一種基于功能安全的新能源汽車能量管理方案*
*奇瑞全鋁車身A0級(jí)純電動(dòng)SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化(16030901035)資助
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202111/429829.htm作者簡(jiǎn)介:王春麗(1985—),通信作者,漢族,黑龍江人,2010年參加工作,碩士,中級(jí)工程師,負(fù)責(zé)新能源汽車整車控制策略開(kāi)發(fā)。E-mail:wangchunli@mychery.com。
0 引言
該能量管理方案主要考慮高壓動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量分配。電池的能量不能充分利用,影響整車的動(dòng)力性、高壓附件的舒適性能等,但電池能量的過(guò)度使用會(huì)導(dǎo)致電池衰減,對(duì)電池造成不可逆的傷害,所以對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō),動(dòng)力電池能量的有效分配和監(jiān)控十分必要。
純電動(dòng)汽車的能量來(lái)自動(dòng)力電池系統(tǒng)。動(dòng)電池的可用功率主要用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高壓負(fù)載,其中高壓負(fù)載包括空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱和DC ? DC轉(zhuǎn)換;電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池的單體參數(shù)估算電池的峰值功率以及持續(xù)放電功率,為保證整車動(dòng)力性,整車中央控制單元優(yōu)先使用峰值功率。當(dāng)峰值功率持續(xù)時(shí)間截止,切換使用電池的可持續(xù)放電功率,充分利用電池的可用功率。
在充分利用電池功率的同時(shí),要充分考慮系統(tǒng)效率,尤其在低電量時(shí),電池功率較低,動(dòng)力需求較大,在功率不足情況下易導(dǎo)致負(fù)載功率超出電池的范圍,影響電池壽命。
1 系統(tǒng)方案分析
該能量管理系統(tǒng)包括動(dòng)力電池模塊、電機(jī)減速器三合一模塊。壓縮機(jī)模塊。PTC 模塊和DC ? DC模塊(如圖1)。
動(dòng)力性與電池保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì):
1)動(dòng)力電池峰值功率保證各系統(tǒng)工作,同時(shí)提高系統(tǒng)動(dòng)力性能;
2)低電量時(shí),可實(shí)時(shí)平衡舒適性與動(dòng)力性,合理化系統(tǒng)需求扭矩,防止電池系統(tǒng)過(guò)放。
1.1 僅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作
電池系統(tǒng)的功率主要供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)及低壓供電DC ? DC
式中: Pbattery表示電池實(shí)際消耗功率; Pa _ mot表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際消耗功率, Pa _ dcdc表示DC ? DC實(shí)際消耗功率;
1.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率的計(jì)算
此處提出了電池峰值功率與持續(xù)放電功率的概念,電池峰值功率表示可持續(xù)10 s 中輸出的最大功率,可用于加速超車等動(dòng)力性需求工況;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率是整車中的最大功率需求,DC ? DC的需求按照選型最大2 kW 左右,整個(gè)控制過(guò)程中需要滿足以下控制需求:
式中: Pmax?batt 表示電池的峰值功率, Pmot 表示電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率, Pdcdc表示DC ? DC的需求功率;?mot表示電驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)效率,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型確定之后系統(tǒng)效率可以估算,但存在一定誤差,此處應(yīng)用為平均效率;?dcdc表示DC ? DC的系統(tǒng)效率。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率估算之后,整車中心控制單元需要實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)實(shí)際消耗的系統(tǒng)功率,避免出現(xiàn)過(guò)放的現(xiàn)象,我們采用功能安全的安全監(jiān)控措施- 扭矩監(jiān)控,實(shí)時(shí)反饋調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率。
1.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扭矩監(jiān)控
電池系統(tǒng)可用功率扣除DC ? DC的消耗功率即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用功率
我們將功率轉(zhuǎn)化為電機(jī)的扭矩,即電池系統(tǒng)允許可用功率轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用限制扭矩
式中,ω 表示驅(qū)動(dòng)的角速度, N 表示電機(jī)轉(zhuǎn)速;Tqbatt _ limit 表示電池系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的可用限制扭矩;P可用batt 表示電池可用功率; Pa _ dcdc表示DC ? DC實(shí)際功率,?mot 表示電機(jī)N 轉(zhuǎn)速下的效率。
整車控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)實(shí)際響應(yīng)扭矩與限制扭矩的差值,當(dāng)差值大于設(shè)定閾值ΔTq ,持續(xù)一定時(shí)間t1 ,確認(rèn)扭矩響應(yīng)超限,多整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做限功率處理,持續(xù)一定時(shí)間t2 ,判斷驅(qū)動(dòng)扭矩執(zhí)行異常,請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)斷IGBT 輸出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控,防止電池過(guò)放。
2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)工作
