混合動(dòng)力機(jī)車基于規(guī)則控制的能量管理策略分析目錄TOC\o"1-3"\h\u11384混合動(dòng)力機(jī)車基于規(guī)則控制的能量管理策略分析 [62]。例如機(jī)車起動(dòng)初期、惰行階段或者停車，負(fù)載需求功率低，此時(shí)動(dòng)力電池可以配合柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行功率輸出，使得柴油發(fā)電機(jī)組盡量工作在高效率區(qū)甚至惰速工作。(4)再生制動(dòng)最大能量回收原則當(dāng)混合動(dòng)力機(jī)車在制動(dòng)工況時(shí)，采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)，空氣制動(dòng)會(huì)將機(jī)車的動(dòng)能變?yōu)闊崮軗p失掉，應(yīng)利用電制動(dòng)盡可能回收制動(dòng)能量，能夠提高能量利用率，并減少燃油消耗。但當(dāng)電池SOC過高時(shí)，應(yīng)切換為空氣制動(dòng)，防止電池過充?？紤]到上述四種原則，對(duì)能量管理控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，從整體來看，動(dòng)力電池應(yīng)起到“削峰填谷”的作用，避免柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行于低效率區(qū)，在高負(fù)載需求時(shí)填補(bǔ)發(fā)電機(jī)輸出功率的不足，如REF_Ref69069200\h圖39所示。故引出一種功率均衡的控制思想，在保障車輛對(duì)于動(dòng)力基本需求的前提下，充分利用動(dòng)力電池組快速響應(yīng)的特點(diǎn)和柴油發(fā)電機(jī)組的輸出特性，通過每個(gè)時(shí)刻機(jī)車運(yùn)行的負(fù)載需求功率和動(dòng)力電池組的SOC值，進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池組的功率分配，在盡量平衡電池SOC的同時(shí)令柴油發(fā)電機(jī)組工作在高效率區(qū)，實(shí)現(xiàn)更好的整體效果。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s19動(dòng)力電池“削峰填谷”示意圖FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s19Powerbattery'peakloadshifting'schematic瞬時(shí)功率控制策略的具體規(guī)則制定根據(jù)上一章鈦酸鋰電池的充放電特性研究可知，當(dāng)動(dòng)力電池組的SOC超過上、下限值時(shí)，其輸出電壓曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，無法穩(wěn)定輸出功率，需要將SOC約束在一定的范圍內(nèi)。首先選取動(dòng)力電池組SOC的上下界為85%和20%，即令SOC范圍能夠控制在20%到85%之間。若SOC大于等于上限則電池組停止充電，若SOC小于等于下限值則電池組停止放電。在實(shí)驗(yàn)過程中，混合動(dòng)力機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間的牽引工況將會(huì)消耗動(dòng)力電池大約40%的能量，因此機(jī)車啟動(dòng)或進(jìn)入牽引工況時(shí)，動(dòng)力電池組SOC不能低于60%；而在制動(dòng)工況時(shí)，動(dòng)力電池組吸收再生制動(dòng)能量大概為10%，因此在惰行工況過程中，柴油發(fā)電機(jī)組給電池組充電不得讓SOC超過75%。得到動(dòng)力電池組的SOC工作區(qū)域劃分如REF_Ref69134243\h圖310，確定動(dòng)力電池的工作區(qū)間不僅能夠延長(zhǎng)電池使用壽命，關(guān)鍵的是保障機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候與其他動(dòng)力源進(jìn)行配合，或者單獨(dú)充放電以滿足負(fù)載需求。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s110動(dòng)力電池組SOC工作區(qū)間劃分FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s110SOCworkingintervaldivisionofpowerbatterypack混合動(dòng)力機(jī)車的能量管理控制策略制定過程中，關(guān)鍵是減小柴油發(fā)電機(jī)組的燃油消耗，確保在不影響整車動(dòng)力性的前提下，提高系統(tǒng)的效率與經(jīng)濟(jì)性。本文仿真建模的德國DB柴油發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)負(fù)載功率-油耗曲線如下REF_Ref69723550\h圖311。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s111柴油發(fā)電機(jī)功率-油耗關(guān)系曲線FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s111Power-fuelconsumptioncurveofdieselgenerator從圖中可以看出，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組工作在固定轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組工作在430kW~670kW時(shí)，是其低油耗工作點(diǎn)，因此能量管理控制策略應(yīng)需要針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率進(jìn)行管理，保障效率能夠處于合理的范圍內(nèi)?？紤]運(yùn)行工況中，機(jī)車的負(fù)載需求和動(dòng)力電池組SOC值的不同情況，得到瞬時(shí)功率控制規(guī)則如REF_Ref69723589\h表32?