參考濟(jì)南道路工況的純電動汽車能量回饋策略

黃萬友， 程勇， 曹紅， 張海波

(1．山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061;2．山東寶雅新能源汽車有限公司，山東濟(jì)南 251010)

0 引言

能量回饋可以有效回收電動汽車滑行和制動過程中的能量，對提高整車能量利用率及延長續(xù)駛里程具有重要意義［1］。能量回饋包括滑行能量回饋和制動能量回饋，電動汽車能量回饋過程可控，回饋電流可柔性調(diào)節(jié)，因此可以通過優(yōu)化控制策略使制動效果與能量回收效果達(dá)到綜合最佳［2］。

能量回饋控制策略的優(yōu)化目標(biāo)是在確保乘客舒適性的前提下，提高能量回收效率［3］。國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞能量回饋控制策略的開發(fā)、回饋模式的實(shí)現(xiàn)及制動有效性的評價(jià)等進(jìn)行了大量研究［4－6］。謝長君等人針對能量回饋時(shí)電機(jī)制動力矩的控制，采用粒子群優(yōu)化算法對控制參數(shù)進(jìn)行了全局優(yōu)化，提高了能量利用率［7］;馮能蓮等人圍繞制動能量回饋系統(tǒng)和ABS協(xié)調(diào)匹配，對恒值能量回收、定速率能量回收及最大化能量回收模式的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，指出采用最大能量回收控制策略時(shí)制動能量回收效果最優(yōu)［8］;彭?xiàng)澋然谀：刂撇呗裕捎脵C(jī)械制動力矩與能量回饋制動力矩的動態(tài)調(diào)整方法，在保證制動安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)了制動能量的有效回收［9］。已有的研究工作多基于仿真技術(shù)進(jìn)行，未充分考慮車輛實(shí)際行駛工況對能量回饋的影響。

電動汽車回饋過程除與車輛參數(shù)、能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略等諸多因素相關(guān)外，還受到行駛工況的影響［10－11］。本文對濟(jì)南市車輛行駛工況進(jìn)行了測試分析，并基于該工況中車輛滑行和制動特點(diǎn)開發(fā)了能量回饋控制策略，采用純電動轎車進(jìn)行了實(shí)車測試驗(yàn)證。

1 濟(jì)南市道路工況分析

濟(jì)南市道路工況測試用純電動車輛參數(shù)為:整備質(zhì)量，1 059 kg;迎風(fēng)面積，2.82 m2;車輪半徑，273 mm;傳動系主減速比，4.778;擋位傳動比，1.424;磷酸鐵鋰電池組，77V/180 Ah;三相交流感應(yīng)驅(qū)動電機(jī)，7.5 kW/3 400 r/min;試驗(yàn)時(shí)車輛載荷為330 kg。試驗(yàn)中記錄了車輛車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電池組總電壓、總電流等參數(shù)。

1.1 行駛工況分析

對采集到的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行運(yùn)動學(xué)片段特征值分析、主成分分析及快速聚類分析，基于車速、道路坡度及車輛平均功率等能耗狀態(tài)信息構(gòu)建了如圖1所示的濟(jì)南市車輛行駛工況，行駛工況部分典型特征值如表1所示。

圖1 濟(jì)南市車輛行駛工況Fig．1 Representative driving cycle of Jinan

表1 濟(jì)南市車輛行駛循環(huán)部分典型特征值Table 1 Typical characteristic values of Jinan driving cycle

由表1可知，濟(jì)南市車輛行駛工況中車輛平均速度為17.36 km/h，車輛加減速比較頻繁，其中減速模式的時(shí)間比例為29.6%，滑行時(shí)間和制動時(shí)間占車輛總運(yùn)行時(shí)間的40.6%，平均減速度和平均下坡坡度分別為－0.55 m/s2和－2.33%?？梢娫跐?jì)南市區(qū)對純電動汽車高速滑行及制動時(shí)進(jìn)行能量回饋具有重要意義。

1.2 能量回饋速度特性及控制策略評價(jià)依據(jù)

車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)，每一瞬間能量E可表示為

圖2 濟(jì)南市車輛行駛工況下能量隨車速變化關(guān)系Fig．2 Energy dissipated over the speed range below the given speed

