液壓混合動力工程車輛能量控制策略

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(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京　100192； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京　100192)

引言

針對以往車輛存在的高油耗和尾氣污染嚴(yán)重等問題，國內(nèi)外部分企業(yè)正在加緊開展混合動力技術(shù)的研究。其中液壓混合動力技術(shù)具有功率密度大、存儲能力強(qiáng)和能量釋放時(shí)間短等特點(diǎn)[1]，使車輛更具有競爭力[2]。工程車輛行駛或作業(yè)過程中的車輛經(jīng)常減速、制動，通過蓄能器回收制動能量，用于車輛及工作裝置或者其他系統(tǒng)的再驅(qū)動，不僅有利于工程車輛的節(jié)能與環(huán)保，還為車輛控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展提供了新思路[3]。

在不同工況制動過程中，合理分配再生制動力矩與液壓制動力矩，可以使車輛制動性能和能量回收率均得到提高。對于聯(lián)合制動系統(tǒng)， 就要協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向泵與再生能量的利用策略，重新管理電液制動系統(tǒng)的能量來源，不僅要使得車輛獲得最佳的能量利用率與燃油經(jīng)濟(jì)性，更要確保車輛的制動效能穩(wěn)定[4]。因此，節(jié)能型液壓混合動力制動系統(tǒng)的能量控制策略是整個(gè)混合動力車輛制動能量的回收和再利用的核心，也是盡可能提高液壓混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù)。近年來模糊邏輯方法被成功引入到車輛能量管理中，它與多種函數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的非線性輸入輸出關(guān)系，對被控對象的參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性，對外界的干擾有較強(qiáng)的排除能力，具有良好的控制品質(zhì)[5]。在除工程車輛之外的其他車輛中，模糊控制技術(shù)較為成熟，有些車輛已經(jīng)運(yùn)用模糊控制已經(jīng)成功的改善了車輛能量控制的各種指標(biāo)[6]。

為解決液壓混合動力工程車輛的能量控制問題，本研究就液壓混合動力工程車輛，基于模糊控制的邏輯方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略。通過仿真去分析該控制策略在再生制動轉(zhuǎn)矩和電液制動轉(zhuǎn)矩分配的實(shí)時(shí)變化情況，并計(jì)算能量回收效率，使能在確保制動強(qiáng)度的前提下高效地回收制動能量，為以后整車的控制器的設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1　聯(lián)合制動的工作原理與模糊控制策略

本研究以某廠生產(chǎn)的ZL50裝載機(jī)為研究對象，利用模糊控制理論展開能量控制策略的研究。駕駛員踏下制動踏板，控制器根據(jù)踏板位置計(jì)算出車輛所需總制動力矩，得到制動強(qiáng)度，然后將再生蓄能器的儲液量(SOC),工程車輛的速度和駕駛員所需的制動力矩作為輸入信息，根據(jù)模糊控制輸出，可得到電液制動與再生制動的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，進(jìn)而可得到電液制動力矩的大小和再生制動力矩的大小[7]。最后將兩部分制動力作用于整車，制動過程中整車的速度及再生制動蓄能器的儲能情況是實(shí)時(shí)變化的，將再生制動蓄能器反饋信號及車速反饋信號輸入控制器進(jìn)行再生制動及電液制動力矩的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而達(dá)到更好的節(jié)能效果，如圖1所示。

圖1　電液混合工程車輛制動力分配控制系統(tǒng)

本研究用“高”、“中”、“低”等模糊參數(shù)代替精確參數(shù)，形成模糊控制策略，聯(lián)合制動模糊控制器中輸入量規(guī)定的模糊子集為：V(Speed)={High，Middle，Low)，A(SOC)={High，Middle，Low}，輸出量規(guī)定的模糊子集為k={High，Middle，Low}。根據(jù)大量仿真數(shù)據(jù)和理論分析，設(shè)計(jì)的車速和再生蓄能器初始SOC的隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示, 轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的輸出隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖2　車速輸入隸屬度函數(shù)

圖3　再生蓄能器SOC輸入隸屬度函數(shù)

圖4　轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的隸屬度函數(shù)

1.1　車速輸入隸屬度函數(shù)

如圖5所示，因?yàn)楣こ誊囕v如裝載機(jī)的最高車速是37 km/h，所以所設(shè)計(jì)的車速范圍為0～37 km/h。圖2為車速隸屬度函數(shù)，模糊子集low表示車速較低的情況；模糊子集middle表示當(dāng)前車速中等的情況，即工程車輛在作業(yè)時(shí)的車速；而模糊子集high則表示車速較高的情況，如工程車輛在道路行駛的車速。

