基于循環蓄能技術的車輛輔助電子系統設計與研究

　　摘要:能量循環利用是汽車電子產業發展的主要研究方向之一，基于車輛發動機工作原理為輔助設備(如制冷系統和液壓泵)提供動力，從而降低車輛燃料消耗，達到節能的效果。車輛再生輔助動力系統(RegenerativeauxiliarypowerSystem，RAPS)以貨車為研究對象，通過增加一個額外電池，將車輛變為混合動力車。為了追求較高的總體效率，設計了一種整體控制器，用于確定如何以及何時為電池充電，同時將輔助系統的功耗降至最低。研究結果表明，與傳統服務車輛的燃油消耗相比，提出的RAPS可節省約7%的燃油。

　　關鍵詞:循環蓄能;汽車輔助電子系統;混合動力;再生輔助動力系統

　　現代車輛的服務廣泛使用各類輔助設備為用戶提供舒適服務，例如空調為用戶提供制冷或制熱服務，但這些設備通常占用發動機總負荷并消耗一部分燃料。以冷藏運輸卡車為例，空調設備消耗的總油箱燃料高達四分之一，而長途車輛則消耗更多。通常情況下，當車輛停車時，發動機必須為這些輔助系統怠速運轉，以維持其特殊功能的動力。

　　柴油機的空轉效率通常高達40%，但是當燃料添加物更多時，效率會下降到1-11%，這就是許多國家/地區制定相關的法規對發動機空轉制定了更為嚴格的規定的原因，從而迫切需要汽車學術界和工業界的研究人員采取措施來消除怠速。電動汽車(ElectricVehicles，EV)和混合電動汽車(HybridElectricVehicles，HEV)中儲能系統EnergyStorageSystems，ESS(電池)的發展使輔助系統能夠獨立供電[1]。

　　這意味著使用此類ESS時車輛中的輔助設備可以實現電氣化，以這種方式，可以消除由于在車輛停止時為輔助設備供電而造成的空轉，從而大大提高了汽車系統的性能和效率。盡管近年來已經引入了多種類型的防空轉產品來減少這種空轉，但是仍然需要進行許多改進。結果提出的最佳再生輔助動力系統(RegenerativeAuxiliaryPowerSystem，RAPS)不僅滿足了輔助動力裝置實現防空轉的要求，而且還充分利用了回收的制動能量來進一步提高能量效率。

　　ESS被集成到貨車的動力總成中，并且能夠為輔助設備單獨供電。當使用交流發電機或增加的發電機在電池中制動時，RAPS具有收集和節省一部分動能的功效。交流發電機通過皮帶與發動機組裝在一起，而發電機則通過取力器(PowerTake-Off，PTO)固定在變速器上。同時，當整體電源管理控制器(PowerManagementController，PMC)需要能源時，可以通過引擎或插入式電力對電池進行智能充電。因此，電池的主要優點是可以有效利用再生能量或發動機能量，從而使輔助設備帶電。以此方式，RAPS即可與現有的同類設備(例如，輔助電池供電系統(ABP)或輔助電源單元(APU))進行區分。

　　1相關研究成果

　　RAPS的組件尺寸必須進行優化，由于需要將該組件安裝在不同的車輛中，因此采用了多學科設計優化(MDO)策略來確定主要組件的大小。

　　同時，在將優化的RAPS引入貨車后，由于增加了ESS，新的動力總成變成了類似并聯的混合動力車，而事實上，增加的電池僅驅動空調系統而不是給車輛提供動力使其不同于普通的并聯混合動力總成。但是，需要PMC來確定如何以及何時給電池充電。在本文中，輔助系統是為送貨卡車的制冷系統，結合制冷系統的電源管理策略和節能控制器開發了一種整體控制器。發動機空轉是造成空氣污染、噪聲污染以及健康問題的主要原因，因此，迫切需要注意消除空轉。由于交通運輸業對降低污染和提高燃油經濟性的迫切需求，近來已經出現了許多反怠速技術[2]。根據相關研究成果，采用兩種分類方法來對這些技術進行分類。一方面，從位置的角度來看，稱為移動式或固定式;另一方面，基于功能、產品被定義為部分功能和全部功能[3]。

　　便攜式類型位于車輛上，包括APU、ABP、自動發動機關閉裝置以及為執行特定功能而開發的其他部件，例如對臥鋪車廂的加熱和冷卻。其中，ABP和APU是全功能型的，因為它們能夠完全提供所需的功率，而其他ABP和APU則是由于它們的臨時能力有限(例如，冷卻或加熱)而被稱為部分功能型。同時，卡車司機可以從那里獲得服務，例如電力、供暖/制冷或互聯網、固定產品也指卡車停靠電氣化(TruckStopElectrification，TSE)系統，分為車載產品和非車載產品。前者(例如CabAireLLC和ShorepowerTechnology)需要在車輛中安裝冷卻或加熱系統和配件，而后者(例如Envirodock，IdleAire和AireDock)則通過外部設備提供電，冷卻和加熱[4]。