由圖2可知，完成濟(jì)南市一個循環(huán)工況所需的驅(qū)動能量為2 485 kJ，制動可回收能量為1 183 kJ，占驅(qū)動能量的47.5%。在車速10～45 km/h區(qū)間內(nèi)可回收的能量占整個循環(huán)制動能量的84.6%。由圖1及表1可知，濟(jì)南市車輛行駛工況中平均運(yùn)行速度為25.49 km/h，45 km/h以上的速度段所占比例較小，因此，圖2中45 km/h以上速度區(qū)間表現(xiàn)出的驅(qū)動能量及可回收能量很少?？紤]到車輛在低速時(shí)進(jìn)行能量回饋，可回收的能量很少，且驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電效率較低，甚至對于異步電機(jī)需要施加勵磁電流以得到轉(zhuǎn)子磁鏈，此時(shí)發(fā)電電流尚不能彌補(bǔ)建立轉(zhuǎn)子磁鏈所需電流，在低速時(shí)不宜進(jìn)行能量回饋，為此設(shè)定滑行能量回饋下限車速為10 km/h。

圖2給出了濟(jì)南市車輛行駛工況下可回收能量的最大值，可用于對所制定控制策略的完善程度進(jìn)行評價(jià)。

2 滑行能量回饋策略

在濟(jì)南市道路工況中，最高車速為60 km/h，但滑行時(shí)間比例為13.9%，濟(jì)南市為半盆地地形，道路具有較高坡度，使得車輛具有一定的滑行能量可供回收。進(jìn)行滑行能量回饋時(shí)，在維持車輛與傳統(tǒng)車輛駕駛性能相近的前提下，盡可能獲得最佳能量回饋效率。為此，對傳統(tǒng)汽車滑行時(shí)發(fā)動機(jī)的阻力進(jìn)行了測試，以此作為滑行能量回饋時(shí)電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩的參考，進(jìn)行車輛能量回收。

2.1 傳統(tǒng)車輛滑行時(shí)發(fā)動機(jī)阻力的測試

利用底盤測功機(jī)寄生功率的測量方法［12］，對車輛滑行時(shí)發(fā)動機(jī)阻力進(jìn)行了實(shí)車測試。測試時(shí)，利用反拖電機(jī)驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，使其線速度達(dá)到96 km/h以上，開始自由滑行，測量滾筒線速度vx和滑行時(shí)間Δtx，據(jù)式(3)計(jì)算得到底盤測功機(jī)寄生功率Pv1x;然后將車輛驅(qū)動輪置于滾筒上，驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，至96 km/h以上后，車輛油門踏板完全松開，在滾筒上帶擋滑行，重復(fù)上述過程，測試得到寄生功率Pv2x，進(jìn)而據(jù)式(4)計(jì)算得到車輛滑行時(shí)發(fā)動機(jī)阻力Pvx。

式中:Pv1x為vx速度時(shí)的寄生功率，kW;vx為(88，80，72，64，56，48，40，32，24)km/h;Δtx為(vx－vx－1)速度段的滑行時(shí)間，s;D為底盤測功機(jī)基本慣量。

實(shí)測長安新星SC6350C微型客車和福特蒙迪歐2.5 V6旗艦型自動擋轎車滑行時(shí)拖動發(fā)動機(jī)消耗功率如圖3所示。

圖3 車輛滑行時(shí)發(fā)動機(jī)阻力功率Fig．3 Conventional vehicles coasting resistance power

由圖可見，傳統(tǒng)車輛在滑行時(shí)，發(fā)動機(jī)的拖動功率較大，而電動汽車電機(jī)慣量較小，使得車輛在滑行時(shí)拖動功率相差較大。因此，在純電動車輛加速踏板回零時(shí)，參照傳統(tǒng)車輛反拖阻力，驅(qū)動電機(jī)施加滑行制動轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行滑行能量回饋。

2.2 能量回饋效率模型

為了進(jìn)行高效的滑行能量回饋，在純電動汽車動力總成關(guān)鍵部件性能測試試驗(yàn)臺上，研究了能量回饋效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩及電池組荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)之間的關(guān)系，得到了試驗(yàn)用車輛能量回饋效率模型如式(5)所示，該模型可為開發(fā)高效的滑行能量回饋控制策略提供依據(jù)。式中:η為能量回饋效率，%;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min，由于試驗(yàn)車輛驅(qū)動電機(jī)通過一固定速比直接驅(qū)動前輪，車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系;T為電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，N·m;pSOC為電池組荷電狀態(tài)，%。

