彭忛　羅文廣

摘 要：隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車的電氣設(shè)備種類越來越多，電器消耗的電能占整車能量比重不斷上升，對(duì)汽車低壓電源管理提出更高要求。為滿足用戶日益增長的汽車電子設(shè)備用電需求，達(dá)到減少整車能量消耗、提高電池充電效率的目的，在對(duì)純電動(dòng)汽車負(fù)載進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，利用遺傳算法對(duì)用于電量安全分級(jí)的低壓電池荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）進(jìn)行優(yōu)化，并提出一種基于SOC的4級(jí)恒流低壓鋰電池充電管理策略；利用AVL-Cruise和MATLAB-Simulink軟件聯(lián)合仿真搭建車輛模型，采用不同工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證和對(duì)比分析。結(jié)果表明，低壓鋰電池電源管理策略能夠滿足純電動(dòng)汽車的電量安全性要求，在一定程度上提高了整車經(jīng)濟(jì)性；優(yōu)化后的鋰電池充電效率有一定的提高，充電時(shí)間也有所減少。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；低壓電源管理系統(tǒng)；鋰電池；遺傳算法

中圖分類號(hào)：TM912.9；U469.72 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.02.008

0 引言

環(huán)境問題和能源危機(jī)促進(jìn)了新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，純電動(dòng)汽車有巨大的發(fā)展?jié)撃?。純電?dòng)汽車低壓電源管理系統(tǒng)具有低壓鋰電池狀態(tài)監(jiān)控、靜態(tài)電流管理、低壓鋰電池充放電管理、整車用電負(fù)載管理等功能，對(duì)整車行駛起到重要的保障作用[1]。低壓電源能量管理對(duì)車輛的能耗和動(dòng)態(tài)性能有重要的影響，純電動(dòng)汽車低壓電源管理系統(tǒng)的能耗問題是整車能量管理設(shè)計(jì)中不可忽略的部分之一[2-5]。

純電動(dòng)汽車能量管理策略包括制動(dòng)能量回收策略、高低壓電源管理策略和整車負(fù)載能耗控制策略等[6-9]。純電動(dòng)汽車電源管理策略主要有2種方法：一是優(yōu)化整車能量的使用率，根據(jù)汽車行駛狀態(tài)只保留必要的負(fù)載，把整車能量進(jìn)行合理的分配，最大程度節(jié)約電能；二是提高電池使用效率，使其工作在高效能區(qū)間[10]。對(duì)電動(dòng)汽車低壓電源管理系統(tǒng)進(jìn)行合理的控制，可以有效降低電耗，提升整車性能。文獻(xiàn)[11]基于車輛行駛狀態(tài)、動(dòng)力電池荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）和低壓電池狀態(tài)提出了一種低壓電源能量管理系統(tǒng)，該低壓電源系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測和保護(hù)低壓電池，提高車輛動(dòng)態(tài)性能；所提出的控制策略可以提高1.72%的純電行駛里程，并降低4%的電能消耗。文獻(xiàn)[12]建立了純電動(dòng)汽車低壓電氣系統(tǒng)效率模型，驗(yàn)證了鋰電池低壓電氣系統(tǒng)在輕載條件下能夠使系統(tǒng)效率提升10%。文獻(xiàn)[13]對(duì)B50EV車型的低壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)車驗(yàn)證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。文獻(xiàn)[14]在對(duì)整車低壓電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了乘用車低壓電源的分配方案。文獻(xiàn)[15]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了一種基于工況在線識(shí)別的整車能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載功率的最優(yōu)分配。由以上文獻(xiàn)可知，使用不同的智能優(yōu)化算法在一定程度上可提高能量管理系統(tǒng)的工作效率，因此，本文采用遺傳算法對(duì)低壓電源管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)約電能消耗的目的。

