本文摘要：摘要:能量循环利用是汽车电子产业发展的主要研究方向之一，基于车辆发动机工作原理为辅助设备(如制冷系统和液压泵)提供动力，从而降低车辆燃料消耗，达到节能的效果。车辆再生辅助动力系统(RegenerativeauxiliarypowerSystem，RAPS)以货车为研究对象，通过增
摘要:能量循环利用是汽车电子产业发展的主要研究方向之一，基于车辆发动机工作原理为辅助设备(如制冷系统和液压泵)提供动力，从而降低车辆燃料消耗，达到节能的效果。车辆再生辅助动力系统(RegenerativeauxiliarypowerSystem，RAPS)以货车为研究对象，通过增加一个额外电池，将车辆变为混合动力车。为了追求较高的总体效率，设计了一种整体控制器，用于确定如何以及何时为电池充电，同时将辅助系统的功耗降至最低。研究结果表明，与传统服务车辆的燃油消耗相比，提出的RAPS可节省约7%的燃油。
关键词:循环蓄能;汽车辅助电子系统;混合动力;再生辅助动力系统
现代车辆的服务广泛使用各类辅助设备为用户提供舒适服务，例如空调为用户提供制冷或制热服务，但这些设备通常占用发动机总负荷并消耗一部分燃料。以冷藏运输卡车为例，空调设备消耗的总油箱燃料高达四分之一，而长途车辆则消耗更多。通常情况下，当车辆停车时，发动机必须为这些辅助系统怠速运转，以维持其特殊功能的动力。
柴油机的空转效率通常高达40%，但是当燃料添加物更多时，效率会下降到1-11%，这就是许多国家/地区制定相关的法规对发动机空转制定了更为严格的规定的原因，从而迫切需要汽车学术界和工业界的研究人员采取措施来消除怠速。电动汽车(ElectricVehicles，EV)和混合电动汽车(HybridElectricVehicles，HEV)中储能系统EnergyStorageSystems，ESS(电池)的发展使辅助系统能够独立供电[1]。
这意味着使用此类ESS时车辆中的辅助设备可以实现电气化，以这种方式，可以消除由于在车辆停止时为辅助设备供电而造成的空转，从而大大提高了汽车系统的性能和效率。尽管近年来已经引入了多种类型的防空转产品来减少这种空转，但是仍然需要进行许多改进。结果提出的最佳再生辅助动力系统(RegenerativeAuxiliaryPowerSystem，RAPS)不仅满足了辅助动力装置实现防空转的要求，而且还充分利用了回收的制动能量来进一步提高能量效率。
ESS被集成到货车的动力总成中，并且能够为辅助设备单独供电。当使用交流发电机或增加的发电机在电池中制动时，RAPS具有收集和节省一部分动能的功效。交流发电机通过皮带与发动机组装在一起，而发电机则通过取力器(PowerTake-Off，PTO)固定在变速器上。同时，当整体电源管理控制器(PowerManagementController，PMC)需要能源时，可以通过引擎或插入式电力对电池进行智能充电。因此，电池的主要优点是可以有效利用再生能量或发动机能量，从而使辅助设备带电。以此方式，RAPS即可与现有的同类设备(例如，辅助电池供电系统(ABP)或辅助电源单元(APU))进行区分。
1相关研究成果
RAPS的组件尺寸必须进行优化，由于需要将该组件安装在不同的车辆中，因此采用了多学科设计优化(MDO)策略来确定主要组件的大小。
同时，在将优化的RAPS引入货车后，由于增加了ESS，新的动力总成变成了类似并联的混合动力车，而事实上，增加的电池仅驱动空调系统而不是给车辆提供动力使其不同于普通的并联混合动力总成。但是，需要PMC来确定如何以及何时给电池充电。在本文中，辅助系统是为送货卡车的制冷系统，结合制冷系统的电源管理策略和节能控制器开发了一种整体控制器。发动机空转是造成空气污染、噪声污染以及健康问题的主要原因，因此，迫切需要注意消除空转。由于交通运输业对降低污染和提高燃油经济性的迫切需求，近来已经出现了许多反怠速技术[2]。根据相关研究成果，采用两种分类方法来对这些技术进行分类。一方面，从位置的角度来看，称为移动式或固定式;另一方面，基于功能、产品被定义为部分功能和全部功能[3]。
