min時(shí)，此蓄電池和超級(jí)電容配合放電為電機(jī)供電。即：若 Preq ＞0，Preq ＞ Pav+，SOCc＞SOCc min，則 Pb=Pav+，Pc=Preq-Pb；

當(dāng)電機(jī)的需求功率Preq為正且大于輸出平均功率Pav+時(shí)，要根據(jù)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc的狀態(tài)進(jìn)行分析，假如超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc小于其最小值SOCc min時(shí)。即：若Preq＞0，Preq＞Pav+，SOCc＜SOCc min，則 Pb=Preq，Pc=0.

(1）純電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)從電機(jī)回收電能時(shí)的控制策略：

當(dāng)電機(jī)的功率需求Preq為負(fù)且大于回收平均功Pb=Preq，Pc=0；

當(dāng)電機(jī)的需求功率Preq為負(fù)且其小于回收平均功率Pav-時(shí)，要根據(jù)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc的狀態(tài)進(jìn)行分析，假如超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc小于其最大值SOCc max時(shí)，此蓄電池和超級(jí)電容配合回收電機(jī)產(chǎn)生的能量。即：若Preq＜0，Preq＜Pav-，SOCc＜SOCc max，則 Pb=Pav-，Pc=Preq-Pb；

當(dāng)電機(jī)的需求功率Preq為負(fù)且其小于回收平均功率Pav-時(shí)，要根據(jù)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc的狀態(tài)進(jìn)行分析，假如超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCc大于其最大值SOCc max時(shí)，此蓄電池和超級(jí)電容配合回收電機(jī)產(chǎn)生的電能，此時(shí)蓄電池單獨(dú)吸收制動(dòng)回收產(chǎn)生的能量。即：若 Preq ＜0，Preq ＜ Pav-，SOCc＞SOCc max，則 Pb=Preq，Pc=0.

3 純電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

本文的仿真是基于ADVISOR軟件進(jìn)行的，對(duì)ADVISOR軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，仿真模型參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)表

3.2 仿真結(jié)果

（1）單一電源

單一電源能源功率需求仿真結(jié)果：若純電動(dòng)清掃車的動(dòng)力系統(tǒng)只是單一的蓄電池，那么電機(jī)所需的功率都將由電池來(lái)提供，如圖3可知，其存在很多的峰值功率，對(duì)蓄電池是一種傷害，會(huì)造成蓄電池壽命降低。

圖3 單一電源功率需求

（2）復(fù)合電源

復(fù)合電源功率需求仿真結(jié)果：若純電動(dòng)清掃車的動(dòng)力系統(tǒng)采用復(fù)合電源，在電機(jī)需求功率是，超級(jí)電容和蓄電池通過(guò)上文中制定的控制策略進(jìn)行相應(yīng)的能量分配，如圖4所示。圖5為電機(jī)需求的功率通過(guò)控制策略分配后，需要復(fù)合電源各部分輸出的功率，由于本文設(shè)定的功率閥值為15 kW，所以電池的功率輸出均在15 kW，不高于15 kW的功率都由蓄電池來(lái)提供；需要超級(jí)電容輸出的功率，在功率需求超過(guò)15 kW時(shí)，超級(jí)電容提供超出15 kW的功率。

圖4 復(fù)合電源功率需求

3.3 對(duì)比分析

復(fù)合電源相對(duì)于單一電源，能很好地保護(hù)動(dòng)力系統(tǒng)，由于在實(shí)際工作中，電機(jī)需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)輸出高峰值當(dāng)功率，若此時(shí)采用單一的蓄電池，會(huì)造成電流過(guò)大，對(duì)蓄電池造成損傷，減少蓄電池的使用壽命；而復(fù)合電源恰好對(duì)電機(jī)的需求功率削峰填谷，這樣使得復(fù)合電源中的超級(jí)電容短時(shí)間內(nèi)提供峰值功率，將蓄電池需要提供的功率削到設(shè)定閥值一下，此時(shí)蓄電池的峰值電流會(huì)在一定的閥值以下，這樣既使得電池的輸出電流平均，進(jìn)而保護(hù)電池的壽命，又很好地發(fā)揮了超級(jí)電池高比能量的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文過(guò)對(duì)純電動(dòng)清掃車的行駛性能進(jìn)行分析，其中包括對(duì)現(xiàn)在的純電動(dòng)清掃車的發(fā)展及與傳統(tǒng)清掃車相比的優(yōu)點(diǎn)；結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)純電動(dòng)的清掃車的作業(yè)工況進(jìn)行分析，然后在ADVISOR軟件中制定一整個(gè)循環(huán)工況。之后對(duì)單一動(dòng)力源和復(fù)合動(dòng)力源進(jìn)行建模，通過(guò)對(duì)兩種模型的仿真分析，得出對(duì)于純動(dòng)力清掃車來(lái)說(shuō)，復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)于單一蓄電池具有很多的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)很好的發(fā)展趨勢(shì)。