；疽?guī)則控制策略具體表述如下：(1)當(dāng)起動(dòng)、停車或者惰行工況時(shí)，負(fù)載需求功率較小，單動(dòng)力電池組可以滿足；當(dāng)動(dòng)力電池組SOC高于牽引加速預(yù)留SOC值時(shí)，則令動(dòng)力電池組單獨(dú)供電，反之則令柴油發(fā)電機(jī)提供負(fù)載需求功率的同時(shí)給電池充電。(2)當(dāng)進(jìn)入牽引工況時(shí)，負(fù)載需求功率大，當(dāng)負(fù)載需求功率小于柴油機(jī)最大提供功率時(shí)，柴油機(jī)根據(jù)電池SOC值與需求功率，在提供負(fù)載功率的同時(shí)令電池充放電，盡量使柴油發(fā)電機(jī)保持在高效率區(qū)間。當(dāng)負(fù)載需求功率超過柴油機(jī)最大提供功率時(shí)，則動(dòng)力電池盡可能提供最大輸出功率。(3)當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)工況時(shí)，動(dòng)力電池吸收再生制動(dòng)能量，當(dāng)動(dòng)力電池組SOC值達(dá)到上限值時(shí)，則停止充電。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s12瞬時(shí)功率規(guī)則表TableSTYLEREF1\s3SEQTable\*ARABIC\s12Instantaneouspowerruletable序號(hào)條件控制10<Pload<Pbat_max，SOC>SOCmiddlePbat=Pload20<Pload<Pbat_max，SOC>SOCmiddlePG=Pload+Pbat_chg3Pbat_max<Pload<Pm_max，SOC>SOClowPG=Pload-Pbat4Pbat_max<Pload<Pm_max，SOC<SOClowPG=Pload+Pbat5Pload>Pm_max，SOC>SOClowPG=Pload-Pbat6Pload>Pm_max，SOC<SOClowPbat=Pload-PG_max7Pload<0，SOC>SOChighPbat=08Pload<0，SOC>SOChighPbat=Pload根據(jù)上述內(nèi)容，可以得到相應(yīng)的控制流程圖：圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s112瞬時(shí)功率規(guī)則控制流程圖FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s112Controlflowchartofinstantaneouspowerrule基于規(guī)則控制的能量管理控制策略的仿真實(shí)現(xiàn)為了驗(yàn)證第二章中建立的混合動(dòng)力機(jī)車仿真模型在機(jī)車實(shí)際工況下能否平穩(wěn)運(yùn)行，以及基于規(guī)則的能量管理策略控制效果。利用前面章節(jié)的牽引計(jì)算與機(jī)車參數(shù)得到的混合動(dòng)力機(jī)車典型工況進(jìn)行仿真，能量管理模塊如REF_Ref70453281\h圖313，其負(fù)載需求功率曲線與機(jī)車速度曲線如REF_Ref69752515\h圖314所示。在典型工況中，忽略線路真實(shí)條件，機(jī)車從起動(dòng)到停車，其工況的最大牽引功率為950kW，再生制動(dòng)功率為150kW。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s113基于規(guī)則控制的能量管理策略仿真FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s113SimulationofEnergyManagementStrategyBasedonRuleControl圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s114機(jī)車功率與速度曲線FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s114Locomotivepowerandspeedcurve仿真結(jié)果如下REF_Ref69752536\h圖315所示，當(dāng)機(jī)車起動(dòng)階段由動(dòng)力電池組供電，當(dāng)超過動(dòng)力電池組最大輸出功率時(shí)切換為單柴油機(jī)供電，當(dāng)牽引功率大于柴油發(fā)電機(jī)最大輸出功率時(shí)切換為混合供電，在惰行階段，當(dāng)電池SOC值大于下限時(shí)，動(dòng)力電池組單獨(dú)供電，當(dāng)SOC值較低時(shí)切換為柴油發(fā)電機(jī)供電電池充電，在進(jìn)行再生制動(dòng)的時(shí)候，動(dòng)力電池組可以實(shí)現(xiàn)能量的正常吸收。在工況切換過程，柴油發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池組功率變換曲線平滑無突變。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s115功率分配曲線FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s115Powerdistributioncurve運(yùn)行過程中，直流母線電壓穩(wěn)定在750V左右，當(dāng)工況切換時(shí)，直流母線電壓超調(diào)量下，不觸發(fā)過壓保護(hù)，恢復(fù)指令值快速。穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流母線電壓紋波小。(a)直流母線電壓(b)直流母線電壓(放大)圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s116機(jī)車運(yùn)行過程直流母線電壓FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s116DCbusvoltageduringlocomotiveoperation(a)電池組SOC變化曲線(b)電池組電壓變化曲線(c)電池組電流變化曲線圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s117電池組參數(shù)變化曲線FigureSTYLERE