戴彥 田紅霞

摘要：針對(duì)一款混合電動(dòng)汽車，建立ISG電機(jī)模型和電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系模型，在滿足ECE（Economic Commission of Europe，簡(jiǎn)稱ECE）基礎(chǔ)上，為了保證汽車駕駛員的良好體驗(yàn)感和駕駛安全性，設(shè)計(jì)了一種基于能量最大化的制動(dòng)能量回收控制策略，此控制策略對(duì)制動(dòng)時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行目標(biāo)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，把優(yōu)化后的電機(jī)最佳工作點(diǎn)用于制動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)采用魯棒控制方法控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。仿真結(jié)果分析，控制效果良好。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;能量制動(dòng);魯棒控制

0? 引言

近百年來(lái)，汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)人類生活出行產(chǎn)生了巨大變化。經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的沉淀發(fā)展，汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)達(dá)程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的重要指標(biāo)。然而，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量逐年加速增長(zhǎng)，它所引起的能源消耗，環(huán)境污染，交通堵塞等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)今社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有悖于世界可持續(xù)發(fā)展的宗旨。為了解決這些問(wèn)題，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始尋求破解方法，新能源汽車開始發(fā)展。近些年，福特、本田、豐田等各大知名汽車生產(chǎn)企業(yè)相繼推出新能源電動(dòng)汽車。但是，電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)燃料汽車，其不足之處只要體現(xiàn)在續(xù)航里程不足、充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，極端氣候條件適應(yīng)能力不佳等方面。其中，如何增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是研究的重中之重。

電動(dòng)汽車能量回收的能力是電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的主要表現(xiàn)。在汽車制動(dòng)過(guò)程中，設(shè)計(jì)控制策略將電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，存放于存儲(chǔ)單元中，可以顯著提高電動(dòng)汽車的能量利用率。

縱觀電動(dòng)汽車能量回收技術(shù)的發(fā)展歷史，根據(jù)關(guān)注點(diǎn)的不同，各種能量回收控制策略被提出，比如最大功率能量回收控制策略、最大效率能量回收控制策略、恒定力矩制動(dòng)能量回收控制策略、恒定充電電流能量回收控制策略等，這些能量回收控制策略都是針對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)中某一個(gè)單一性能而設(shè)計(jì)的，未曾考慮其他性能，實(shí)際應(yīng)用能量回收效果未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。電動(dòng)汽車的能量回饋制動(dòng)設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)基本問(wèn)題：一是如何在回饋制動(dòng)和摩擦制動(dòng)之間分配所需要的制動(dòng)力，盡量可能多的回收制動(dòng)能量;二是如何在前、后軸上分配總制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制動(dòng)性能。針對(duì)解決這兩個(gè)問(wèn)題，目前廣泛研究應(yīng)用的三種制動(dòng)力分配策略有理想制動(dòng)力分配控制策略、并聯(lián)制動(dòng)控制策略、最大再生制動(dòng)控制策略。

制動(dòng)能量回收能力是電動(dòng)汽車最重要的特點(diǎn)之一。能量回收的核心在于在汽車制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車的動(dòng)能根據(jù)控制策略的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在能量存儲(chǔ)單元中，用來(lái)提高電動(dòng)汽車的能量利用率，達(dá)到續(xù)航里程的目的。汽車行駛、制動(dòng)中的安全性是汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手首要考慮的問(wèn)題，主要包括如何快速使車速降低以及保證汽車制動(dòng)時(shí)其方向的平穩(wěn)性。保證安全性在制動(dòng)力控制上的具體體現(xiàn)為如何合理分配前兩后輪的最大制動(dòng)力。在電動(dòng)汽車實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械摩擦制動(dòng)與電制動(dòng)是同時(shí)存在的，如何保證電動(dòng)汽車的良好智能性能以及盡可能的回收制動(dòng)時(shí)的能量，是能量制動(dòng)控制策略的控制目標(biāo)。兩種性能指標(biāo)往往對(duì)制動(dòng)力的要求不同，因此制動(dòng)控制策略的主要目的是尋求兩者間的最優(yōu)化平衡點(diǎn)。南京航空航天大學(xué)的趙國(guó)棟等人在同時(shí)考慮了汽車行駛安全性與駕駛員制動(dòng)良好體驗(yàn)的前提下，研究了一種高效率能量回收系統(tǒng)[1]。合肥工業(yè)大學(xué)的楊亞娟等人在汽車防抱死技術(shù)的基礎(chǔ)上，在提高制動(dòng)操控性與穩(wěn)定性的前提下，設(shè)計(jì)了最大能量制動(dòng)方法[2][3]。

