串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)輛制動(dòng)能量回饋控制策略研究

伍豐，張靈芝，鄧景新

串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)輛制動(dòng)能量回饋控制策略研究

伍豐，張靈芝，鄧景新

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

論文介紹了混合動(dòng)力車(chē)輛能量回饋技術(shù)的現(xiàn)狀，明確了串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量體配置方案，分析了目前混合動(dòng)力車(chē)輛所采用的能量回饋控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種考慮能量體溫度影響的制動(dòng)能量回饋模糊控制策略，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

模糊控制；制動(dòng)能量回饋；混合動(dòng)力

前言

隨著儲(chǔ)能技術(shù)和電傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)車(chē)輛因其具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、噪音小、加速快等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到市場(chǎng)的認(rèn)可，但由于高能量密度和高功率密度的儲(chǔ)能技術(shù)問(wèn)題并未完全解決，混合動(dòng)力將是必經(jīng)之路，混合動(dòng)力車(chē)輛具有高性能、低排放、工作方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。如果能制定合理的控制策略，將大大降低燃油消耗，根據(jù)西門(mén)子ELFA系統(tǒng)的控制策略省油總結(jié)，混合動(dòng)力車(chē)輛系統(tǒng)整體節(jié)油大于40%；而這40%的節(jié)油率中，制動(dòng)能量回饋對(duì)節(jié)油貢獻(xiàn)為20%，因此做好整車(chē)制動(dòng)回饋可以使節(jié)能更加高效，延長(zhǎng)車(chē)輛的電動(dòng)續(xù)航里程。

1 混合動(dòng)力車(chē)輛能量回饋技術(shù)

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按動(dòng)力傳輸方式的不同，可以將混合動(dòng)力分類(lèi)分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式、復(fù)合式。圖1給出了這幾種混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

并聯(lián)式和混聯(lián)式使用發(fā)動(dòng)機(jī)和牽引電機(jī)兩種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)兩種方式并存，由于存在機(jī)械傳動(dòng)，不能適用于全電化車(chē)輛，且混聯(lián)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦設(shè)計(jì)有偏差故障率較高。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能不僅可以給牽引電機(jī)提供電能，多余的電能還可以給能量體充電，讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)。由于能量都以電能的形式傳遞，因此既可以適用于橋式電機(jī)方案，也可以用于輪轂電機(jī)方案，尤其適用于特種車(chē)輛的全電化改造；串聯(lián)式混合動(dòng)力在城市公交和乘用轎車(chē)上都有成熟應(yīng)用，圖2給出了采用串聯(lián)式混合動(dòng)力的雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)布置圖[1]。

1.2 儲(chǔ)能裝置

在用電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能裝置中，鉛酸電池的歷史最久，其1890年開(kāi)始量產(chǎn)，具有價(jià)格低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，在目前的儲(chǔ)能市場(chǎng)中占比近90%，但由于其能量密度只有30 W·h/kg～45 W·h/kg，使用壽命短，在混合動(dòng)力汽車(chē)上使用較少，市場(chǎng)占有率也在逐年下降；鎳氫電池比鉛酸電池具有更高的比功率，但價(jià)格較高，如果在車(chē)上配備大容量的電池，將會(huì)大大增加車(chē)輛成本，因而鎳氫電池一般只適用于電能配比較低的非插電式的混合動(dòng)力車(chē)輛，鋰電池雖然比功率不及鎳氫，但克服了鎳氫電池比能量低的缺點(diǎn)，因而在插電式的混合動(dòng)力車(chē)輛上得到了廣泛應(yīng)用，各種儲(chǔ)能裝置的性能對(duì)比如表1所示。

圖2 雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)布置圖

從表1可以看出，鋰電池和雙層超級(jí)電容的性能正好能做到優(yōu)劣互補(bǔ)，配備鋰電池組合超容組的混合動(dòng)力車(chē)輛可以擁有較強(qiáng)的純電動(dòng)續(xù)航里程和較大的瞬時(shí)電功率，因而本文所研究的混合動(dòng)力車(chē)輛選用鋰電池和雙電層超級(jí)電容的組合方案，組合原理如圖3所示，該方案可以通過(guò)調(diào)節(jié)雙向DC/DC變換器的工作狀態(tài)來(lái)控制超容組的輸入和輸出功率。

圖3 儲(chǔ)能裝置組合方案

表1 儲(chǔ)能裝置性能對(duì)比

類(lèi)型比功率/(W/kg)比能量/(W·h/kg)工作電壓/V工作溫度/℃循環(huán)壽命/次 鉛酸電池100～30030～452?30～55400～600 鎳氫電池500～1 000801.2?20～601 000 鋰電池250～45090～1603.2?20～552 000 雙電層超容7 000～12 0005～62.7?40～65100萬(wàn) 混合水系電容400～800121.5?20～555萬(wàn) 鋰離子超容800～2 0008～124?25～7010萬(wàn)