圖4顯示了電池組SOC為70%時(shí)，動力總成系統(tǒng)能量回饋效率特性。

圖4 電池組SOC為70%時(shí)能量回饋效率Fig．4 Energy feedback efficiency MAP at pSOC=70%

可見，在相同SOC及電機(jī)轉(zhuǎn)速下，存在最佳制動轉(zhuǎn)矩，使得能量回饋效率最高。由于車輛在滑行時(shí)具有的能量是一定值，能量回饋效率越高，就可使滑行能量更多的被有效利用。

2.3 基于最優(yōu)效率的滑行能量回饋策略

2.3.1 制動轉(zhuǎn)矩施加時(shí)的動態(tài)矩陣預(yù)測控制

在電機(jī)加載試驗(yàn)臺上，模擬車速為50 km/h，施加制動轉(zhuǎn)矩分別為50 N·m、70 N·m及90 N·m時(shí)電機(jī)響應(yīng)曲線如圖5所示。

由圖可見，在制動開始時(shí)，制動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大的波動，會引起車輛抖動，使汽車平順性變差，并導(dǎo)致電池組充電電流沖擊，使得電池組循環(huán)壽命下降。為有效抑制制動轉(zhuǎn)矩施加時(shí)轉(zhuǎn)矩的波動，采用了動態(tài)矩陣控制算法(dynamic matrix control，DMC)，根據(jù)控制電機(jī)實(shí)測的階躍響應(yīng)曲線構(gòu)造動態(tài)模型，在控制過程中進(jìn)行滾動優(yōu)化和反饋校正，這種方法有較好的瞬態(tài)跟蹤性能和對模型失配的魯棒性［13］。

圖5 制動轉(zhuǎn)矩施加時(shí)的電機(jī)響應(yīng)曲線Fig．5 The response curve of motor at braking torque changing sharply

據(jù)濟(jì)南市車輛行駛工況的平均運(yùn)行車速25 km/h，試驗(yàn)車輛電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩67 N·m確定基準(zhǔn)工況，以25 ms采樣周期測試電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，確定預(yù)測模型向量 a=［0，0.18，1.21，3.23，6.18，9.87，14.06，18.47，22.85，26.99，30.72，33.94，36.61，38.74，40.35，41.51，42.29，42.75，42.96，42.95，42.75，42.39，41.90，41.34］，測試結(jié)果表明，在 600 ms時(shí)，階躍響應(yīng)的采樣值與階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值接近［14］，據(jù)此確定模型時(shí)域長度為600 ms，計(jì)24個點(diǎn)。

預(yù)測模型輸出誤差為e(k)，以二次型目標(biāo)函數(shù)最小為指標(biāo)，得到式(6)所示驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求增量ΔT(k)的最優(yōu)控制律，并據(jù)式(7)計(jì)算得到實(shí)際控制量T(k)作用于驅(qū)動電機(jī)［13］。

為簡化參數(shù)整定，Q通常取相同值，文中Q=diag(1)P×P;為提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，λ=diag(0)M×M;為增強(qiáng)控制系統(tǒng)對干擾的校正能力，取h=［1，1，…，1］;在參數(shù)整定時(shí)，一般固定M，只對P進(jìn)行調(diào)整。對于單調(diào)特性對象，M=1～2，對于振蕩特性對象，M取4～8［14］，通過試驗(yàn)確定M=4;P的取值應(yīng)覆蓋系統(tǒng)階躍響應(yīng)的主要變化部分，依據(jù)實(shí)測的預(yù)測模型向量a，綜合考慮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，通過試驗(yàn)確定優(yōu)化時(shí)域長度P=14。

將式(6)展開，可得到k到k+M－1時(shí)刻順序開環(huán)控制增量為

式中，diT為矩陣D的第i行。在DMC控制過程中，采用閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)滾動優(yōu)化策略，即只采用即時(shí)控制增量Δt(k)構(gòu)成k時(shí)刻實(shí)際制動轉(zhuǎn)矩t(k)=t(k－1)+Δt(k)給驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)，到下一時(shí)刻，又通過優(yōu)化求解得到 Δt(k+1)［15］。

由于控制矩陣D的計(jì)算量比較大，為減小控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算工作量，利用Matlab對矩陣D進(jìn)行離線計(jì)算，得到控制系數(shù)，d14=［0，0.370 9，1.338 6，0.131 7，－0.124 2，－0.185 6，－0.098 8，－0.054 4，0.063 7，0.114 5，0.091 2，0.073 3，－ 0.012 4，－0.142 0］。