目前，常用的三種控制策略有：理想制動(dòng)力分配曲線、最優(yōu)能量回收和并聯(lián)分配策略[4]。

1? 最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定

1.1 邊界約束條件的確定

如圖1給出前后車輪制動(dòng)力分配的可行區(qū)域，圖中所示，假設(shè)電動(dòng)汽車在良好光滑水平的水泥路面上行駛，路面附著系數(shù)為0.75。圖1中曲線1、曲線2、曲線3規(guī)定區(qū)域?yàn)槌跏冀缍ǖ那昂筌囕喼苿?dòng)力分布區(qū)。

其中，曲線1表示理想制動(dòng)力分配曲線，如式（1）所示。

式中：Fz1表示為地面對(duì)前軸車輪的反向作用力、Fz2表示為地面對(duì)后軸車輪的正法向作用力;hg表示為汽車的質(zhì)點(diǎn)中心與地面之間的高度;L表示為汽車前后輪的軸距、a、b表示分質(zhì)點(diǎn)中心到前軸距離和質(zhì)心到后軸距離。

曲線2表示簡(jiǎn)化后的ECE規(guī)則曲線，如式（2）所示。

曲線 3表示為當(dāng)φ=0.9的f線，可用式（3）表示。

對(duì)于速度較小時(shí)的制動(dòng)需求，比如假設(shè)j=0.3g時(shí)，此時(shí)前制動(dòng)力，后制動(dòng)力都可以沿線段a、b進(jìn)行任意分配。假如電動(dòng)汽車電機(jī)可以提供給汽車車輪的制動(dòng)力數(shù)值大于或者等于點(diǎn)b所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值時(shí)，前后車輪的制動(dòng)力分配值按點(diǎn)b的橫坐標(biāo)分配。前車輪的機(jī)械制動(dòng)力值由點(diǎn)f的值確定。假如電機(jī)可以提供給車輪的再生制動(dòng)力小于點(diǎn)b所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值，并且大于點(diǎn)a的橫坐標(biāo)值，用g表示，則前后制動(dòng)力分配按點(diǎn)g對(duì)應(yīng)值分配。若電動(dòng)汽車電機(jī)能提供的制動(dòng)力的值小于點(diǎn)a的對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值，則前后輪制動(dòng)力分配按點(diǎn)a點(diǎn)值進(jìn)行分配。

1.2 最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

電動(dòng)汽車電機(jī)的轉(zhuǎn)矩加載到前后車輪處的制動(dòng)力為：

其中：Tm表示電動(dòng)汽車電機(jī)的轉(zhuǎn)矩;r0表示主減速比;r表示變速度比;R表示汽車車輪半徑;η1表示傳動(dòng)效率。

汽車行駛速度可以表示為

其中：n為電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)速。

因此，再生制動(dòng)的功率為：

為了能夠回收到最大的制動(dòng)能量，需要知道不同的轉(zhuǎn)速、制動(dòng)的減速度和電池荷電狀態(tài)下電池的最大充電功率Pchar，即為所求優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為maxPchar。

2? 控制策略實(shí)驗(yàn)分析

測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境為干燥的水泥路面，進(jìn)行不同模式的制動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)。給定初始速度為100千米/小時(shí)，分別進(jìn)行輕度制動(dòng)、中度制動(dòng)和重度制動(dòng)試驗(yàn)。假設(shè)試驗(yàn)中不存在車輛抱死狀況的發(fā)生。表1給出了不同工況模式下，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收率。

由表1可以看出，對(duì)比三種不同程度的制動(dòng)力，因?yàn)橹苿?dòng)減速度比較大，電動(dòng)汽車電機(jī)可以施加到車輪的的制動(dòng)力受其本身能力所限，機(jī)械制動(dòng)隨著減速度的增大而所占重加大，因而制動(dòng)能量回的收率降低。

3? 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了最大能量回收再生制動(dòng)控制策略的研究。在需要滿足ECE制動(dòng)法規(guī)的基礎(chǔ)上，即考慮了司機(jī)行駛時(shí)良好的制動(dòng)感覺(jué)，同時(shí)以整體效率最優(yōu)化為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了最大能量回收制動(dòng)控制策略。針對(duì)不同制動(dòng)力進(jìn)行了道路試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙國(guó)棟.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)穩(wěn)定性研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[2]楊亞娟，趙韓，朱茂飛.電動(dòng)汽車最大能量回收再生制動(dòng)控制策略的研究[J].汽車工程，2013，35（2）：105-110.

[3]郭金剛，王軍平，曹秉剛.電動(dòng)車最大化能量回收制動(dòng)力分配策略研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（5）：607-611.

[4]張京明，崔勝民，宋寶玉，孫剛.一種趕緊的再生制動(dòng)控制策略優(yōu)化[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（3）：246-250.

[5]宋劍鋒，張欣，田毅，周能輝.輕度并聯(lián)混合動(dòng)力總成控制策略的研究.汽車工程，2011，33（6）：472-476.