1.3 能量回饋的一般控制策略

出于安全考慮，混合動(dòng)力車(chē)輛的電制動(dòng)一般要遵循以下基本原則，其一是車(chē)輛應(yīng)在容許的范圍內(nèi)最大限度地回收制動(dòng)能量，但如果車(chē)輪的滑移率大于0（0通常取0.2）時(shí)，應(yīng)該放棄電制動(dòng)改為機(jī)械制動(dòng)以保證車(chē)輛的安全性；其二是分配給能量體的制動(dòng)功率不能大于能量體的吸收能力；其三是要滿足前后輪地面制動(dòng)力分配曲線。為了高效地回收制動(dòng)能量，需要對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛的電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行合理分配，目前使用較為廣泛的是按制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分段，即當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小于1（1的取值通常在0.1到0.3之間）時(shí)采用電制動(dòng)，制動(dòng)強(qiáng)度在1到2（2通常取0.7）之間時(shí)采用電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)同時(shí)工作，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度大于2時(shí)，出于安全考慮不再使用電制動(dòng)，制動(dòng)力全部由機(jī)械制動(dòng)提供。

目前較為常用的能量回收策略有門(mén)限開(kāi)關(guān)法和智能控制法，門(mén)限開(kāi)關(guān)法是預(yù)先設(shè)置若干個(gè)門(mén)限值，當(dāng)變量的值達(dá)到門(mén)限值后開(kāi)啟或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的功能，該方法控制思路簡(jiǎn)單，但由于控制規(guī)則固定，能量回饋的效率較低；隨著智能控制技術(shù)的逐漸成熟，智能控制策略越來(lái)越多的應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車(chē)中來(lái)，但大部分的研究都是針對(duì)牽引過(guò)程，文獻(xiàn)嘗試將模糊控制策略引入到制動(dòng)過(guò)程中來(lái)，但因沒(méi)有考慮到電池溫度等參數(shù)，勢(shì)必大大影響電池壽命和性能，不適宜在實(shí)際過(guò)程中應(yīng)用[2]。

2 基于模糊邏輯的能量回饋控制策略

2.1 控制流程

制動(dòng)能量回饋需要綜合考慮制動(dòng)強(qiáng)度、能量體吸收電功率的能力以及制動(dòng)安全性等方面的問(wèn)題，采用常規(guī)的控制方法邏輯復(fù)雜、回收效率較低，因而本文提出了一種以能量體電量、能量體溫差和制動(dòng)強(qiáng)度為輸入，以代表電制動(dòng)分配比例的電制動(dòng)系數(shù)為輸出的模糊控制策略，其控制流程為駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，前后輪制動(dòng)分配器根據(jù)制動(dòng)力分配曲線計(jì)算出分配給前、后輪的制動(dòng)力，同時(shí)模糊控制器接收來(lái)自能量管理單元的鋰電池電量、鋰電池溫度差、超容電量及制動(dòng)強(qiáng)度信息，經(jīng)過(guò)模糊推理和解模糊后輸出電制動(dòng)系數(shù)，制動(dòng)力分配器綜合制動(dòng)強(qiáng)度、電制動(dòng)分配系數(shù)、前輪制動(dòng)力、后輪制動(dòng)力等信息，計(jì)算出分配給液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)的制動(dòng)力矩。在超容組和鋰電池組的功率分配關(guān)系上，堅(jiān)持超容優(yōu)先的原則[3-4]。

SOCB—電池組SOC；SOCC—超容組SOC；?Tb—電池組當(dāng)前溫度與理想溫度的差值；Z—制動(dòng)前度；Ke—電制動(dòng)系數(shù)。

2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.2.1模糊化

本系統(tǒng)中制動(dòng)強(qiáng)度、電池組SOC和超容組SOC的輸入范圍均是[0,1]，?代表的是電池組當(dāng)前溫度與理想工作溫度之間的差值，對(duì)?進(jìn)行歸一化處理后其輸入范圍也是[0,1]。對(duì)輸入輸出量論域做如下定義：()={LE,GE}、()={LE,GE}、(?)={LE,ME,GE}、()={LE,ME, GE}、()={LE,ML,ME,MB, GE}，以上定義中LE代表較小、ME代表中、GE代表較大、ML代表中小、MB代表中大。根據(jù)仿真對(duì)比，最終確立的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

2.2.2模糊規(guī)則的建立

能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算出電池組和超容組的剩余電量和溫度，模糊控制器根據(jù)電量、溫差、踏板等輸入?yún)?shù)，通過(guò)模糊推理計(jì)算出相應(yīng)的輸出，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求，可以總結(jié)出如下的模糊控制規(guī)則：

（1）為了盡可能多地回收制動(dòng)能量，在保證安全的前提下，優(yōu)先使用電制動(dòng)；

（2）制動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，由于機(jī)械制動(dòng)的可靠性比電制動(dòng)高，出于安全考慮，減小電制動(dòng)的使用；