電池是影響電源管理系統(tǒng)和整車性能的一個(gè)十分重要的因素。在設(shè)計(jì)低壓電源能量管理策略時(shí)，不僅要保證整車的正常行駛，而且應(yīng)該兼顧電池的充電管理。文獻(xiàn)[16]提出了一種4級(jí)恒流充電策略，并與等效恒流恒壓充電策略和基于充電電壓限制的充電策略進(jìn)行比較，結(jié)果表明，基于電池SOC的充電策略充電時(shí)間更短。文獻(xiàn)[17]采用田口正交法對(duì)5級(jí)恒流充電策略進(jìn)行優(yōu)化，得到電池最優(yōu)充電模式，再與恒流恒壓充電方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該充電策略的充電效率提高了0.5%～0.9%，電池溫升降低約2 ℃。文獻(xiàn)[18]基于鋰離子電池等效電路模型提出了一種多級(jí)恒流充電方法，該方法與恒流恒壓方法相比，充電時(shí)間和充電容量分別降低12%和1.8%，充電效率提高0.54%，同時(shí)該多級(jí)恒流充電方法具有較低的溫升。由此可知，多級(jí)恒流充電策略具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于恒流恒壓充電策略，該充電策略充電時(shí)間更短，充電效率更高。因此，本文對(duì)恒流恒壓充電策略進(jìn)行改進(jìn)，提出基于SOC的4級(jí)恒流充電策略，以達(dá)到減少低壓鋰電池充電時(shí)間的目的。

純電動(dòng)汽車低壓電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在為整車提供電能時(shí)，工作效率還有待提高，在對(duì)低壓鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，充電策略和充電時(shí)間還有待改進(jìn)。為了提高整車能量的使用效率，減少低壓電池的充電時(shí)間，本文對(duì)整車負(fù)載進(jìn)行分類，采用遺傳算法對(duì)低壓電源管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并提出基于SOC的4級(jí)恒流充電策略。與常用的低壓電池充電方式相比，本文提出的充電策略效率更高，充電時(shí)間更短。

1 系統(tǒng)建模及參數(shù)匹配

為進(jìn)行系統(tǒng)仿真，需對(duì)純電動(dòng)汽車整車及主要部件進(jìn)行建模。

1.1 整車動(dòng)力學(xué)模型

純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC和低壓輔助電源等部分組成。其中動(dòng)力電池為唯一動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為汽車行駛提供輸出動(dòng)力，DC/DC把高壓電轉(zhuǎn)化為低壓電對(duì)低壓電池進(jìn)行充電，低壓電源系統(tǒng)可為整車負(fù)載提供電源。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)需要依靠車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。汽車在行駛過程中的主要受力為驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力，電動(dòng)汽車受力分析如圖1所示。根據(jù)受力情況可以建立受力平衡方程，由式（1）表示，

式中：[Ft]為驅(qū)動(dòng)力；[Fw]為空氣阻力；[Ff]為車輪滾動(dòng)阻力；[Fi]為爬坡阻力；[Fj]為加速阻力。

以某純電動(dòng)汽車基本參數(shù)為基礎(chǔ)，在Cruise軟件中搭建整車模型，選取的整車參數(shù)如表1所示。

1.2 低壓電池模型

目前低壓電池應(yīng)用較多的是鉛酸電池和鋰電池兩類。鉛酸電池技術(shù)成熟，可大電流使用，但能量密度較低且含有重金屬。鋰電池能量高，循環(huán)壽命長，可深度放電，綠色環(huán)保，因此選取鋰電池作為低壓輔助電池。電池基本參數(shù)如表2所示，本文鋰電池模型采用Rint模型。

式中：[U]表示電源電壓；[E]表示電機(jī)電動(dòng)勢；[Ie]表示線圈電流；[Re]表示等效電阻；[ke]表示電機(jī)參數(shù)；[?L]表示磁通量；[ne]表示電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 整車負(fù)載分類及電量安全分級(jí)優(yōu)化管理

2.1 整車負(fù)載分類

根據(jù)汽車運(yùn)行時(shí)各種負(fù)載的工作性質(zhì)，將所有負(fù)載分為安全類、行駛類、舒適類和娛樂類4種。安全類負(fù)載對(duì)整車正常行駛起保證作用，行駛類負(fù)載與汽車動(dòng)力性相關(guān)，舒適類負(fù)載和娛樂類負(fù)載與駕駛員的需求相關(guān)。由于部分負(fù)載使用頻率與季節(jié)和外部環(huán)境有關(guān)，本文引入加權(quán)系數(shù)來計(jì)算在不同季節(jié)和不同行駛工況下的整車用電量。冬季雪夜和夏季雨夜2種工況是整車負(fù)載用電量的極限情況，因此本文選擇冬季雪夜、平常夜間和夏季雨夜3種典型工況，分別計(jì)算東風(fēng)柳汽某款純電動(dòng)車型各負(fù)載的用電量，如表4所示。

