纯电动公交车AMT双参数换挡最优控制.doc

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1、纯电动公交车AMT双参数换挡最优控制纯电动公交车AMT双参数换挡最优控制*纯电动公交车AMT双参数换挡最优控制*高玮，邹渊，孙逢春(北京理工大学机械与车辆学院，北京)[摘要]建立纯电动公交车动力驱动系统模型，并经实车试验验证。在5种不同典型行驶工况下，以能耗最低为优化目标，采用动态规划方法求得最优换挡规律，结果表明5种工况下最优换挡规律基本一致。根据动态规划换档规律提取可用于实车控制的双参数换挡控制策略，并进行前向动力学仿真，结果表明，与原车换挡策略相比，优化后的双参数换挡策略能更有效地降低能耗。关键词：电动

2、客车；动态规划；双参数换挡前言纯电动公交车由于其零排放的特点，在城市公共交通中具有广阔的应用前景。为了降低车辆对驱动电机高转速和大转矩的要求，国内纯电动公交车多采用AMT多挡变速器，电驱动系统必须与AMT多挡变速器协调工作以确保性能要求。针对纯电动公交车AMT换挡，国内研究主要集中在通过电机调速实现无离合器换挡、缩短换挡时间、减少换挡冲击等瞬态控制问题[1-3]。关于换挡规律对能耗影响的研究较少。电机在不同工作区效率不同，理论上可以通过优化换挡策略，使电机更多工作在高效区以节省能耗。文献[4]中提到应用动态规

3、划优化电动公交车换挡控制，然而由于动态规划无法直接用于实车控制，有必要进一步研究可用于实车控制的最优换挡策略。动态规划方法是一种在动态过程中逆向求解最优控制轨迹的数学方法，该方法已经在混合动力车辆能量管理系统中获得应用[5-8]。本文中以11m长电动公交车为研究对象，实车匹配4挡AMT变速器。选用市区、郊区和综合等5种典型行驶工况，用动态规划求取最优换挡策略，并分析不同工况下的优化结果和节能原因。根据优化结果提取可用于实车控制的双参数换挡策略，最后比较了原车换挡策略、动态规划最优换挡策略和改进的双参数换挡策略

4、在5种工况下的能耗。1电动公交车模型及其验证车辆驱动系统结构简图如图1所示，车辆主要参数见表1。车辆模型主要包括电机、电池组、AMT变速器、车辆动力学模型和换挡控制策略。模型采用差分方程描述，仿真时间步长为1s。图1电动公交车驱动系统结构简图表1车辆基本参数参数数值整备质量+载质量16000kg迎风面积7.54m2风阻系数CD0.7滚动阻力系数f0.012车轮半径0.455m主减速比6.2变速器4挡位减速比4.406,2.446,1.481,1电机额定(最大)功率100(150)kW电机最大转速4500r·m

5、in-1电机额定(峰值)转矩550(850)N·m锰酸锂电池单体容量;电压87A·h;3.8V(4P140S)电池组容量;电压;能量348A·h;532V;185kW·h1.1电机驱动系统模型主要考虑电机外特性转矩和工作效率。电机根据需求转矩指令输出转矩，如果电机在当前转速下能达到需求转矩，则输出需求转矩，否则输出电机的最大转矩。电机输出转矩为(1)式中：Tm,req为电机的需求转矩；Tm,dis和Tm,chg分别为电机驱动状态和发电状态下的最大输入转矩；nm为电机的转速。电机效率ηm是电机转速nm和转矩Tm

6、的函数，由台架试验测得，如图2所示。ηm=f(nm,Tm)(2)图2电机效率图1.2电池组模型采用锰酸锂电池，电池组模型采用电压源-内阻模型：Uout=Uoc-R·I(3)式中:Uoc为电池组开路电压，是电池荷电状态SOC的函数，对应关系通过试验测得，如图3所示;R为电池组内阻；I为输出电流；Uout为电池组输出端电压。由于锂电池内阻变化很小，假设为常数。图4为模型仿真结果与实车试验数据的对比。由图可见，仿真结果与试验数据很好吻合。根据实车试验采集的电池组电流I和端电压Uout，采用最小二乘法求出R=0.17

7、1Ω。图3电池组开路电压与SOC关系电池组SOC状态方程为SOC(k+1)=SOC(k)-(4)式中:k为仿真时间步长；ωm为电机角速度；Qb为电池组的容量；sgn(·)为获取参数正负号的函数。1.3车辆动力学模型忽略坡度，将车辆动力学模型简化为单质量点的车辆纵向动力学模型：(5)式中：v为车速；M0为车辆总质量，包括汽车整备质量和载质量；Mr为车辆等效惯性质量；Jr为驱动系统所有旋转部件等效转动惯量；rw为车轮滚动半径；Fd，Ff和Fw分别为驱动力、滚动阻力和风阻；f为滚动阻力系数；CD,A和ρ分别为风阻系

8、数、车辆迎风面积和空气密度；ig和i0分别为变速器减速比和主减速比。图4模型仿真结果与实车试验数据对比原车采用基于电机转速的换挡策略，当电机转速高于3300r/min时升挡，电机低于1000r/min时降挡。为提高系统可靠性，整车控制中把电机最大再生制动转矩限制为300N·m，再生发电功率限制在80kW，不足的制动力由机械制动提供，因此图4的实车电流曲线显示，制动过程中充电电流不超过170A。1.4