曾慶含，魏曙光，魏　巍，馬曉軍

(1.裝甲兵工程學(xué)院 全電化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100072；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京　100072；3.北京特種車輛研究所，北京　100072)

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混合動(dòng)力履帶車輛機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力分配策略研究

曾慶含1,2，魏曙光1,2，魏巍3，馬曉軍1,2

(1.裝甲兵工程學(xué)院 全電化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京100072；3.北京特種車輛研究所，北京100072)

為解決雙側(cè)電驅(qū)動(dòng)履帶車輛復(fù)合制動(dòng)問題，提出一種機(jī)械、電氣制動(dòng)力模糊分配控制策略，通過制定以踏板信號(hào)和車輛行駛速度為輸入的模糊規(guī)則在線實(shí)時(shí)分配電氣、機(jī)械制動(dòng)比例，并考慮電制動(dòng)實(shí)際存在的約束，提高車輛復(fù)合制動(dòng)匹配效果。其次，建立了整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)以及車輛動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真模型，進(jìn)行了多種制動(dòng)強(qiáng)度下的駕駛員在環(huán)的控制原型仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)能夠在有效回收制動(dòng)能量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)。

電氣工程；混合動(dòng)力；履帶車輛；機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)；模糊控制

相比傳統(tǒng)履帶車輛完全依賴機(jī)械制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)車輛減速、駐車制動(dòng)，混合動(dòng)力履帶車輛制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和系統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)裝置兩部分，其中電氣制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將行駛時(shí)的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能設(shè)備中[1-3]。研究合理的制動(dòng)力分配策略，能夠有效提高車輛能量利用率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程，此外由于履帶車輛質(zhì)量大，緊急制動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)等工況下容易出現(xiàn)制動(dòng)器磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致制動(dòng)效能下降等情況，采用機(jī)電復(fù)合制動(dòng)能夠避免機(jī)械制動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間、大力矩工作，保證制動(dòng)器的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命[4]。

電氣制動(dòng)能力受電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池SOC等因素影響較大，且機(jī)械、電氣制動(dòng)裝置響應(yīng)帶寬存在差異，要實(shí)現(xiàn)二者輸出動(dòng)力的合理匹配保證制動(dòng)的緊急性、平順性，需要重點(diǎn)研究機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力矩分配控制策略[3-4]。

文獻(xiàn)[1,3]針對(duì)履帶車輛機(jī)電復(fù)合制動(dòng)分別提出了基于制動(dòng)力、速度分段的分配控制策略和作為模糊輸入的分配控制策略；文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)輪式車輛分析了制動(dòng)力分配對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[6]針對(duì)輪轂電機(jī)電制動(dòng)特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)液壓機(jī)械復(fù)合制動(dòng)模糊分配策略進(jìn)行了研究，對(duì)于本文具有一定借鑒意義。

筆者以某型雙側(cè)電驅(qū)動(dòng)履帶車輛為研究對(duì)象，提出了一種基于踏板信號(hào)識(shí)別駕駛員意圖結(jié)合車輛行駛速度的模糊分配控制策略，基于硬件在環(huán)仿真平臺(tái)開展了多種制動(dòng)強(qiáng)度的駕駛員-控制器硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了制動(dòng)力分配算法的有效性。

1　系統(tǒng)描述

雙側(cè)式混合動(dòng)力電傳動(dòng)履帶車輛結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)整流后變?yōu)楦邏褐绷麟?，作為車輛主動(dòng)力源，超級(jí)電容、高壓蓄電池并聯(lián)在直流母線上作為輔助動(dòng)力源，二者共同提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)電能。車載運(yùn)動(dòng)控制器，根據(jù)駕駛員操控信號(hào)、反饋信號(hào)完成兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過總線將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送至電機(jī)控制器。

基于車輛動(dòng)力學(xué)理論，車輛行駛過程中除了受牽引力作用外，還受行駛阻力作用，主要包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力等。當(dāng)車輛行駛在路面坡度為θ的硬路面上時(shí)，受力情況如圖2所示。

地面滾動(dòng)阻力為

Ff=fmg

(1)

式中:f為滾動(dòng)阻力系數(shù);m為車輛質(zhì)量。

空氣阻力為包括車輛行駛過程中所受的空氣摩擦阻力和壓力阻力，可用下式公式估算：

(2)

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；v為車輛行駛速度；A為迎風(fēng)面積，A=σBH，B為履帶中心距，H為全車高，σ為修正系數(shù)，在0.8～0.9之間。

加速阻力是車輛加速行駛時(shí)需要克服的慣性力

(3)