圖5　模糊控制下的制動力分配模型

1.2　再生蓄能器SOC輸入隸屬度函數(shù)

再生蓄能器SOC的取值范圍為[0,1], 圖表示再生蓄能器SOC的隸屬度函數(shù)，模糊子集middle表示當(dāng)前再生蓄能器儲液量一般：而模糊子集high則表示再生蓄能器儲液量較高，模糊子集low則表示再生蓄能器儲液量較低。

1.3　轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的輸出隸屬度函數(shù)

轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)指的是再生制動力矩占所需總制動力矩的比例。取值范圍為[0，1]。模糊子集low則表示轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)較低，此時(shí)主要靠電液制動系統(tǒng)進(jìn)行制動；模糊子集middle表示轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)中等，此時(shí)靠電液制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動：而模糊子集high則表示轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)較高，此時(shí)主要靠再生系統(tǒng)制動回收動能。

1.4　模糊控制規(guī)則

制定聯(lián)合制動模糊規(guī)則時(shí)，要兼顧整車制動性能和制動能量回收率，根據(jù)大量的仿真比較，共制定九條模糊規(guī)則[8]：

① IF (Speed==low) and (SOC==low) THEN k=low

② IF (Speed==low) and (SOC==middle) THEN k=low

③ IF (Speed==low) and (SOC==high) THEN k=low

④ IF (Speed==middle) and (SOC==low) THEN k=middle

⑤ IF (Speed==middle) and (SOC==middle) THEN k=middle

⑥ IF (Speed==middle) and (SOC==high) THEN k=low

⑦ IF (Speed==high) and (SOC==low) THEN k=high

⑧ IF (Speed==high) and (SOC==middle) THEN k=high

⑨ IF (Speed==high) and (SOC==high) THEN k=low

2　系統(tǒng)建模與仿真分析

2.1　建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真

根據(jù)上述分析，及模糊控制規(guī)則，運(yùn)用MATLAB /Simulink軟件建立模糊控制器制動力分配模型[9](見圖5)。

2.2　仿真分析

為了更好地說明能量回收效果，引入能量回收率評價(jià)指標(biāo)[10]。

車輛的動能：

式中，m為汽車的質(zhì)量，kg；v為汽車的末速度，m/s；v0為汽車的初速度，m/s。

液壓蓄能器的能量：

式中，p1為蓄能器壓力，Pa；V1為蓄能器初始體積，m3；V2為蓄能器末體積，m3，β為氣體多變指數(shù)，無量綱，取1.4。

能量回收率ε：

1) 對以下九種工況進(jìn)行仿真分析

(1) 不同初速度時(shí)的仿真比較

制動踏板角度為100°，路面摩擦阻力系數(shù)為0.1，再生蓄能器初始壓力為15 MPa,初始SOC為0，車輛總質(zhì)量為17000 kg。初速度為30 km/h、 20 km/h、 10 km/h時(shí)的仿真如圖6所示。

由圖6a、6b可知，隨著車速的下降，制動的能量不斷回收，油液充滿再生蓄能器，再生制動力矩逐漸下降，電液制動逐漸上升，以滿足制動強(qiáng)度。由圖6c、6d、6e可知，隨著車速的下降，油液不斷充滿再生蓄能器，由動能轉(zhuǎn)化成油液的液壓能，存儲在再生蓄能器里，使再生蓄能器SOC不斷增大。車輛初速度越大，制動前后的再生蓄能器SOC變化就越大。由圖6f可知，初速度為30 km/h時(shí)，制動時(shí)間為3 s，初速度為20 km/h時(shí)，制動時(shí)間為2.1 s，初速度為10 km/h時(shí)，制動時(shí)間為1.05 s。

圖6　不同初速度工況下的仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算能量初速度不同時(shí)的能量回收效率如表1所示。

表1　初速度不同時(shí)車輛能量回收情況

由表1可知，制動強(qiáng)度、再生蓄能器初始SOC相同時(shí)，車輛初速度越大，回收效率就越高，蓄能器回收的能量就越多。

(2) 不同制動強(qiáng)度時(shí)的仿真結(jié)果

車輛初速度為18 km/h，路面摩擦阻力系數(shù)為0.1，再生蓄能器初始壓力為15 MPa,初始SOC為0，車輛總質(zhì)量為17000 kg。制動踏板角度為100°、50°、30°時(shí)的仿真如圖7所示。

