汽车能量管理策略

汽车的能量管理

对于能量管理策略问题很多传统的解决方案是基于规则的。文献提出的并联电机辅助控制策略，是基于发动机最优工作曲线得到的，而没有考虑电机的工作区间问题，使得总体控制效率偏低。文献提出的逻辑门限控制策略，它是根据发动机和电机工作的高效区对两动力源进行优化分配，但其规则固定，优化效率不高，从而并没有实现能量消耗最小。文献研究了模糊控制，控制规律是由设计者凭借经验或通过反复试验得到的，使其对工况及参数漂移的适应能力较差。总之，基于规则的能量管理策略虽然算法简单，但是它不依赖数学模型，并且其规则或控制规律固定，从而使得系统的动态性能和控制效率较低。文献提出的基于模型的动态优化算法，系统动态性能得到了一定的改进，但没有考虑发动机频繁启停和变速器换挡等驾驶性能对油耗和驾驶效果的影响，使其缺乏实用性。

结合动态规则和驾驶性能，提出一种多步实施的能量管理策略，用严谨的数学模型和直观效率因子来权衡燃油经济性和驾驶性能之间的重要性。

能量管理策略主要包扩

关闭供电总线端

关闭用电器

调节电器辅助加热器的功率大小

蓄电池充电电压规定值

授权蓄电池放电

提高怠速转速

识别蓄电池状态

车辆编程

工具ADVISOR

ADVISOR(Advanced VehIcle SimulatOR,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室NREL(National RenewableEnergy Laboratory)在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。

该软件从1994年11月份开始开发和使用,最初是用来帮助美国能源部

DOE(DepartmentofEnergy)开发某混合动力汽车的动力系统,随后功能逐渐扩展,可以对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析,是世界上能在网站上免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。目前最新的免费版本是ADVISOR2002，付费版本为ADVISOR2004，由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性,现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。

2003年被其竞争对手年奥地利国李斯特内燃机及测试设备公司AVL 收购了版权，自此，AVL公司停止了对Advisor的研发更新，全心研发和销售其Cruise软件。

ADVISOR是MATLAB和SIMULINK软件环境下的一系列模型、数据和脚本文件,它在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数,能快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能。此外,该软件的开放性也允许对用户自定义的汽车模型和仿真策略做仿真分析。它主要有以下特点:

(1)仿真模型采用模块化的思想设计。ADVISOR软件分模块建立了发动机、离合器、变速器、主减速器、车轮和车轴等部件的仿真模型,各个模块都有标准的数据输入/输出端口,便于模块间进行数据传递,而且各总成模块都很容易扩充和修改,各模块也可以随意地组合使用,用户可以在现有模型的基础上根据需要对一些模块进行修改,然后重新组装需要的汽车模型,这样会大大节省建模时间,提高建模效率。

(2)仿真模型和源代码全部开放。ADVISOR2002的仿真模型和源代码在全球范围内完全公开,可以在网站上免费下载。用户可以方便地研究ADVISOR的仿真模型及其工作原理,在此基础上根据需要修改或重建部分仿真模型、调整或重新设计控制策略,使之更接近于实际情形,得出的仿真结果也会更合理。

(3)采用了独特的混合仿真方法。现在的汽车仿真方法主要有前向仿真和后向仿真两种,仿真软件也多采用其中的一种方法,使两种方法优劣不能互补,而ADVISOR采用了以后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法,这样便较好地集成了两种方法的优点,即使仿真计算量较小,运算速度较快,同时又保证了仿真结果的精度。

(4)在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发研制。MATLAB是世界上顶尖的可视化科学计算与数学应用软件,其语法结构简单、数值计算高效、图形功能完备,集成了诸多专业

仿真工具包,而且它还提供了方便的应用程序接口(API),用户可以在MATLAB环境下直接调

用C、Fortran等语言编写的程序。MATLAB内置的计算程序、专业的仿真工具以及与其他应用程序的接口,会减少汽车模型的搭建和仿真计算过程中工作量,同时也方便了熟悉不同

编程语言的用户之间的合作。

(5)能与其他多种软件进行联合仿真(Co-simulation)。汽车是一个复杂的系统,其仿真更是涉及机械、电子、控制等多个领域,工作量很大,ADVISOR软件开发过程中也难以涉及所

有领域,这样就限制了它一些功能的实现。但是ADVISOR设计了开放的软件接口,能与Saber、Simplorer、VisuaDOC、Sinda/Fluint等软件进行联合仿真,为用户改进和拓展其功能提供了方便。

虽然ADVISOR软件也有一些缺陷,例如,它的部件模型都是准静态的(quasi-static),不

能预测小于十分之一秒左右时间范围内的一些现象;机械振动、电磁振荡等许多动态特性也

不能通过ADVISOR软件进行仿真,但它的优越性仍然吸引了国内外的众多用户。

要正确使用ADVISOR软件,就必须深入了解它的仿真策略和掌握它的操作方法,下面

将从这两点着重介绍。

ADVISOR采用了独特的将后向仿真和前向仿真相结合的混合仿真方法,以后向仿真为主,前向仿真为辅。它首先进行后向仿真,沿着与实际功率流相反的方向,根据道路循环的要求,向整车模块发出速度和转矩请求,整车模块再向车轮和车轴模块、主减速器模块、变速器模

块等逐级发出请求,直到动力源模块(发动机和蓄电池等),计算出动力源所能提供的功率。然

后进行前向仿真,沿着实际功率流的方向,从动力源模块出发直至车轮与车轴模块,逐级传递

当前部件能提供给下一级部件的速度值和扭矩值,最后计算出汽车的实际速度。

下面以传统汽车模型为例来说明它的整个仿真过程,图1为SIMULINK环境下某传统汽车的仿真模型。该模型中箭头方向代表仿真数据传递方向,数据自左向右传递代表后向仿真

路径,数据自右向左传递代表前向仿真路径。

ADVISOR首先进行后向仿真。由道路循环模块(drive cycle)提供给汽车所应该满足的

行驶轨迹,向整车模块(vehicle)请求所需的速度,整车模块利用汽车行驶方程式计算出满足这

一速度请求所需的车轮转速和力,再向车轮和车轴模块(wheel and axle)发出请求,请求沿后

向路径逐级向上级模块主减速器模块(final drive)、变速器模块(gearbox)、离合器模块(clutch)、机械负载模块(Mechanical AccessoryLoads)等传递,直到发动机模块(fuelconverter,燃料转

换器),计算出需要发动机提供的实际功率,由此完成了后向仿真过程。后向仿真不需要驾驶员模型,计算速度也很快,但是由于仿真过程中所使用的各种特性参数都是在稳态时测定的,该

方法并不能用于实际行驶状态下汽车的动态仿真。

在完成后向仿真后,ADVISOR便进行前向仿真。它首先从发动机模块开始,将后向仿真计算出的发动机功率沿前向路径传递给机械负载模块,所获得的扭矩和转速传递给下一级模块,所得仿真数再逐级向下传递直到车轮和车轴模块,从而计算出汽车的实际速度。前向仿真包括驾驶员模型,考虑了请求速度和当前速度,更接近于汽车的实际状况,计算结果较后向仿

真更为准确,但这种仿真方法会增加计算量,使运行速度减慢,而且传动系统的功率计算还要

依赖与汽车的实际状态。