新能源汽車(chē)制動(dòng)能量回收控制策略的研究

吳凱龍 鄭建立

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);制動(dòng)能量回收;蓄電池;模糊控制

新能源汽車(chē)因其零排放等節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)逐漸成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，然而續(xù)航里程短的問(wèn)題卻嚴(yán)重制約了其發(fā)展，制動(dòng)能量回收技術(shù)是解決該問(wèn)題的有效手段之一。本文從制動(dòng)能量回收效率與蓄電池保護(hù)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)以電池荷電狀態(tài)SOC、制動(dòng)間隔時(shí)間t、制動(dòng)強(qiáng)度z和車(chē)速v為輸入的模糊控制器，根據(jù)其輸出的制動(dòng)力分配系數(shù)k來(lái)分配電機(jī)制動(dòng)力。在Matlab/Simulink中實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的模糊控制器并與Carsim所提供的精準(zhǔn)車(chē)輛模型聯(lián)合仿真，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文提出的控制策略對(duì)能量回收以及蓄電池保護(hù)的效果。

1能量回收模型介紹

車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，控制器通過(guò)對(duì)此時(shí)整車(chē)情況的分析處理，分配電機(jī)制動(dòng)力及機(jī)械制動(dòng)力的比例進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)力。在此過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)變換電路對(duì)電池進(jìn)行充電以實(shí)現(xiàn)能量回收;同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子切割線圈磁場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將形成制動(dòng)力矩使電機(jī)減速以產(chǎn)生電機(jī)制動(dòng)力矩，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)作用于驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。能量回收模型如下圖1中所示，制動(dòng)能量依次經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC變換器，最終到達(dá)儲(chǔ)能裝置電池組，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。

2基于制動(dòng)強(qiáng)度的前后輪制動(dòng)力分配

車(chē)輛在制動(dòng)中前后輪都抱死時(shí)，若前后輪制動(dòng)力分別等于其附著力，則此時(shí)車(chē)輛的制動(dòng)效率最高、穩(wěn)定性最強(qiáng)，此狀態(tài)下車(chē)輛前后輪制動(dòng)力的關(guān)系即理想制動(dòng)力分配曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)I曲線。

ECE R13道路安全法規(guī)規(guī)定車(chē)輛在路面附著系數(shù)0.8之間時(shí)，其制動(dòng)強(qiáng)度必須滿(mǎn)足：≥0.1+0.85（-0.2），此時(shí)前后輪制動(dòng)力的關(guān)系稱(chēng)為M曲線。

I曲線和M曲線見(jiàn)圖2所示。首先，為保證車(chē)輛制動(dòng)穩(wěn)定性以及安全性，前后輪制動(dòng)力分配應(yīng)處在兩曲線之間;其次，為提升能量回收效率，應(yīng)盡量多地讓前輪參與制動(dòng)。

3基于模糊控制的制動(dòng)力分配策略

3.1模糊控制器設(shè)計(jì)

影響車(chē)輛制動(dòng)時(shí)能量回收的主要因素是制動(dòng)強(qiáng)度、制動(dòng)力需求、電池荷電狀態(tài)以及車(chē)速，模糊控制器的輸入通常從以上因素選擇并以電機(jī)制動(dòng)力的占比作為輸出。本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)力分配模糊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，考慮目前日益高發(fā)的城市交通擁堵路況，低速頻繁制動(dòng)回收能量低且頻繁充放電有損蓄電池壽命，本文基于此添加制動(dòng)間隔時(shí)間t與制動(dòng)強(qiáng)度z、電池荷電狀態(tài)SOC及車(chē)速v作為mamdani型模糊控制器的四個(gè)輸入，以電機(jī)制動(dòng)力分配系數(shù)k作為輸出，設(shè)計(jì)模糊控制器。

3.2模糊控制器規(guī)則

基于本文制動(dòng)力分配策略對(duì)各輸入變量進(jìn)行分析，可制定本文模糊控制器的規(guī)則。

將制動(dòng)強(qiáng)度z的模糊子集劃分為{L（低）、M（中）、H（高）}，設(shè)其范圍為0到1;電池SOC的模糊子集劃分為{L（低）、M（中）、H（高）}，設(shè)其范圍為0至100;將制動(dòng)間隔時(shí)間t的模糊子集劃分為{L（低）、M（中）、H（高）}，設(shè)置其范圍O至30;最后將車(chē)速v的模糊子集劃分為{L（低）、M（中）、H（高）}，設(shè)其范圍為0至150;輸出的制動(dòng)力分配系數(shù)k的模糊子集則劃分為五種情況：{VL（很低）、L（低）、M（中）、H（高）、VH（很高）}，設(shè)置其范圍0至1。

根據(jù)以上輸入輸出的分析，設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則表，如下表1所示。

4仿真與分析

根據(jù)本文制定的能量回收模糊控制策略，在Matlab/Sim-ulink中搭建控制器模型（如圖4），并與可提供精準(zhǔn)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的Carsim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，采用WLTC工況（如圖5）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。WLTC循環(huán)工況參數(shù)如表2所示。

通過(guò)將本文模糊控制策略與不加入制動(dòng)間隔時(shí)間輸入約束的原模糊控制策略以及無(wú)制動(dòng)力分配控制策略三種情況下的仿真結(jié)果輸出，得到三條電池SOC值變化曲線如圖6中所示，統(tǒng)計(jì)兩種模糊控制策略的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

通過(guò)圖6可得知本文模糊控制策略的電池SOC終值為79.5%，高于無(wú)控制策略的77.6%，與未加入制動(dòng)間隔時(shí)間輸入約束的原模糊控制策略的79.7%相差無(wú)幾;同時(shí)，通過(guò)表3可以看出本文模糊控制策略回收的能量以及回收率在與原模糊控制策略幾乎無(wú)差別的基礎(chǔ)上，能量回收次數(shù)只有39次遠(yuǎn)低于原模糊控制的48次，減少了充電次數(shù)。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的模糊控制策略在提高了蓄電池安全性的同時(shí)，依然保持著出色的能量回收效率。

5結(jié)語(yǔ)

本文從制動(dòng)能量回收效率與蓄電池保護(hù)出發(fā)，基于理想制動(dòng)力分配曲線及ECE法規(guī)曲線的前后輪制動(dòng)力分配，設(shè)計(jì)了以電池荷電狀態(tài)、制動(dòng)間隔時(shí)間、制動(dòng)強(qiáng)度和車(chē)速作為輸入變量，電機(jī)制動(dòng)力分配系數(shù)為輸出變量的能量回收模糊控制策略，在Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)控制器并與Carsim進(jìn)行聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文制定的能量回收控制策略在有效提升蓄電池安全性的同時(shí)，依然保持著出色的能量回收效率。