整車控制器中DMC控制算法的在線計(jì)算包括初始化和實(shí)時(shí)控制兩部分［15］，初始化模塊是在DMC開始運(yùn)行的第一步，檢測出對象的實(shí)際輸出，并設(shè)定為預(yù)測初值。所設(shè)計(jì)的控制策略中，在制動轉(zhuǎn)矩開始施加時(shí)采用DMC控制，因此設(shè)定系統(tǒng)的初始預(yù)測值為t(i)=0。從第二步起轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)控制模塊，DMC控制算法的初始化和實(shí)時(shí)控制流程如圖6所示。

整車控制器中能量回饋策略根據(jù)司機(jī)駕駛需求，得到驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)需求制動轉(zhuǎn)矩。電機(jī)系統(tǒng)完全作為執(zhí)行器，整車控制器通過CAN總線發(fā)送需求轉(zhuǎn)矩信息給電機(jī)控制器，控制驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行能量回饋。針對交流異步電機(jī)，控制策略采用動態(tài)矩陣預(yù)測控制算法計(jì)算并施加制動轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)響應(yīng)特性如圖7所示?？梢?，在不改變電機(jī)響應(yīng)速度的前提下，采用DMC策略能夠有效抑制電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩波動，減小車輛沖擊感。

圖6 DMC在線計(jì)算流程圖Fig．6 Flowchart of DMC real-time calculation

圖7 DMC策略與傳統(tǒng)策略施加制動轉(zhuǎn)矩對比Fig．7 Comparison of braking torque response between DMC strategy and conventional strategy

2.3.2 基于最優(yōu)效率的滑行能量回饋策略

電動汽車滑行時(shí)可回饋到蓄電池的能量wreg［16］為

其中:wb為可供回收的能量;ηM為機(jī)械傳動效率;ηm為電機(jī)系統(tǒng)整體發(fā)電效率;ηb為電池組充電效率。車輛在滑行過程中，wb為與車速和道路坡度相關(guān)的固定值;由于車輛采用固定擋位，ηM可視為常數(shù);由式(8)可知，滑行時(shí)回饋能量主要受ηm及ηb影響。定義能量回饋效率η=ηmηb。

滑行能量回饋策略根據(jù)式(5)所示動力總成系統(tǒng)能量回饋效率模型η=f(n，T，pSOC)，在能量回饋過程中，使車輛動力系統(tǒng)按照最佳控制軌跡運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)基于最佳效率的能量回饋控制策略。

車速高于10 km/h，加速踏板和制動踏板行程都為零時(shí)，進(jìn)行滑行能量回饋。滑行能量回饋控制策略中，參考福特蒙迪歐自動擋轎車滑行時(shí)發(fā)動機(jī)阻力矩，通過實(shí)車在線標(biāo)定確定電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩優(yōu)化范圍。在轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制時(shí)，根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速及電池組SOC信息，依據(jù)式(5)所示能量回饋效率模型，按照牛頓法對制動轉(zhuǎn)矩T進(jìn)行最優(yōu)選取。

運(yùn)算中，控制|Tk+1－Tk|≤ε，得到需求制動轉(zhuǎn)矩參考值Tr=Tk+1。

3 制動能量回饋策略

制動時(shí)，在確保車輛有效制動的同時(shí)，應(yīng)盡可能多的回收能量。由圖2可知，車速u＜10 km/h時(shí)制動能量只占整個循環(huán)制動能量的3%，且低速時(shí)能量回饋效率較低，因此在車速較低時(shí)可不進(jìn)行制動能量回收。

為了保護(hù)電機(jī)系統(tǒng)及電池組，延長其使用壽命，車輛制動轉(zhuǎn)矩在能量回饋過程中還受到電機(jī)溫度、電池組SOC及電池溫度的制約。

3.1 制動能量回饋限制因素

3.1.1 電機(jī)溫度

濟(jì)南市車輛行駛工況測試過程中監(jiān)測結(jié)果表明，所用車輛在濟(jì)南市區(qū)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，在不進(jìn)行能量回饋時(shí)電機(jī)繞組溫度穩(wěn)定在95℃左右，溫升約為70℃。如果采用能量回饋，還會引起電機(jī)繞組溫度進(jìn)一步升高，因此，在制動能量回饋時(shí)應(yīng)根據(jù)電機(jī)溫度來限制最大制動轉(zhuǎn)矩。