電池系統(tǒng)的功率主要供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)、低壓供電DC ? DC以及空調(diào)壓縮機(jī)或 PTC;
式中: Pbattery 表示電池實(shí)際消耗功率; Pa _ mot 表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際消耗功率, Pa _ dcdc表示DC ? DC實(shí)際消耗功率; Pa _ AC 表示空調(diào)壓縮機(jī)實(shí)際消耗功率; Pa _ PTC 表示PTC 實(shí)際消耗功率。
2.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率的計(jì)算
以上明確電池峰值功率與持續(xù)放電功率的概念,電池峰值功率表示可持續(xù)10 s 中輸出的最大功率,可用于加速超車等動(dòng)力性需求工況;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率是整車中的最大功率需求,DC ? DC的需求按照選型最大2 kW 左右,但空調(diào)系統(tǒng)的需求功率不容忽視,在電量較低時(shí)尤其要考慮高壓負(fù)載的需求以及控制。
整個(gè)控制過(guò)程中需要滿足以下控制需求:
式中: Pmax?batt 表示電池的峰值功率, Pmot 表示電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率, Pdcdc表示DC ? DC的需求功率,?mot表示電驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)效率,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型確定之后系統(tǒng)效率可以估算,但存在一定誤差,此處應(yīng)用為平均效率;?dcdc表示DC ? DC的系統(tǒng)效率;Pptc 表示PTC 需求功率,?ptc 為PTC 系統(tǒng)效率,PAC 表示AC 壓縮機(jī)的需求功率,?AC 表示壓縮機(jī)效率。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率估算之后,整車中心控制單元需要實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)實(shí)際消耗的系統(tǒng)功率,避免出現(xiàn)過(guò)放的現(xiàn)象。采用功能安全的安全監(jiān)控措施- 扭矩監(jiān)控,實(shí)時(shí)反饋調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求功率。
2.1.2 空調(diào)開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扭矩監(jiān)控
電池系統(tǒng)可用功率扣除DC ? DC的消耗功率,空調(diào)系統(tǒng)AC 壓縮機(jī)消耗功率,PCT 實(shí)際消耗功率即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用功率
將功率轉(zhuǎn)化為電機(jī)的扭矩,即電池系統(tǒng)允許可用功率轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用限制扭矩
式中:ω 表示驅(qū)動(dòng)的角速度, N 表示電機(jī)轉(zhuǎn)速;Tqbatt _ limit 表示電池系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的可用限制扭矩;P可用batt 表示電池可用功率; Pa _ dcdc表示DC ? DC實(shí)際功率, Pa _ AC 表示壓縮機(jī)實(shí)際消耗功率, Pa _ PTC 表示PTC實(shí)際消耗功率,?mot 表示電機(jī)N 轉(zhuǎn)速下的效率。
整車控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)實(shí)際響應(yīng)扭矩與限制扭矩的差值,當(dāng)差值大于設(shè)定閾值ΔTq ,持續(xù)一定時(shí)間t1 ,確認(rèn)扭矩響應(yīng)超限,多整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做限功率處理,持續(xù)一定時(shí)間t2 ,判斷驅(qū)動(dòng)扭矩執(zhí)行異常,請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)斷IGBT 輸出;進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控,防止電池過(guò)放。
3 系統(tǒng)仿真
以某一純電車型為例,進(jìn)行系統(tǒng)仿真。
3.1 系統(tǒng)選型參數(shù)
電池系統(tǒng)選型, 10 s 峰值功率175 kW 、30 s 持續(xù)放電功率165 kW ;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定功率75 kW 、峰值功率150 kW ;空調(diào)系統(tǒng)峰值功率3.5 kW ;DC ? DC功率2 kW;PTC 峰值功率5.5 kW ;
3.2 整車目標(biāo):
0 → 100 km/h 加速時(shí)間:8.2 s;最高車速200 km/h
3.2.1 電量充足,整車性能目標(biāo)與功率校驗(yàn)
圖4 SOC 77%最高車速與整車功率消耗
3.2.2 電量不足時(shí)整車性能目標(biāo)與功率校驗(yàn)
圖5 SOC 12%時(shí)最高車速與整車功率消耗
4 結(jié)束語(yǔ)
本文是一種新能源汽車的能量管理方案,經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證初步達(dá)到設(shè)計(jì)目的。為了詳細(xì)驗(yàn)證系統(tǒng)控制策略,奇瑞新能源公司試裝車輛用于測(cè)試驗(yàn)證,并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)控制策略進(jìn)行修改和完善,目前車輛已經(jīng)達(dá)到可量產(chǎn)水平,證明控制策略在實(shí)際運(yùn)用中具有較強(qiáng)的可行性。
參考文獻(xiàn):
[1] LI Y,ANG K H ,CHONG G C Y. Patents,software and hardware for PID control:an overview and analysis of the current art[J]. IEEE control Systems Magazine,2006,26(1):42-54.
[2]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.
[3]陳清泉.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京:北京理工人學(xué)出版社,2002.
[4]先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.
(本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期)
評(píng)論