便携式类型位于车辆上，包括APU、ABP、自动发动机关闭装置以及为执行特定功能而开发的其他部件，例如对卧铺车厢的加热和冷却。其中，ABP和APU是全功能型的，因为它们能够完全提供所需的功率，而其他ABP和APU则是由于它们的临时能力有限(例如，冷却或加热)而被称为部分功能型。同时，卡车司机可以从那里获得服务，例如电力、供暖/制冷或互联网、固定产品也指卡车停靠电气化(TruckStopElectrification，TSE)系统，分为车载产品和非车载产品。前者(例如CabAireLLC和ShorepowerTechnology)需要在车辆中安装冷却或加热系统和配件，而后者(例如Envirodock，IdleAire和AireDock)则通过外部设备提供电，冷却和加热[4]。
优化后的RAPS与同类产品相比具有主要优势:首先，由于没有额外的引擎，经过优化的RAPS比现有的APU更加干净、安静。其次，尽管优化后的RAPS与ABP相似，但它仍能够获得制动能量。因此，相对较小的ESS能够容易地满足要求，并且仅需要较小的发动机功率即可充电，从而降低了成本。此外，设计的整体PMC将以最大效率监督RAPS的工作。此外，由于成本极高，混合动力服务车辆仍未被广泛使用。
2系统设计
本节从数量上研究了常规卡车辅助设备的电气化所带来的节油效益。为了研究车辆的燃油经济性，通过组合几个标准驾驶循环来创建一个驾驶循环，循环时间如图2所示。该驾驶循环可用于表示典型货车的日常驾驶信息。周期描述如下:上午10:00，卡车在仓库中装载约15分钟，然后通过标准的高速公路和城市行驶路线到两家零售店交货。但是，为了使货物(例如，蔬菜和水果)保持新鲜，无论卡车处于装卸还是正在移动，制冷系统都应始终运转。在装载/卸载期间，常规卡车不移动，但应保持发动机运转为制冷系统提供动力。
因此，与等待红灯时的发动机怠速相比，在装载/卸载期间的怠速持续时间更长并且排放更多的污染物[5-7]。为了简化研究，假设制冷系统的标称功率为2kW。其中将典型城市驾驶周期(UDDS)和建议的驾驶周期中车辆的平均驱动功率与辅助设备消耗的功率进行了比较。结果表明:辅助功率较低，因此，该车辆可称为轻型服务车辆。
2.1算法设计
该算法设计目的是使用系统模型来找到最佳组件尺寸和适当的电源管理策略。组件模型应该是通用、模块化和灵活的，以便优化程序可以轻松地对其进行修改。在该研究中，使用建模方法来减少零部件和车辆系统不必要的动态细节，从而减少了计算时间[9]。
2.2RAPS的整体控制器开发及验证
在上述模型和参数的基础上，开发了基于MPC的整体控制器，以优化电池充电并优化汽车电子辅助系统消耗的能量。文献[10]中已经在车辆系统中使用了不同的高级控制策略。但是，整个系统的缓慢动态适合于MPC的实时应用。因此实际周期仍可以遵循标称周期，但与标称周期并不完全一致。由于未来的驾驶信息是未知的，因此唯一可预测的知识是标称驾驶周期。一旦在开发MPC期间扩大了用于预测的步长，将抵消由名义周期的负偏差和正偏差对状态预测的影响，这将使两种状态的预测轨迹相似。此外，将扩大预测范围，以使解决方案和全局最优解更加接近，而不会产生额外的计算成本。
电源论文投稿刊物：《通信与信息技术》(双月刊)创刊于1971年，由四川省通信学会主办。以报道现代通信电源技术及电源领域新技术、新工艺、新产品为宗旨，向通信应用工程技术人员提供技术支持为目的，满足通信领域人员需求。
3结论
本文为再生辅助电源系统设计了一个整体控制器MPC，该系统组装在传统的货运卡车动力总成中，以使其辅助系统电气化以实现防怠速并最大程度地提高更新动力总成的能源效率。本文简要介绍了RAPS的总体结构以及模型，同时还验证了控制器的鲁棒性。研究结果表明，在预测的驾驶周期与实际周期不同的情况下，所设计的MPC也与最优的性能相似。
参考文献:
[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：杨凡
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