2.2 用于電量安全分級(jí)的低壓電池SOC優(yōu)化

將負(fù)載類型對(duì)應(yīng)的用電安全等級(jí)和12 V鋰電池SOC對(duì)應(yīng)的電量安全等級(jí)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)不同類型負(fù)載的開閉管理，達(dá)到維持整車正常行駛安全和保護(hù)低壓鋰電池的目的。負(fù)載類型與電量安全等級(jí)劃分如表5所示。根據(jù)車輛行駛狀態(tài)，結(jié)合低壓鋰電池狀態(tài)信息對(duì)整車負(fù)載進(jìn)行控制。在無特殊工況的情況下，依據(jù)當(dāng)前電池SOC值按照用電安全等級(jí)對(duì)整車負(fù)載進(jìn)行關(guān)斷處理，直至切斷所有負(fù)載。在特殊工況下，必須先滿足安全類負(fù)載，再根據(jù)具體情況對(duì)行駛類負(fù)載和舒適類負(fù)載進(jìn)行功率分配，具體功率分配原則如表6所示。

為了優(yōu)化整車能量的使用率，盡可能地減少能量消耗，本文采用遺傳算法對(duì)用于電量安全分級(jí)的低壓鋰電池SOC進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)為低壓鋰電池剩余SOC值最大，即整車能量消耗最小，整車需求功率最小。優(yōu)化變量為12 V鋰電池的4個(gè)SOC切換閾值。遺傳算法優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如下：種群大小設(shè)置為50，最大遺傳代數(shù)設(shè)置為300，交叉概率設(shè)置為0.9，變異概率設(shè)置為0.001，終止條件為達(dá)到最大遺傳代數(shù)。經(jīng)過300次迭代，遺傳算法結(jié)束，得到最優(yōu)的低壓鋰電池SOC切換閾值；把優(yōu)化結(jié)果代入整車仿真模型中，與未采用遺傳算法的低壓電源能量管理策略進(jìn)行對(duì)比分析。遺傳算法優(yōu)化步驟如圖3所示。

3 低壓鋰電池充電管理策略研究

電池管理策略主要包括電池狀態(tài)監(jiān)測和電池的充放電管理。為了避免因低壓電池虧電引起的無法啟動(dòng)高壓系統(tǒng)、導(dǎo)致車輛拋錨的情況，同時(shí)為了提高電池使用效率、節(jié)約電池充電時(shí)間，本文對(duì)低壓鋰電池的充電策略進(jìn)行研究。目前純電動(dòng)汽車低壓鋰電池的充電方式主要有3種：第一，整車外接電網(wǎng)充電時(shí)給低壓鋰電池充電；第二，在一些特殊的工況下，如減速、制動(dòng)、下坡時(shí)，制動(dòng)能量給低壓鋰電池充電；第三，在汽車正常行駛中，動(dòng)力電池通過 DC/DC 給低壓鋰電池充電。本文采用的是第三種方式，具體的充電流程如圖4所示。

為了在短時(shí)間內(nèi)盡可能地多充電，提高低壓鋰電池的充電效率，本文采用基于電池SOC的多級(jí)恒流充電方式對(duì)傳統(tǒng)恒流恒壓充電方式進(jìn)行改進(jìn)，該方法去掉了恒壓部分，由幾個(gè)電流幅值不同的恒流模式組成。充電級(jí)數(shù)直接影響電池的充電時(shí)間和充電效率，當(dāng)充電級(jí)數(shù)達(dá)到5時(shí)，充電時(shí)間和充電效率沒有明顯的改善，并且超過5級(jí)會(huì)使控制電路更復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)充電級(jí)數(shù)為4級(jí)。多級(jí)恒流充電方式的核心問題是確定每個(gè)階段的充電電流。為了確定每一級(jí)的充電電流，本文采用迭代優(yōu)化方法來尋找充電電流最優(yōu)值。為了簡化搜索最佳充電電流的過程，第一階段充電電流被設(shè)置為恒流恒壓模式的標(biāo)稱充電電流的2倍。在充電過程中，基于當(dāng)前的電池SOC值來判斷充電過程是否進(jìn)入下一階段，當(dāng)SOC值達(dá)到100%時(shí)，充電過程終止。

4 仿真測試與分析

4.1 低壓電源能量管理策略仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的低壓電源能量管理策略的有效性，通過仿真測試，分析整車能量消耗。為了使仿真結(jié)果更加客觀且多元化，采用NEDC、CLTC、WLTC、60 km/h等速巡航等4種工況進(jìn)行仿真測試，4種工況仿真測試結(jié)果如圖5所示。

