陳路明，　廖自力，　劉春光，　項(xiàng)　宇

(裝甲兵工程學(xué)院　控制工程系，北京　100072)

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基于小波變換的混合動力車輛功率分流策略分析

陳路明，廖自力，劉春光，項(xiàng)宇

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072)

混合動力車輛通常具有兩個(gè)或多個(gè)動力源，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，分流到各動力源的功率存在多種組合方式．常規(guī)功率分流策略如峰值電源最大荷電狀態(tài)策略、恒溫器策略等僅作用于時(shí)域空間，依據(jù)功率幅值進(jìn)行分流，當(dāng)功率波動劇烈時(shí)，產(chǎn)生的高頻功率分量會對動力電池的性能造成負(fù)面影響．為消除這種影響，提出了基于小波變換的功率分流策略，在時(shí)頻域空間將需求功率分解為若干高頻分量和低頻分量，確定各動力源功率分流情況，最后利用RT-LAB建立的整車模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將仿真結(jié)果與基于恒溫器策略得到的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證基于小波變換的功率分流策略能更好地跟隨功率變化，提高供電質(zhì)量，延長電池壽命．

混合動力車輛；功率分流策略；小波變換；恒溫器策略

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和世界新軍事變革的推進(jìn)，武器裝備成為戰(zhàn)斗力生成的關(guān)鍵因素．傳統(tǒng)戰(zhàn)斗車輛受限于動力結(jié)構(gòu)和傳動方式等，難以滿足火力、機(jī)動和防護(hù)性能提升帶來的日益增長的載荷需求[1]．新型儲能技術(shù)的逐步成熟，為混合動力車輛的發(fā)展提供了重要支撐．為提升車輛動力系統(tǒng)對載荷的跟隨能力，多動力源的綜合電力系統(tǒng)成為新型混合動力車輛的發(fā)展方向[2]．

車輛綜合電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)不僅取決于各動力源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還與功率分流策略有密切關(guān)系．目前典型的功率分流策略包括峰值電源最大荷電狀態(tài)的功率分流策略和恒溫器功率分流策略等，張桂連等[3]針對混聯(lián)式車輛提出了電動優(yōu)先的混合控制策略，提高了車輛在UDDS工況下制動能量回收效率；朱武喜等[4]將單點(diǎn)恒溫器功率分流策略應(yīng)用到增程式電動公交客車電量維持階段，提高了該型客車的燃油經(jīng)濟(jì)性．考慮到戰(zhàn)斗車輛一般自重較大、頻繁起動、加速及制動過程中存在較多瞬態(tài)功率，而發(fā)動機(jī)和動力電池由于自身特性的限制，幾乎不能應(yīng)對這部分需求功率，會對動力源的壽命造成負(fù)面影響．小波變換能夠在時(shí)域-頻域?qū)β市盘栠M(jìn)行分解，將高頻瞬態(tài)功率分流給超級電容，最大限度地發(fā)揮其高比功率的優(yōu)勢，適用于非穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)信號的分析．

選取CYC-HWFET循環(huán)行駛工況作為試驗(yàn)依據(jù)，利用小波變換對功率曲線進(jìn)行分解，并對整車功率進(jìn)行分流，最后在RT-LAB建立的整車模型上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對比恒溫器功率分流策略分流結(jié)果，驗(yàn)證基于小波變換的功率分流策略能夠充分發(fā)揮各動力源工作特性，延長動力電池、發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組的使用壽命，提高綜合電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)．

1　混合動力車輛基本情況

1.1車輛綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合動力車輛采用的綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1　車輛綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該方案中發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組和驅(qū)動電機(jī)以串聯(lián)方式連接，發(fā)動機(jī)通過機(jī)械連接軸直接帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，其電能經(jīng)整流后匯入高壓直流母線，作為主動力源；動力電池電能通過DC/DC升壓匯入高壓直流母線，通過DC/DC減壓吸收母線回饋電能，超級電容直接并聯(lián)到高壓直流母線，對電壓“削峰填谷”，穩(wěn)定母線電壓，二者共同供能，作為輔助動力源．高壓直流母線電能通過DC/AC轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電機(jī)工作；驅(qū)動電機(jī)制動等過程產(chǎn)生的能量通過AC/DC轉(zhuǎn)化為直流電，回饋到高壓直流母線．當(dāng)儲能裝置對回饋能量的吸收達(dá)到飽和時(shí)，通過能耗電阻放電，保證系統(tǒng)供能安全．

1.2整車功率計(jì)算

根據(jù)車輛動力學(xué)相關(guān)理論，可知整車功率P需求計(jì)算公式為[5]

P=(mgsinα+mgfcosα+

(1)

式中：m為車輛質(zhì)量；g為重力因數(shù)；α為坡度角；f為滾動摩擦系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；t為車輛行駛時(shí)間．

2　小波變換理論

2.1小波變換思想[6]