圖7　不同制動強(qiáng)度下的仿真結(jié)果

由圖7a、7b可知，制動強(qiáng)度越大再生制動力矩與電液制動力矩都相應(yīng)的增大。但是，制動強(qiáng)度越小，再生制動力矩與電液制動力矩變化的幅度越小。由圖7c、7d、7e可知，制動強(qiáng)度越大，再生蓄能器的壓力在增大，再生蓄能器里的氮?dú)怏w積在減小，再生蓄能器的SOC在增加。由圖7f可知，制動強(qiáng)度越大，制動時(shí)間越小。三種工況對應(yīng)的制動時(shí)間分別為1.9 s，3.3 s，4.8 s。

根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算出制動強(qiáng)度不同時(shí)的能量回收效率如表2所示。

表2　制動強(qiáng)度不同時(shí)車輛能量回收情況

由表2可知，制動初速度相同，再生蓄能器初始SOC時(shí)相同時(shí)，制動強(qiáng)度越大，能量回收率越大。

(3) 再生蓄能器初始SOC不同仿真

車輛初速度為18 km/h，路面摩擦阻力系數(shù)為0.1，再生蓄能器初始壓力為15 MPa, 制動踏板角度為100°，車輛總質(zhì)量為17000 kg。再生蓄能器初始SOC為0、0.5、0.8時(shí)的仿真如圖8所示。

圖8　不同再生蓄能器初始SOC時(shí)的仿真結(jié)果

由圖8a、8b可知，再生蓄能器初始SOC越小，再生制動力就越大，相應(yīng)的電液制動力矩就越小。由圖8c、8d、8e可知，再生蓄能器初始SOC為0和0.5的時(shí)候，制動前后再生蓄能器SOC、蓄能器的壓力的增加量相差不大。再生蓄能器SOC初始值為0.8，制動時(shí)SOC增加到0.95的時(shí)候，為了保護(hù)再生蓄能器，此時(shí)，不再向再生蓄能器里充液。由8f可知，制動時(shí)間與蓄能器初始SOC無關(guān)，都為1.9 s。

根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算出再生蓄能器初始SOC不同時(shí)的能量回收效率如表3所示。

表3　蓄能器初始SOC不同時(shí)車輛能量回收情況

由表3可知，車輛初速度、制動強(qiáng)度相同時(shí)，再生蓄能器初始SOC越小，能量回收效率就越大。

從表1～表3可以看出，初始車速、再生蓄能器初始SOC、制動強(qiáng)度都是能量回收效率的影響因素，該模糊控制策略能夠根據(jù)輸入量的變化，有效合理的實(shí)時(shí)分配再生制動轉(zhuǎn)矩和電液制動轉(zhuǎn)矩之間的比例，從而提高能能量回收效率。

2) 與固定的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)策略對比分析

為了證明本研究的能量控制策略的有效性與正確性，此處不考慮控制策略，轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)取一定值進(jìn)行仿真，并計(jì)算能量回收效率，與上述的九種工況進(jìn)行對比分析。故用MATLAB /Simulink軟件建立如圖9所示模型[9]

圖9　固定的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)策略下的制動力分配模型

更改k值(轉(zhuǎn)矩分配系數(shù))為0.3、0.4、0.5，并進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算出不同工況下的能量回收效率如表4所示。

由表格中的數(shù)據(jù)可知，初速度不同時(shí)、制動強(qiáng)度不同時(shí)， 運(yùn)用模糊控制策略時(shí)的能量回收效率與不用模糊控制策略時(shí)相比，回收效率高出很多，能量回收效果明顯。再生蓄能器初始SOC為0和0.5時(shí)， 用模糊控制時(shí)也比不用模糊控制時(shí)的能量回收效率要高很多，再生蓄能器SOC為0.8時(shí)，此時(shí)不用模糊控制策略，在制動的結(jié)束時(shí)，蓄能器SOC值會很高，對蓄能器的壽命有不良影響。

表4　模糊控制策略下與不用模糊控制策略下的回收情況對比

3　結(jié)論

(1) 本研究引進(jìn)了轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，采用了模糊控制策略，并建立了MATLAB/Simulink仿真模型；

(2) 對車輛初速度不同、制動強(qiáng)度不同、再生蓄能器初始SOC不同的九種工況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，模擬了制動模式下的再生制動轉(zhuǎn)矩和電液制動轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)分配情況，與實(shí)際工況和現(xiàn)象的基本趨勢保持一致，并計(jì)算了能量回收效率，并與同條件下不用模糊控制策略的情況進(jìn)行了對比分析；

(3) 通過仿真結(jié)果的對比分析,得出本研究的能量控制策略在保證制動安全性的前提下，有效地提高能量回收效率，同時(shí)保持蓄能器SOC在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以保證蓄能器壽命，可以有效解決工程車輛的能量控制問題，為以后設(shè)計(jì)車輛控制器提供了參考依據(jù)。

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