电气化公路下的混合动力重卡电池容量优化方法

1.本发明属于电池技术领域，具体涉及一种电气化公路下的混合动力重卡电池容量优化方法。


背景技术：

2.由于续航里程、车辆成本、动力电池容量以及寿命等问题，纯电动汽车尚未广泛普及，在商用车领域更是如此。为了兼顾环境效益和经济效益，电气化公路下的混合动力货车逐渐走入各大厂商的眼中。
3.目前，电气化公路技术还在快速发展之中，最流行的电气化公路技术使用混合动力箱式货车作为载具，在重型货车上面安装了一个可以自动升起的受电弓，将电能从架空电网传送到电力/柴油混合系统中。电气化公路能源供应系统基于铁路电气化领域的成熟技术，两极接触网系统确保为电气化公路卡车提供可靠的能源供应，即使在高速下也能实现稳定的电流传输。在电气化路线上，电气化公路卡车中的电动机通过架空接触线和受电弓供电。对于其余路段，电气化公路卡车采用混合动力驱动模式，混合动力驱动的类型没有限制，串联和并联都可以实施。电气化公路卡车的电动机还可以回收车辆的制动能量。
4.在架空电网与混合动力重卡交互系统中，各个参数都需要进行合理的设计，以实现最佳的经济和环境效益，而对这方面的研究目前还处于空缺阶段。故需要考虑混合动力重卡电池容量的设计，以实现车辆co2排放和车-网系统总体成本的平衡。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种电气化公路下的混合动力重卡电池容量优化方法，用于电气化公路系统的电池容量设计，以降低车辆排放和车-网系统总体成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种电气化公路下的混合动力重卡电池容量优化方法，包括以下步骤：
7.基于电池容量，建立混合动力重卡基于行驶阻力的功率计算模型；
8.建立架空电网简化模型；
9.基于功率计算模型和架空电网简化模型，建立能源消耗评估模型；能源消耗评估模型包括电能消耗评估模型和燃油消耗评估模型；
10.基于能源消耗评估模型，建立车-网系统总体成本模型以及燃料周期co2排放评估模型；
11.基于车-网系统总体成本模型以及燃料周期co2排放评估模型，建立车-网系统总体成本和燃料周期co2排放的多目标优化函数，依照优化结果得到最优的电池容量。
12.进一步，功率计算模型如下：
[0013][0014]
式中，p1为动力源所提供功率，η为传动及能量转换效率，v为车辆速度，f为车辆受
到的全部阻力，计算公式如下：
[0015]
f＝ff+fi+fw+fj[0016]
式中，ff、fi、fw、fj分别表示滚动阻力、爬坡阻力、空气阻力和加速阻力，各自的计算公式如下：
[0017]ff
＝fmg cosα
[0018]fi
＝mg sinα
[0019][0020]fj
＝δmdv/dt
[0021]
m＝m1+m2[0022]
m2＝f(c)
[0023]
其中，m为车辆的总质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为坡道的角度，ρ为空气密度，cd为空气阻力系数，a为车辆迎风面积，δ为旋转质量换算系数，dv/为加速度，m1为除电池外的车辆质量，m2为电池质量，c为电池容量。
[0024]
进一步，建立架空电网简化模型包括：
[0025]
设定架空电网充电功率为p2，架空电网覆盖长度为l2。
[0026]
进一步，建立能源消耗评估模型包括：
[0027]
设日均行驶里程为s，单边行驶里程为l1；混合动力重卡在架空电网路段通过受电弓接受来自电网的电能来运行电动机，同时给电池充电，在离开架空电网路段后，优先使用纯电驱动模式，电能不足时进入发动机驱动模式；
[0028]
(1)电能消耗量计算公式如下：
[0029]
ge＝c+min((p
2-p1)t,c)
·n[0030]
l2＝∫vdt
[0031][0032]
p2≥p1[0033]
其中，ge为非架空电网路段电能消耗量，t为车辆单次通过架空电网的时间，n为车辆经过架空电网的次数；
[0034]
非架空电网路段纯电模式行驶时间t1计算公式如下：
[0035][0036]
其中，nm为电动机转速，tm为电动机转矩，fe为电动机的效率函数，δt＝1；
[0037]
纯电驱动模式行驶里程计算公式如下：
[0038][0039]
其中，se为纯电驱动行驶里程；
[0040]
(2)发动机驱动行驶里程如下：
[0041]
sf＝s-se[0042]
其中，sf为发动机驱动行驶里程；
[0043]
发动机驱动行驶时间t2计算公式如下：