小波分析起源于20世紀(jì)80年代，是傅里葉分析的拓展和延伸．小波變換作為小波分析的函數(shù)，主要用于將給定函數(shù)或時(shí)間信號分解為不同尺度的分量．它吸收和傳承了短時(shí)傅里葉變換局部化的思想，確立了窗口大小與頻率高低的隨動關(guān)系，能夠提供一個(gè)動態(tài)變化的“時(shí)頻窗口”，是進(jìn)行信號時(shí)頻分析及壓縮的有效工具．

小波變換在突出問題某些局部特征方面具有與生俱來的優(yōu)勢；在信號處理過程中，運(yùn)用伸縮、平移等運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)多尺度細(xì)化，達(dá)到在低頻處頻率細(xì)分，而在高頻處時(shí)間細(xì)分的處理效果；具有對時(shí)域頻域信號分析要求自動適應(yīng)的能力，可以聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，克服傅里葉變換存在的不足．目前，小波變換技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到信號與圖形壓縮、信號分析和工程技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域．

2.2小波變換過程

小波變換過程一般包含兩個(gè)階段，即分解和重構(gòu)．首先通過分解公式將一維時(shí)域函數(shù)映射到二維“時(shí)間-頻率”域上，通過改變平移、伸縮因子，獲得時(shí)頻寬度不同的小波，達(dá)到對信號時(shí)頻局部化分析的目的．最后通過小波逆變換，將二維信號重構(gòu)回初始的一維信號．小波變換用到的小波基函數(shù)具有多樣性，作為最流行的小波基函數(shù)，哈爾小波與其他小波相比在時(shí)域上具有最短的濾波長度，因此采用哈爾小波作為小波基函數(shù)[7]，其表達(dá)式為

(2)

對于連續(xù)小波變換，其分解表達(dá)式為

(3)

連續(xù)小波變換的重構(gòu)表示式為

f(t)=

(4)

在實(shí)際問題的數(shù)值計(jì)算中，由于連續(xù)小波變換的伸縮、平移因子都是連續(xù)變化的函數(shù)，對數(shù)字信號進(jìn)行連續(xù)積分時(shí)很不方便，需要采用Riesz基對信號f(t)進(jìn)行離散化處理結(jié)果，此時(shí)f(t)的離散小波變換分解表達(dá)式為

(5)

離散小波變換的重構(gòu)表達(dá)式為

(6)

為便于計(jì)算，采用離散小波變換對整車需求功率進(jìn)行分解，得到若干組具有不同頻率段的功率分量，為功率分流提供依據(jù)．

在車輛行駛過程中，小波分解階數(shù)要合適以保證計(jì)算的簡便性和滿足頻率限制條件，因此選用3級小波變換對系統(tǒng)需求功率信號s進(jìn)行分解，該過程如圖2所示．

圖2　3級功率分解示意圖

圖中：a3為濾波得到的第3級低頻分量；di(i=1,2,3)分別為第1級高頻分量、第2級高頻分量和第3級高頻分量．

2.3基于小波變換的功率分流策略

基于小波變換的功率分流策略能夠從整車總需求功率中提取高頻成分，分配給超級電容，以充分發(fā)揮超級電容高比功率的優(yōu)勢；低頻功率分量則由發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組和動力電池共同提供．同時(shí)，由于動力電池具有充放電特性，因此動力電池能夠吸收低頻回饋功率并協(xié)助發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組分擔(dān)低頻需求功率的正值部分[8]．

結(jié)合動力源特性，可知分流到發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組、動力電池和超級電容的功率分別為

(7)

(8)

PUC=d1+d2+d3．

(9)

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1車輛基本參數(shù)和性能指標(biāo)

為計(jì)算車輛需求功率和各動力源性能參數(shù)，表1列出了研究需要的混合動力車輛基本參數(shù)及性能指標(biāo)要求．

表1　混合動力車輛的基本參數(shù)及性能指標(biāo)

3.2循環(huán)行駛工況

車輛循環(huán)行駛工況是大量數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的曲線，反映車速與時(shí)間的變化關(guān)系．循環(huán)行駛工況可以模擬車輛實(shí)際行駛情況．在設(shè)計(jì)初期，為測試車輛性能及驗(yàn)證功率分流策略提供依據(jù)．混合動力車輛的仿真測試采用CYC-HWFET循環(huán)行駛工況作為依據(jù)[9-10]，其速度曲線如圖3所示．該循環(huán)行駛工況的部分特征值如表2所示．

圖3　CYY-HWFET循環(huán)行駛工況

類型數(shù)值時(shí)間/s760距離/km16.3最大速度/(km·h-1)95平均速度/(km·h-1)77.2最大加速度/(m·s-2)1.31最大減速度/(m·s-2)-1.12平均加速度/(m·s-2)0.57平均減速度/(m·s-2)-0.42

3.3功率分解

在給定的車輛設(shè)計(jì)指標(biāo)及循環(huán)行駛工況基礎(chǔ)上，依據(jù)小波變換，對整車功率進(jìn)行分解，得到的各頻率段功率情況如圖4所示．