　　優化后的RAPS與同類產品相比具有主要優勢:首先，由于沒有額外的引擎，經過優化的RAPS比現有的APU更加干凈、安靜。其次，盡管優化后的RAPS與ABP相似，但它仍能夠獲得制動能量。因此，相對較小的ESS能夠容易地滿足要求，并且僅需要較小的發動機功率即可充電，從而降低了成本。此外，設計的整體PMC將以最大效率監督RAPS的工作。此外，由于成本極高，混合動力服務車輛仍未被廣泛使用。

　　2系統設計

　　本節從數量上研究了常規卡車輔助設備的電氣化所帶來的節油效益。為了研究車輛的燃油經濟性，通過組合幾個標準駕駛循環來創建一個駕駛循環，循環時間如圖2所示。該駕駛循環可用于表示典型貨車的日常駕駛信息。周期描述如下:上午10:00，卡車在倉庫中裝載約15分鐘，然后通過標準的高速公路和城市行駛路線到兩家零售店交貨。但是，為了使貨物(例如，蔬菜和水果)保持新鮮，無論卡車處于裝卸還是正在移動，制冷系統都應始終運轉。在裝載/卸載期間，常規卡車不移動，但應保持發動機運轉為制冷系統提供動力。

　　因此，與等待紅燈時的發動機怠速相比，在裝載/卸載期間的怠速持續時間更長并且排放更多的污染物[5-7]。為了簡化研究，假設制冷系統的標稱功率為2kW。其中將典型城市駕駛周期(UDDS)和建議的駕駛周期中車輛的平均驅動功率與輔助設備消耗的功率進行了比較。結果表明:輔助功率較低，因此，該車輛可稱為輕型服務車輛。

　　2.1算法設計

　　該算法設計目的是使用系統模型來找到最佳組件尺寸和適當的電源管理策略。組件模型應該是通用、模塊化和靈活的，以便優化程序可以輕松地對其進行修改。在該研究中，使用建模方法來減少零部件和車輛系統不必要的動態細節，從而減少了計算時間[9]。

　　2.2RAPS的整體控制器開發及驗證

　　在上述模型和參數的基礎上，開發了基于MPC的整體控制器，以優化電池充電并優化汽車電子輔助系統消耗的能量。文獻[10]中已經在車輛系統中使用了不同的高級控制策略。但是，整個系統的緩慢動態適合于MPC的實時應用。因此實際周期仍可以遵循標稱周期，但與標稱周期并不完全一致。由于未來的駕駛信息是未知的，因此唯一可預測的知識是標稱駕駛周期。一旦在開發MPC期間擴大了用于預測的步長，將抵消由名義周期的負偏差和正偏差對狀態預測的影響，這將使兩種狀態的預測軌跡相似。此外，將擴大預測范圍，以使解決方案和全局最優解更加接近，而不會產生額外的計算成本。

　　電源論文投稿刊物：《通信與信息技術》(雙月刊)創刊于1971年，由四川省通信學會主辦。以報道現代通信電源技術及電源領域新技術、新工藝、新產品為宗旨，向通信應用工程技術人員提供技術支持為目的，滿足通信領域人員需求。

　　3結論

　　本文為再生輔助電源系統設計了一個整體控制器MPC，該系統組裝在傳統的貨運卡車動力總成中，以使其輔助系統電氣化以實現防怠速并最大程度地提高更新動力總成的能源效率。本文簡要介紹了RAPS的總體結構以及模型，同時還驗證了控制器的魯棒性。研究結果表明，在預測的駕駛周期與實際周期不同的情況下，所設計的MPC也與最優的性能相似。

　　參考文獻:

　　[1]HuangY，WangH，KhajepourA，etal.ModelpredictivecontrolpowermanagementstrategiesforHEVs:Areview[J].JournalofPowerSources，2017，341(FEB.15):91-106.

　　[2]ShancitaI，MasjukiHH，KalamMA，etal.Areviewonidlingreductionstrategiestoimprovefueleconomyandreduceexhaustemissionsoftransportvehicles[J].EnergyConversion&Management，2014，88(dec.):794-807.

　　[3]HuangY，KhajepourA，ZhuT，etal.ASupervisoryEnergy-SavingControllerforaNovelAnti-IdlingSystemofServiceVehicles[J].MechatronicsIEEE/ASMETransactionson，2017，22(2):1037-1046.

　　[4]RosalinRath，PiyushKumar，LakshmiUnnikrishnan，etal.CurrentScenarioofPoly(2，5-Benzimidazole)(ABPBI)asProspectivePEMforApplicationinHTPEMFC[J].PolymerReviews，2019(1):1-51.

　　作者：楊凡

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/dzlw/26123.html