式中，δ為車輛質(zhì)量增加系數(shù)。

車輛的質(zhì)量增加系數(shù)可按下式計(jì)算：

(4)

式中：m1為履帶質(zhì)量；jk為各旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ik為第k個(gè)旋轉(zhuǎn)部件到主動(dòng)輪的傳動(dòng)比；r為主動(dòng)輪半徑。

則可得車輛的總制動(dòng)力需求為

(5)

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)速度，算法設(shè)計(jì)過程中可以忽略其內(nèi)部復(fù)雜電磁作用時(shí)間，只考慮機(jī)械時(shí)間常數(shù)，并重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入輸出能力上，其數(shù)學(xué)模型可采用電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線進(jìn)行幅值約束，并采用一階慣性環(huán)節(jié)擬合電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的方法進(jìn)行分析，電機(jī)實(shí)際輸出電磁轉(zhuǎn)矩為

(6)

(7)

筆者不深入研究液壓制動(dòng)作用機(jī)理，采用面向?qū)ο蟮慕７椒?，模擬輸入輸出特性，其動(dòng)態(tài)方程為

(8)

2　控制策略研究

電制動(dòng)力的引入為提高車輛制動(dòng)效率提供了可能，機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的分配控制，應(yīng)該圍繞以下兩方面：

1)合理分配機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)的制動(dòng)力，在不影響制動(dòng)性能的前提下，力求盡可能多地回收能量，以增強(qiáng)車輛續(xù)航能力。

2)根據(jù)電氣制動(dòng)力實(shí)時(shí)變化情況，在線動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)電復(fù)合制動(dòng)分配系數(shù)，使制動(dòng)踏板與制動(dòng)力矩的近似成線性關(guān)系，提高車輛制動(dòng)的平順性。

根據(jù)車輛制動(dòng)強(qiáng)度，將制動(dòng)分為緊急制動(dòng)模式、中度制動(dòng)模式和輕度制動(dòng)模式。緊急制動(dòng)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)不可預(yù)見的緊急情況時(shí)，需要車輛緊急停車，此時(shí)應(yīng)由制動(dòng)器產(chǎn)生盡可能大的制動(dòng)加速度使車輛迅速減速直至停車，目標(biāo)制動(dòng)強(qiáng)度大，一般z≥0.7；中度制動(dòng)對(duì)應(yīng)于車輛在正常行駛工況下的制動(dòng)過程，制動(dòng)強(qiáng)度0.1

除此之外，制動(dòng)力分配還受車速因素影響，行駛速度較高時(shí)，機(jī)械制動(dòng)摩擦劇烈，從延長(zhǎng)機(jī)械制動(dòng)器使用壽命出發(fā)，應(yīng)該優(yōu)先采用電氣制動(dòng)，車速較低時(shí)，電氣制動(dòng)能力減弱，此時(shí)應(yīng)該主要采用機(jī)械制動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛停車。

綜上所述，影響制動(dòng)力分配的主要有踏板角度、車輛速度兩因素，考慮以此為輸入，采用模糊分配的方法，進(jìn)行分配比例的動(dòng)態(tài)調(diào)整，模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1　制動(dòng)力模糊分配規(guī)則表

模糊控制輸入輸出變量關(guān)系曲面如圖3所示。

規(guī)模型改造綜合模式就是結(jié)合一種或多種模式的優(yōu)點(diǎn),將礦冶文化遺產(chǎn)改造成為兼具多種功能的場(chǎng)所。經(jīng)過改造的礦冶文化遺產(chǎn)多數(shù)具有旅游功能,且能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益,但這種改造往往會(huì)產(chǎn)生較大的變動(dòng),特別是對(duì)遺址內(nèi)部會(huì)有很多改動(dòng),往往使一些礦冶文化遺產(chǎn)徒有其表,導(dǎo)致遺址部分文化內(nèi)涵消失。因此,這種模式只適用于一般的近現(xiàn)代礦冶文化遺產(chǎn)。例如德國(guó)蓋爾森基辛德煉鋼廠被改造成一個(gè)大型的購(gòu)物中心,工廠內(nèi)部大規(guī)模的改動(dòng)對(duì)礦冶文化遺產(chǎn)造成了一定的破壞。

值得說明的是，電機(jī)制動(dòng)能力首先受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速很低時(shí)無回收制動(dòng)能力,隨著轉(zhuǎn)速的升高進(jìn)入恒制動(dòng)轉(zhuǎn)矩區(qū),隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)下降狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速函數(shù)Tmax_e(ω)變化曲線如圖4所示,圖中ωf0為轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速。其次，受電池SOC影響，SOC值較高時(shí)，電池?zé)o法回收制動(dòng)能量，電制動(dòng)能力應(yīng)該相應(yīng)降低。