本文采用MATLAB-Simulink與AVL-Cruise軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，搭建車輛前向仿真平臺(tái)。1）在Simulink中對(duì)低壓電源能量管理策略進(jìn)行建模；2）在Cruise中搭建純電動(dòng)汽車的整車模型；3）通過MATLAB編譯器將Simulink中的策略進(jìn)行編譯，生成DLL文件；4）在Cruise軟件中調(diào)用生成的DLL文件進(jìn)行聯(lián)合仿真。純電動(dòng)汽車仿真模型如圖6所示，遺傳算法優(yōu)化結(jié)果如表7所示。將遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果載入搭建的車輛仿真模型，可以得出不同工況下整車電耗仿真結(jié)果，仿真結(jié)果如表8所示。

從表8可知，采用遺傳算法對(duì)低壓電源管理策略進(jìn)行優(yōu)化后，純電動(dòng)汽車在NEDC、CLTC、WLTC、60 km/h等速巡航這4種工況下的整車的電耗值都有所減少，其中CLTC工況節(jié)約的電耗值最高，60 km/h等速巡航工況節(jié)約的電耗值最低。

4.2 鋰電池充電策略仿真分析

為了更直觀地驗(yàn)證基于SOC的4級(jí)恒流充電策略的有效性，在Simulink中建立了電池的充電模型，如圖7所示。選取標(biāo)稱電壓為12 V、標(biāo)稱容量為22 A[·]h、初始SOC為35%的鋰電池進(jìn)行充電測試，當(dāng)SOC達(dá)到95%時(shí)停止充電。4級(jí)恒流充電策略和基于SOC的恒流恒壓充電策略中，電池的充電電壓、充電電流和電池SOC值變化的結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖8可知，采用4級(jí)恒流充電策略，電池SOC從35%充電到95%需要410 s，而采用恒流恒壓充電策略（圖9），電池SOC從35%充電到95%則需要490 s。4級(jí)恒流充電策略與傳統(tǒng)恒流恒壓充電策略相比，充電時(shí)間從490 s減少到410 s，充電效率提高了16.3%。因此，本文提出的4級(jí)恒流充電策略充電時(shí)間更短，充電效率更高。

5 結(jié)論

本文以純電動(dòng)汽車低壓電源管理系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過Cruise軟件建立整車模型。為減少電池電量消耗，節(jié)約整車電耗，提出低壓電源能量管理策略，并采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后各個(gè)工況下的整車電耗均有所降低。采用4級(jí)恒流充電策略對(duì)低壓鋰電池充電進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后電池的充電時(shí)間明顯縮短，提高了電池的充電效率。

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Study on optimal strategy of low-voltage power supply

management for pure electric vehicles

PENG Fan1， 2， LUO Wenguang*1， 2

（1. School of Automation， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China;

2. Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology （Guangxi University

of Science and Technology）， Liuzhou 545616， China）

Abstract： With the continuous development of automotive technology， there are more and more types of electrical equipment for automobiles， and the proportion of electric energy consumed by electrical appliances in the? vehicle energy continues to rise， posing higher requirements for low-voltage power supply management. In order to meet the increasing demand of users for electricity， reduce the energy consumption of the vehicle and improve the charging efficiency of the battery， based on the classification of pure electric vehicle loads， this paper uses genetic algorithm to optimize the state of charge （SOC） of low-voltage batteries for power safety classification and proposes a four-stage constant current low-voltage lithium battery charging management strategy based on SOC. Then we use AVL-Cruise and MATLAB-Simulink software to jointly simulate and build a vehicle model and use different operating conditions for simulation verification and comparative analysis. The results show that the low-voltage lithium battery power supply management strategy can meet the electric safety requirements of pure electric vehicles， and improve the vehicle economy to a certain extent. After optimization， the charging efficiency of the lithium battery has been improved to a certain extent， and the charging time has also been reduced.

Keywords： pure electric vehicle; low-voltage power supply management system; lithium battery; genetic algorithm

（責(zé)任編輯：黎 婭）

收稿日期：2023-03-13；修回日期：2023-03-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62263001）；廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2020GXNSFDA238011）資助

第一作者：彭忛，碩士研究生

*通信作者：羅文廣，工學(xué)碩士，教授，研究方向：智能控制及智能自動(dòng)化，E-mail：wgluo@gxust.edu.cn