3.1.2 電池組SOC

車輛在緊急制動時(shí)，回饋電流較大。而在電池組SOC較高時(shí)進(jìn)行能量回饋，極化現(xiàn)象嚴(yán)重，電流接受能力降低。此時(shí)，進(jìn)行大電流能量回饋，會導(dǎo)致鋰離子沉積、電池組容量保持能力下降及循環(huán)壽命縮短，因此在電池組SOC較高時(shí)應(yīng)限制最大回饋電流。

3.1.3 電池組溫度

在低溫時(shí)，長時(shí)間采用大電流能量回饋，會導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極表面析出結(jié)晶，結(jié)晶累積到一定程度后刺破隔膜，引起正負(fù)極短路。因此，在電池組溫度較低時(shí)也應(yīng)限制回饋電流。

3.2 基于滑動率的制動能量回饋策略

車輛行駛時(shí)制動力系數(shù)受道路材料、路面狀況及車速等因素影響［17］，為保證制動安全性，在制動能量回饋時(shí)采用基于滑動率的控制策略。

滑動率s反映了車輪運(yùn)動中滑動成分所占的比例，定義為［17］

式中:uw為車輪中心的速度;rr0為未施加制動力時(shí)車輪滾動半徑;ωw為車輪角速度。

制動能量回饋時(shí)，整車控制器根據(jù)制動踏板信號進(jìn)行司機(jī)駕駛意圖識別，利用滑動率信息調(diào)整轉(zhuǎn)矩分配。制動力矩增量計(jì)算采用模糊控制策略，以實(shí)時(shí)檢測得到的制動踏板信號和滑動率為輸入?yún)?shù)，輸出為期望制動力矩變化ΔT。當(dāng)車輪的滑動率及滑動率變化率在設(shè)定值以內(nèi)時(shí)，制動所需的力矩增量優(yōu)先由電機(jī)制動部分提供，當(dāng)電機(jī)制動力矩達(dá)到當(dāng)前條件下允許極限值Tm－max時(shí)，需調(diào)整前后輪液壓制動力矩滿足制動需求，調(diào)整過程為

TXb為地面制動力矩，當(dāng)車輪滾動時(shí)，TXb隨踏板行程β增加成正比例變大，即

當(dāng)前輪滑動率達(dá)到設(shè)定限值時(shí)，需減小前輪制動力矩Tf，增加后輪制動力矩Tr。當(dāng)Tf≤Tm－max時(shí)，電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩減小 ΔTf;若此時(shí)Tf＞Tm－max，保持電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩為Tm－max不變，前輪機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩減小ΔTf。調(diào)整過程如式(12)所示。

式(10)、(11)及(12)中，Tm為電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，Tmf為前輪電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，Thf為前輪機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩，Thr為后輪機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩，ΔT為轉(zhuǎn)矩增量。

當(dāng)前、后車輪滑動率都達(dá)到設(shè)定值時(shí)，根據(jù)滑動率信息實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)制動力矩和機(jī)械制動力矩，使制動力分配盡量靠近I曲線，保證車輪不抱死。當(dāng)制動力矩需求變小時(shí)，優(yōu)先減小機(jī)械制動力矩。

4 道路測試結(jié)果

為對開發(fā)的能量回饋策略進(jìn)行驗(yàn)證，采用純電動轎車進(jìn)行實(shí)車測試。車輛參數(shù)為:整車質(zhì)量1 148 kg，車輪半徑0.294 m，該車配有192 V/100 A·h磷酸鐵鋰電池組，20 kW/3000 r/min交流異步電機(jī)，電機(jī)的能量回收制動力矩只作用于車輛前軸。

圖8為動力電池組SOC為69%，車輛以80 km/h的初速度開始滑行時(shí)的能量回饋結(jié)果，由電池組充電電壓及充電電流可知，回收能量為170 kJ，電池組容量增加0.24 A·h。車輛滑行時(shí)制動力矩由電機(jī)提供，在滑行能量回饋開始和結(jié)束時(shí)對施加轉(zhuǎn)矩進(jìn)行DMC預(yù)測控制，有效抑制了轉(zhuǎn)矩波動;在滑行過程中，參考傳統(tǒng)車輛滑行時(shí)發(fā)動機(jī)阻力，基于式(4)進(jìn)行最優(yōu)效率能量回饋。由圖8可知，進(jìn)行滑行能量回饋時(shí)，車速變化平滑，與傳統(tǒng)車輛相近，保持了司機(jī)駕駛舒適性，說明開發(fā)的滑行能量回饋控制策略是有效的。