制定以下分配函數(shù)：

Tmax_e(p,ω)=2h(p)Tmax_e(ω)i

(9)

SOC約束函數(shù)h(p)為

(10)

式中：pmax、pmin為允許充電的SOC范圍；p0為允許最大功率充電的SOC值。

期望制動(dòng)力矩為

(11)

式中：δ為制動(dòng)踏板行程；δmax為制動(dòng)踏板最大有效行程；δ0為制動(dòng)踏板最小有效行程；Tb_max為最大制動(dòng)力。

電氣制動(dòng)期望力矩為

(12)

機(jī)械制動(dòng)期望力矩為

(13)

進(jìn)而可得出總的制動(dòng)力控制分配策略結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的構(gòu)建

為了驗(yàn)證分配控制策略的性能，筆者構(gòu)建了控制原型實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，包括上位機(jī)、dSAPCE控制器仿真平臺(tái)、RT-LAB電驅(qū)動(dòng)與高壓供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)、Vortex動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)，如圖6所示。上位機(jī)基于Controldesk軟件界面通過光纖實(shí)現(xiàn)操控信號(hào)的給定、參數(shù)的在線調(diào)整;dSAPCE仿真平臺(tái)主要進(jìn)行制動(dòng)分配控制算法的實(shí)時(shí)仿真，計(jì)算機(jī)械電氣制動(dòng)系統(tǒng)力矩,通過CAN總線發(fā)送至RT-LIB電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái);RT-LIB主要計(jì)算輸出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩； Vortex多體動(dòng)力學(xué)軟件仿真平臺(tái)主要進(jìn)行履帶車輛的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并通過PCI_CAN總線通行卡反饋至dSAPCE仿真平臺(tái)、RT-LIB仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣、控制系統(tǒng)的一體化聯(lián)合仿真[14]，仿真參數(shù)如表1所示。

表1　車輛仿真基本參數(shù)

參數(shù)數(shù)值整車質(zhì)量m/kg8000履帶接地長(zhǎng)/m2.975履帶中心距/m1.985側(cè)傳動(dòng)比i10.12主動(dòng)輪半徑r/m0.25地面最大附著系數(shù)0.8滾動(dòng)阻力系數(shù)0.05母線電壓/V550驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率/kw80驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)480驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速/(N·m)3200額定轉(zhuǎn)矩/(N·m)254發(fā)電機(jī)功率/kw190電池容量/(A·h)50電池SOC0.7超級(jí)電容容量/F4.8

3.2仿真試驗(yàn)

3.2.1輕度制動(dòng)工況

輕度制動(dòng)工況的仿真曲線如圖7所示。從7(a)可知，3 s時(shí)輕踩制動(dòng)踏板開度至15%，并保持恒定直至18 s完全松開。由7(b)知整個(gè)制動(dòng)時(shí)間大約為14.5 s。

加速踏板踩下速度較緩，系統(tǒng)識(shí)別為輕度制動(dòng)，如7(c)所示根據(jù)制動(dòng)力控制分配策略，制動(dòng)過程主要以電氣制動(dòng)為主，便于回收制動(dòng)能量，降低機(jī)械摩擦制動(dòng)的磨損，直至車速降至較低時(shí)，為了滿足車輛停車要求，機(jī)械制動(dòng)力逐漸投入，車輛接近停車時(shí)，全部采用機(jī)械制動(dòng)，與數(shù)字仿真相比，不同之處在于中高速行駛時(shí)，由于電機(jī)采用弱磁控制且輸出轉(zhuǎn)矩較低導(dǎo)致電氣制動(dòng)力存在高頻脈動(dòng)，可能影響制動(dòng)的平順性。

由功率變化曲線7(d)可以看出，制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容最先吸收能量，母線泵升電壓至閾值以上時(shí)，動(dòng)力電池進(jìn)入充電模式以內(nèi)，能夠抑制母線電壓過高。電池回收功率達(dá)到峰值65 kW，回收時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)盡可能多回收制動(dòng)能量的控制目標(biāo)。

3.2.2中度制動(dòng)工況

中度制動(dòng)工況的仿真曲線如圖8所示。從圖8(a)可知，3 s時(shí)輕踩制動(dòng)踏板開度至約39%，直至12 s時(shí)松開。由8(b)知整個(gè)制動(dòng)時(shí)間大約為8 s。