（3）若超容沒(méi)有充滿，考慮到超容能吸收較大的電功率，此時(shí)可以分配較大的電制動(dòng)系數(shù)；

（4）超容的電量充滿后，如果電池組的溫差較小，且電池組沒(méi)有充滿，說(shuō)明電池組可以吸收電制動(dòng)功率，此時(shí)分配一個(gè)中等大小的電制動(dòng)系數(shù)；

（5）超容和鋰電池都無(wú)法吸收制動(dòng)功率時(shí)，停止使用電制動(dòng)。

根據(jù)以上規(guī)則建立如下的模糊規(guī)則表。

表2 模糊控制規(guī)則表

E(Z)=LEE(Z)=MEE(Z)=GE SOCBSOCC△TbKeSOCBSOCC△TbKeSOCBSOCC△TbKe LELELEGELELELEGELELELEML LELEMEGELELEMEGELELEMEML LELEGEGELELEGEGELELEGEML LEGELEGELEGELEMBLEGELEML LEGEMEGELEGEMEMELEGEMEML LEGEGELELEGEGELELEGEGELE GELELEGEGELELEGEGELELELE GELEMEGEGELEMEGEGELEMELE GELEGEGEGELEGEGEGELEGELE GEGELELEGEGELELEGEGELELE GEGEMELEGEGEMELEGEGEMELE GEGEGELEGEGEGELEGEGEGELE

2.2.3解模糊

解模糊采用工業(yè)控制中常用的加權(quán)平均法解模糊，其計(jì)算公式如下：

式中v為輸入；k為加權(quán)系數(shù)；為模糊規(guī)則總數(shù)。

當(dāng)解模糊后的輸出量電制動(dòng)系數(shù)大于0.9時(shí)表示制動(dòng)能量全部由電制動(dòng)吸收，小于0.1時(shí)表示不使用電制動(dòng)，處于二者之間時(shí)電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)同時(shí)使用。

2.2.4仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink中建立汽車(chē)的仿真模型，按整車(chē)參數(shù)表3設(shè)置好相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真時(shí)間16 s，

得到圖7所示的仿真結(jié)果，其中踏板的輸入為正時(shí)表示車(chē)輛處于牽引狀態(tài)，輸入為負(fù)時(shí)表示制動(dòng)狀態(tài)[5]。

表3 整車(chē)仿真參數(shù)表

參數(shù)名參數(shù)值參數(shù)名參數(shù)值 滿載質(zhì)量/kg1 310整備質(zhì)量/kg1 100 軸距/m2.6質(zhì)心高度/m0.56 風(fēng)阻系數(shù)0.30迎風(fēng)面積/m22.0 滾動(dòng)阻力系數(shù)0.011電機(jī)額定功率/kW65 電池組配置/kwh14超容組配置/kwh0.25

從仿真結(jié)果(a)可以看出，制動(dòng)強(qiáng)度很小或者為0時(shí)，分配了最大的電制動(dòng)系數(shù)，制動(dòng)強(qiáng)度增加后，電制動(dòng)的分配系數(shù)有所減小，超容電量充滿后，考慮電池的充電能量，電制動(dòng)系數(shù)被進(jìn)一步的減小；從仿真結(jié)果(b)可以看出，當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)開(kāi)始發(fā)電進(jìn)行能量回饋，仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)相符。

圖6 仿真模型

圖7 仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文首先對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、能量體配置、能量回饋的一般控制策略等做了介紹，通過(guò)對(duì)當(dāng)前能量回饋策略的總結(jié)與優(yōu)化，提出了一種使用制動(dòng)強(qiáng)度、能量體電量、電池組溫度作為輸入，以電制動(dòng)分配系數(shù)作為輸出的模糊控制策略，并通過(guò)MATLAB仿真對(duì)制動(dòng)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

[1] 黃稟通,朱建軍,周忠偉,等.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)模糊控制策略?xún)?yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2020(12):293-297.

[2] 聶小博,熊玥,潘勇軍.基于模糊PID算法的車(chē)身穩(wěn)定控制策略與多工況聯(lián)合仿真[J].動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào),2021,19(03):46-52.

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Research on Braking Energy Feedback Control Strategy of Series Hybrid Electric Vehicle

WU Feng, ZHANG Lingzhi, DENG Jingxin

( Hunan Vocational College of Railway Technology, Hunan Zhuzhou 412006）

This paper introduces the current situation of energy feedback technology of hybrid electric vehicles, defines the drive system and energy configuration scheme of series hybrid electric vehicles, analyzes the advantages and disadvantages of the current energy feedback control strategy used in hybrid electric vehicles, A fuzzy control strategy of braking energy feedback considering the influence of energy body temperature is proposed, and the feasibility of the control strategy is verified by simulation analysis.

Fuzzy control; Braking energy feedback;Hybrid electric vehicles

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.014

U463.2

A

1671-7988(2021)21-55-05

U463.2

A

1671-7988(2021)21-55-05

伍豐，碩士，工程師，就職于湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：20B393）。