圖8 實(shí)測滑行時(shí)能量回饋結(jié)果Fig．8 Energy feedback result under coasting condition

圖9為動力電池組SOC為60%，車輛在高附著路面(干瀝青路面)上，以75 km/h的初速度開始緊急制動時(shí)的能量回饋結(jié)果。

由圖9中電池組充電電壓及充電電流可知，回收能量為39 kJ，電池組容量增加0.05 A·h，表明，車輛緊急制動時(shí)，雖然電機(jī)制動力矩達(dá)到最大，但控制器根據(jù)滑移率對前、后軸機(jī)械制動力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，制動時(shí)間縮短，使大量的動能通過摩擦轉(zhuǎn)為熱能，與相同車速下滑行能量回饋相比，回收的能量較少。

為考核控制策略的有效性，基于道路循環(huán)工況進(jìn)行了實(shí)車測試。由于純電動車輛在濟(jì)南市區(qū)運(yùn)行時(shí)車速不高，據(jù)此選擇平均車速較低的基本城市循環(huán)、日本1015工況循環(huán)及圖1所示的濟(jì)南市車輛行駛工況循環(huán)，對比了采用所開發(fā)的能量回饋控制策略與原車控制策略時(shí)動力電池能耗情況，試驗(yàn)時(shí)車輛在底盤測功機(jī)上按照各循環(huán)工況連續(xù)運(yùn)行6次，初始SOC為100%，結(jié)果如表3所示。表3中能耗E和平均回饋效率η分別為

圖9 實(shí)測車輛緊急制動時(shí)能量回饋結(jié)果Fig．9 Energy feedback result at vehicles emergency braking condition

式中:Edis為電池組放電時(shí)電流積分的結(jié)果;Ereg為能量回饋電池組充電時(shí)電流積分結(jié)果;Uoc為電池組開路電壓;I為充電電流;m為汽車質(zhì)量;v1、v2分別為能量回饋的ΔT時(shí)間內(nèi)起始車速和終止車速;T為總回饋時(shí)間。

表2 車輛能耗情況測試結(jié)果對比Table 2 Comparison of energy consumption in different driving cycles

由表2可知，采用本文能量回饋控制策略，平均回饋效率較原車提高了近30%，能耗可相對減少約10%。使得純電動汽車回收能量大幅提高的措施除高效回收滑行能量外，還包括最大限度回收車輛輕度制動時(shí)的動能。由圖1所示濟(jì)南市車輛行駛工況可知，車輛行駛時(shí)制動減速度a＜1 m/s2的時(shí)間占總制動時(shí)間的90.4%，可見對車輛輕度剎車時(shí)，完全由電機(jī)提供制動轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行能量回饋具有重要意義。實(shí)測車輛輕度制動時(shí)能量回饋結(jié)果如圖10所示。其中，豎直線處由上到下順序依次為:新控制策略時(shí)充電電壓、新控制策略時(shí)充電電流、原本充電電壓及原車充電電流。

圖10 實(shí)測輕度制動時(shí)能量回饋結(jié)果Fig．10 Energy feedback result at mild braking condition

按照濟(jì)南市車輛行駛工況運(yùn)行時(shí)，計(jì)算得到新策略回收能量為844 kJ，回收了圖2所示的可回收能量的84%，而原車僅能回收49%，可見本文開發(fā)的能量回饋策略是有效的。

5 結(jié)論

1)構(gòu)建了濟(jì)南市車輛行駛工況，分析認(rèn)為制動能量占驅(qū)動能量的47.5%，且集中在車速10～45 km/h區(qū)間內(nèi)，城市工況可回收能量最大值可作為對能量回饋控制策略完善程度評價(jià)的參考。

2)參考傳統(tǒng)車輛滑行阻力，基于能量回饋效率模型開發(fā)了滑行能量回饋控制策略，最大限度回收車輛滑行時(shí)的能量;并采用DMC控制策略抑制轉(zhuǎn)矩波動，改善駕駛舒適性。

3)考慮電機(jī)溫度、電池組SOC及電池溫度對驅(qū)動電機(jī)最大制動轉(zhuǎn)矩的限制，基于滑動率合理分配機(jī)械制動力和電機(jī)制動力，開發(fā)了制動能量回饋控制策略，確保車輛制動穩(wěn)定性。

4)實(shí)車試驗(yàn)表明，本文開發(fā)的能量回饋策略是有效的。

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