[0044][0045]
燃油消耗量计算公式如下：
[0046][0047]
gf≤g
[0048]
其中，gf为燃油消耗量，ne为发动机转速，te为发动机转矩，ff为单位时间内的燃油消耗量函数，g为油箱内的燃油量。
[0049]
进一步，根据车辆的车速以及传动系统传动比获得此时发动机的转速ne或电动机的转速nm，再根据发动机的转速ne或电动机的转速nm得到发动机的转矩te或电动机的转矩tm，计算公式如下：
[0050][0051][0052]
其中，n为发动机或电动机转速，r为车轮半径，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比，t
′
为发动机或电动机转矩。
[0053]
进一步，车-网系统总体成本模型如下：
[0054]ct
＝c
p
+cb+ce+ch+cr+c
′
[0055]ce
＝cf·
gf′
+ce·
ge′
[0056][0057][0058]
其中，c
t
是该车网系统的总成本，c
p
是除电池外的车架成本，cb是电池的成本，ce是燃油和电力的成本，ch是架空电网建设成本，cr是架空电网运营成本，c
′
是车网系统运行过程中产生的其他成本，cf为燃油价格，gf′
为平均每公里燃油消耗量，ce为电力价格，ge′
为平均每公里电能消耗量。
[0059]
进一步，燃料周期co2排放评估模型如下：
[0060]
e＝gf′
·
ed+ge′
·ee
[0061]
其中，e为燃料周期co2排放，ed为单位燃油的燃料周期co2排放，ee为单位电能的燃料周期co2排放。
[0062]
进一步，多目标优化函数如下：
[0063]
min y＝f(x)＝f(c
t
,e)
[0064]
x≥0
[0065]
其中，x为决策变量，即电池容量，y为目标函数。
[0066]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0067]
本方法综合考虑架空电网的建设和运营成本、带有受电弓的混合动力重卡的购置和运营成本，以及车辆的环境效益，以优化车辆电池容量参数。
附图说明
[0068]
图1为本发明实施例的电气化公路下的混合动力重卡电池容量优化方法流程图。
具体实施方式
[0069]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0070]
本发明重点考虑混合动力重卡电池容量的设计，以实现车辆co2排放和车-网系统总体成本的平衡，本发明研究的目标就是在电气化公路上混合动力重卡的电池容量优化方法。
[0071]
本发明实施例的电气化公路下的混合动力重卡电池容量优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0072]
1)建立混合动力重卡基于行驶阻力的功率计算模型。
[0073]
混合动力重卡功率计算公式如下：
[0074][0075]
其中，p1为动力源所提供功率，η为传动及能量转换效率，v为车辆速度，f为车辆受到全部阻力，可以计算为：
[0076]
f＝ff+fi+fw+fj[0077]
其中，四部分阻力ff、fi、fw、fj分别表示滚动阻力、爬坡阻力、空气阻力和加速阻力，各自的计算方法如下：
[0078]ff
＝fmg cosα
[0079]fi
＝mg sinα
[0080][0081]fj
＝δmdv/dt
[0082]
m＝m1+m2[0083]
m2＝f(c)
[0084]
其中，m为汽车的总质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，α为坡道的角度，ρ为空气密度，cd为空气阻力系数，a为汽车迎风面积，δ为旋转质量换算系数，m1为除电池外的车辆质量，m2为电池质量，c为电池容量。
[0085]
根据汽车的车速以及控制策略中与之对应的传动系统传动比，通过以下公式可以
获得发动机的转速ne或电动机的转速nm，以及发动机转矩te或电动机的转矩tm：
[0086][0087][0088]
其中，n为发动机或电动机转速，r为车轮半径，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比，t
′
为发动机或电动机转矩。
[0089]
由此，可以得到在电池容量为c，车速为v时，混合动力重卡的转矩和转速。
[0090]
2)建立架空电网简化模型。
[0091]
架空电网简化模型的构建，设定架空电网充电功率为p2，架空电网覆盖长度为l2，车辆行驶速度为v。
[0092]