中度制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力矩需求較大，單獨(dú)依靠電氣制動(dòng)力難以滿足制動(dòng)需求，制動(dòng)力分配曲線如圖8(c)所示，機(jī)械制動(dòng)全程參與整個(gè)制動(dòng)過程，其中高速階段電氣制動(dòng)發(fā)揮主要作用，主電機(jī)恒功率工作區(qū)(對(duì)應(yīng)車速30 km/h以上)，電氣制動(dòng)能力處于飽和狀態(tài)，能夠充分利用電制動(dòng)回收能量。隨著車速的降低電氣制動(dòng)回收能力減弱，機(jī)械制動(dòng)逐漸起主要作用。

由功率變化圖8(d)可以看出超級(jí)電容率先投入吸收功率，母線泵升電壓至閾值以上時(shí)動(dòng)力電池進(jìn)入充電模式以內(nèi)，開始回饋功率，其中制動(dòng)前半段電氣制動(dòng)強(qiáng)勁幾乎已滿功率制動(dòng)，電池最大回收功率達(dá)到65 kW，能量回收率較高，母線電壓泵升速度較快，最高達(dá)585 V，但在允許波動(dòng)范圍之內(nèi)。

3.2.3重度制動(dòng)工況

重度制動(dòng)工況的仿真曲線如圖9所示。從圖9(a)可知，4 s時(shí)輕踩制動(dòng)踏板開度至約68%，直至10 s時(shí)松開。由9(b)知整個(gè)制動(dòng)時(shí)間大約為6 s。

圖9(c)為液壓制動(dòng)力矩和電氣制動(dòng)力矩變化

曲線，重度制動(dòng)過程中，電氣制動(dòng)率先投入使用且主要作用在中高速段，電氣制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間比機(jī)械制動(dòng)快0.3 s以上，一定程度上能夠提高制動(dòng)響應(yīng)速度，同時(shí)回收部分制動(dòng)能量，但整個(gè)制動(dòng)過程液壓制動(dòng)所占比重較大，以確?？煽康闹苿?dòng)停車。整個(gè)制動(dòng)過程中，車速變化平穩(wěn)，制動(dòng)效果良好。

整個(gè)制動(dòng)過程中的電氣功率的變化曲線如圖9(d)所示，可以看出制動(dòng)時(shí)母線功率為負(fù)值，超級(jí)電容首先發(fā)揮作用回收能量，當(dāng)母線電壓泵升至閾值以上時(shí)，動(dòng)力電池投入使用進(jìn)入充電狀態(tài)，部分能量再回收至電池中，表明超級(jí)電容在負(fù)載功率快速變化時(shí)，能快速吸收能量抑制母線電壓波動(dòng)，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電可靠。

4　結(jié)論

綜合考慮電機(jī)制動(dòng)能力、電池SOC狀態(tài)，提出了一種基于駕駛員踏板信號(hào)和車輛行駛速度雙輸入的模糊分配策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣制動(dòng)力動(dòng)態(tài)在線分配。

構(gòu)建了控制原型仿真平臺(tái)，多種制動(dòng)強(qiáng)度下的仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)混合動(dòng)力履帶車輛機(jī)械、電氣制動(dòng)力的協(xié)調(diào)分配，實(shí)現(xiàn)車輛的平穩(wěn)、可靠制動(dòng)以及能量的高效回收。

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Study on Electric-mechanical Combined Braking Distribution Strategy of Hybrid Electrical Vehicle

ZENG Qinghan1,2，WEI Shuguang1,2，WEI Wei3，MA Xiaojun1,2

(1.Laboratory of All-electrization Technology, Academy of Armored Force Engineering, Bejing100072，China；2.Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Bejing100072，China；3.Beijing Special Vehicle Institute, Beijing100072，China)

For the achievement of the braking stability of dual-motor hybrid tracked vehicle with electric-mechanical combined braking system, the braking moment distribution method is proposed based on fuzzy principle. First, the fuzzy controller of braking moment distribution coefficient with accelerate pedal signal and drive velocity as input was designed. And the constraint of electric brake was taken into account for the improvement of matching performance. Then, the electrical drive system, mecha-nical brake system and vehicle dynamical real-time model were set up with the braking process simulated in different braking intensities. The simulation results indicate that the combined braking fuzzy control system can recover some braking energy and realize stable braking.

electrical engineering; hybrid vehicle; tracked vehicle; electric-mechanical combined braking; fuzzy control

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.010

2015-11-10

院?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(12050005)

曾慶含(1988—)，男，博士研究生，主要從事軍用車輛電氣工程研究。E-mail：cqh_zgy@163.com

魏曙光(1975—)，男，副教授，主要從事車輛電源系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：shuguang_wei@163.com

TJ81

A

1673-6524(2016)02-0046-06