3.4功率分流仿真曲線

目前適用于混合動力車輛的功率分流策略包括峰值電源最大荷電狀態(tài)策略、恒溫器策略等，其中恒溫器策略主要是依據(jù)動力電池SOC(荷電狀態(tài))的工作區(qū)間，控制發(fā)動機(jī)開關(guān)狀態(tài)，以提高發(fā)動機(jī)工作效率．

選取基于小波變換的功率分流策略和恒溫器功率分流策略，分別在RT-LAB建立的整車模型上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到各動力源功率分流情況如圖5～7所示．

圖5　發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組功率分流曲線

圖6　動力電池功率分流曲線

圖7　超級電容功率分流曲線

對比圖5～7可以看出，基于小波變換的功率分流策略中分流到發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組、動力電池的功率幅值和變化頻率明顯低于恒溫器分流策略的結(jié)果，而分流到超級電容的功率幅值和變化頻率明顯高于恒溫器功率分流策略的結(jié)果．由此可知：基于小波變換的功率分流策略能夠優(yōu)化發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)組、動力電池的工作狀態(tài)，避免需求功率頻繁變化造成的能量損耗；充分發(fā)揮超級電容“削峰填谷”的作用，穩(wěn)定系統(tǒng)供電電壓，減小對動力電池等動力源的沖擊．

4　結(jié)　論

基于小波變換的功率分流策略，能夠在時(shí)域-頻域?qū)π枨蠊β蔬M(jìn)行分解，分別得到不同頻率段的高頻分量和低頻分量；而后依據(jù)一定的分流策略，將需求功率合理分流到各動力源．主要結(jié)論如下：

1)相比恒溫器功率分流策略，基于小波變換的功率分流策略能夠有效減小功率波動對動力源的沖擊，延長動力電池使用壽命，提高綜合電力系統(tǒng)供電品質(zhì)．

2)在給定小波基函數(shù)和分解階數(shù)等參數(shù)條件下，討論了小波變換過程，但未對上述參數(shù)的選擇進(jìn)行細(xì)致研究，下一步需深入研究參數(shù)選取方法對功率分流結(jié)果的影響．

[1]廖自力,馬曉軍,臧克茂，等.全電戰(zhàn)斗車輛發(fā)展概況及關(guān)鍵技術(shù)[J].火力與指揮控制,2008，33(5):1-4.

[2]毛明,韓政達(dá),劉翼.論全電車輛的能量管理和功率管理[C]//第三屆特種車輛全電化技發(fā)展論壇組織委員會.第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京:國防工業(yè)出版社,2014:162-168.

[3]張桂連.基于行駛工況的混合動力汽車參數(shù)匹配、控制策略研究及仿真平臺搭建[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

[4]朱武喜,孫立清.增程式電動公交客車控制策略研究[J].汽車技術(shù).2013(4):1-5.

[5]孫逢春,張承寧.裝甲車輛混合動力電傳動技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[6]張德豐.MATLAB小波分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[7]張希,米春亭.車輛能量管理：建模、控制與優(yōu)化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[8]韓立金,劉輝,王偉達(dá)，等.功率分流混合動力汽車參數(shù)匹配與優(yōu)化研究[J].汽車工程,2014,36(8):904-910.

[9]葉磊,游國平.基于多種循環(huán)工況的混合動力客車制動能量回收對燃油經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)率的研究[J].客車技術(shù)與研究,2011(2):13-15.

[10]辛乾,楊卓帆.重型半掛牽引車典型循環(huán)工況研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015(1):76-77.

Analysis of Power Dividing Strategy for a Hybrid Electric VehicleBased on Wavelet Transform

CHEN Lu-ming,LIAO Zi-li,LIU Chun-guang,XIANG Yu

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Hybrid vehicles usually have two or more power sources so there are a variety of the power dividing strategies. Conventional strategies usually distribute the power in the time domain according to its amplitude, such as the strategy of the peak power with biggest SOC and the thermostat strategy. When the frenquency of the power fluctuation is high, its high frequency component of the power will have a negative effect on the batteries or other power sources. In order to cope with this problem, a power dividing strategy is proposed based on the wavelet transform. In the time-frequency domain, the needed power is decomposed into a number of high frequency and low frequency components, and distributed to each power source with a confirmed proportion. The vehicle model is tested in RT-LAB. The simulation results are compared with the outcomes from the thermostat strategy. The conclusion is that the studied strategy has advantages in following the power change well, improving the quality of power supply and extending the battery life.

hybrid electric vehicle; power dividing strategy; wavelet transform; thermostat strategy

1009-4687(2016)02-0002-05

2015-11-7

軍隊(duì)預(yù)先研究項(xiàng)目(40401010101)

陳路明(1991-)，男，碩士，研究方向?yàn)檐囕v綜合電力系統(tǒng)能量管理.

TM761

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