3)建立车辆燃油和电能消耗评估模型。
[0093]
对于混合动力重卡的燃油和电能消耗评估需要考虑充电情景和日均行驶里程的场景需求，本实施例的研究场景选择为港口牵引运输，日均行驶里程为s，从港口到运输中心的单边行驶里程为l1，架空电网的架设长度为l2，架空电网充电功率为p2。
[0094]
混合动力重卡在架空电网路段通过受电弓接受来自电网的电能来运行电动机，同时给电池充电，在离开架空电网路段后，优先使用纯电驱动模式，电能不足时进入发动机驱动模式。
[0095]
(1)电能消耗量计算方式如下所示：
[0096]
ge＝c+min((p
2-p1)t,c)
·n[0097]
l2＝∫vdt
[0098][0099]
p2≥p1[0100]
其中，ge为非架空电网路段电能消耗量，c为电池容量，v为车辆行驶速度，t为通过车辆单次通过架空电网的时间，n为车辆经过架空电网的次数；
[0101]
非架空电网路段纯电模式行驶时间计算公式如下：
[0102][0103]
其中，t1为非架空电网路段纯电模式行驶时间，nm为电动机转速，tm为电动机转矩，fe为电动机的效率函数，δt＝1；
[0104]
纯电驱动模式行驶里程计算公式如下所示：
[0105][0106]
其中，se为纯电驱动行驶里程。
[0107]
(2)若混合动力重卡的电能足以完成每日的行驶里程要求则不会产生燃油消耗，若混合动力重卡的电能不足以完成每日的行驶里程要求，那么混合动力驱动行驶里程如
下：
[0108]
sf＝s-se[0109]
其中，sf为发动机驱动行驶里程，s为日均行驶里程要求；
[0110]
发动机驱动行驶时间计算公式如下所示：
[0111][0112]
其中，t2为发动机驱动行驶时间，δt＝1；
[0113]
柴油消耗量如下式所示：
[0114][0115]
gf≤g
[0116]
其中，gf为燃油消耗量；ne为发动机转速，te为发动机转矩，ff为单位时间内的燃油消耗量函数，g为油箱内的柴油质量。
[0117]
4)建立车-网系统总体成本模型。
[0118]
以混合动力重卡为研究对象，其总体成本如下：
[0119]ct
＝c
p
+cb+ce+ch+cr+c
′
[0120]ce
＝cf·
gf′
+ce·
ge′
[0121][0122][0123]
其中，c
t
是该车网系统的总成本，c
p
是除电池外的车架成本，cb是电池的成本，ce是燃油和电力的成本，ch是架空电网建设成本，cr是架空电网运营成本，c
′
是车网系统运行过程中产生的其他成本，cf为燃油价格，gf′
平均每公里燃油消耗量，ce为电力价格，ge′
平均每公里电能消耗量联系，以上各个部分都是在整个生命周期中产生的成本平均到全寿命里程的值，单位为元/km。
[0124]
5)建立燃料周期(well-to-wheel，wtw)co2排放评估模型。
[0125]
wtw co2排放是指从燃料的角度，分析从柴油和电力的生产到使用的全过程中产生的co2排放，其wtw co2排放计算公式如下：
[0126]
e＝gf′
·
ed+ge′
·ee
[0127]
其中，e为wtw co2排放，单位为g/km，gf′
为每km的柴油消耗量，单位为l/km，ed为每升柴油的wtw co2排放，ge′
为每km的电能消耗量，单位为kwh/km，ee为每kwh电能的wtw co2排放，如表1所示。
[0128]
表1柴油和电能的wtw co2排放
[0129]
[0130][0131]
6)建立wtw co2排放和车-网系统总体成本的多目标优化函数，依照优化结果得到最优的电池容量方案。
[0132]
综合考虑混合动力重卡电池容量方案对wtw co2排放和车-网系统总体成本的影响，建立多目标优化函数如下：
[0133]
min y＝f(x)＝[c
t
,e]
[0134]
x≥0
[0135]
其中，x为决策变量，即电池容量，y为目标函数，c
t
为车网系统成本子目标函数，e为wtw co2排放子目标函数。
[0136]
由此，可以得到优化后的电池容量。
[0137]
综上所述，本发明公开了一种架空电网场景下的混合动力重卡电池容量参数的优化方法，本方法综合考虑架空电网的建设和运营成本、带有受电弓的混合动力重卡的购置和运营成本，以及车辆的环境效益，以优化车辆电池容量参数。
[0138]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0139]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。